پالایش نفت

برگزاری کلاسهای آموزشی انجام پایان نامه

در صنایع پالایش نفت؛ همانند بسیاری دیگر از صنایع تولیدی و فرآورش؛ از خاک های کمیاب[۱] استفاده می کنند. در شیوه پالایش با خاکهای کمیاب؛  معمولا از خاک های کمیاب سبکتر مثل لانتانوم[۲] و سریوم[۳] استفاده می شود که از فراوان ترین خاک های نادر محسوب می شوند؛ گفته می شود که استفاده از آنها فشار کمتری نسبت به خاک های نادر سنگین تر بر بازار وارد می کند. اخیرا برخی منابع تامین خارج از چین نیز تحت توسعه قرار گرفته اند؛ قرار است تولید در آنها در سال ۲۰۱۲ در ایالات متحده و استرالیا شروع شود. تولید کنندگان کاتالیزور نیز قراردادهای تامین مواد را با تولید کنندگان جدید خاک های کمیاب در خارج از چین منعقد کرده اند.

صنایع پالایش معمولا در معرض خطر قطع تامین خاک های کمیاب نیستند. موجودی کاتالیزورهای FCC و مواد خاک های نادر برای تولید کاتالیزورهای FCC به اندازه ای است که مصرف چندین ماه را پوشش می دهد؛ این روند به نوعی گسترش می یابد که تولید کنندگان کاتالیزور قصد دارند کاتالیزورهایی تولید کنند که خاک های کمیاب در آنها به حداقل رسیده یا نزدیک به صفر باشد. این نیاز زمانی که منابع جدید تامین در خارج از چین طی سال های آینده بصورت آنلاین فعال شوند؛ کمتر نیز خواهد بود.

۲٫۳ آهن رباهای دائمی

مغناطیس های دائمی خاک کمیاب نئودیمیوم آهن بور[۴] (PMs[5]) در توربین های بادی و موتورهای کشش (یعنی نیرومحرکه) برای خودروهای برقی (EVs[6]) کاربرد دارند. اگرچه استفاده از مغناطیس های دائمی خاک های کمیاب در این نوع کاربری ها رو به افزایش است چون عملکرد آنها با مزایای زیادی همراه می باشد؛ اما برخی عوامل فنی، اقتصادی و سیاسی نیز بر آینده این روند تاثیر می گذارد. در واقع؛ سازندگان به انعطاف زیادی در بررسی اهمیت پتانسیل های مواد نیاز دارند تا بتوانند تغییرات لازم در طراحی اجزاء را ایجاد کنند. در این بخش؛ برخی از این موارد را که مربوط به مغناطیس های خاک های کمیاب در توربین های بادی و مغناطیس دائمی می شود را بررسی خواهیم کرد. همچنین تمرکز خاصی بر دیسپروزیوم[۷] خواهیم داشت چون آن را به عنوان مهمترین عنصر در استراتژی مواد حیاتی ۲۰۱۰ معرفی کرده اند. اگرچه دیسپروزیوم دارای اهمیت خاصی است اما تاکنون تلاش های بسیاری انجام داده اند تا استفاده از آن را در نسل های بعدی توربین های بادی و موتورها محدود کنند. برگزاری کلاسهای آموزشی انجام پایان نامه

توربین های بادی

ژنراتورهای توربین بادی قادرند انرژی باد را به برق تبدیل کنند. روندهای بسیاری برای افزایش استفاده از REEها انجام شده است. یکی از روندها ؛ پیشرفت تدریجی به سوی توربین های بزرگتر و قدرتمند تر است. در شکل ۲٫۱ ؛ تغییر جهانی در توزیع سایر از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۲ (پیش بینی) را مشاهده می کنید.

 

انجام پایان نامه

 

شکل ۲٫۱ : مقایسه توزیع سایز توربین ها (از گسترش سالانه جهانی) از سال ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۲ (پیش بینی) (منبع: troedson 2011).

 

در سال ۲۰۰۹؛ بیش از ۹۰درصد از بازار را توربین های کوچکتر از ۲٫۵ مگاوات تشکیل داده بودند. طبق برآوردها در سال ۲۰۱۲؛ این سهم به ۶۲درصد کاهش خواهد یافت (Troedson 2011). احتمالا در توربین های بزرگتر از مغناطیس دائمی خاک های کمیاب استفاده می شود تا سایز و وزن ژنراتور نسبت به طراحی های بدون مغناطیس دائمی مثل ژنراتورهای القایی یا ژنراتورهای همزمان کمتر گردد.

روند دوم مربوط به توربین هایی است که مجهز به ژنراتورهای برقی هستند و با سرعت کندتر کار می کنند تا کوپلینگ بهتری با چرخش موتور داشته باشند. با این روش هنگامی که سرعت باد کندتر می شود؛ برق بیشتری نسبت به توربین های رایج با سرعت بالا ؛ تولید می شود. پائین ترین سرعت ژنراتور برق را می توان با کمک تنظیمات “درایو مستقیم[۸]” بدست آورد. از سوی دیگر توربین هایی که سرعت بالا دارند؛ از چرخ دنده های یک یا چند مرحله ای استفاده می کنند که بین پره های چرخان و ژنراتور قرار دارند. توربین هایی که دارای تنظیمات درایو مستقیم هستند؛ از یک سو کارآیی بیشتری دارند و از سوی دیگر چون چرخ دنده ندارند؛ نیاز آنها به عملیات نگهداری کاهش می یابد. بدین ترتیب این توربین ها اگر در مکان های دورافتاده یا خارج از ساحل نصب شوند؛ از مزیت کاهش هزینه های نگهداری در کل طول عمر بهره مند می شوند. علیرغم همه مزایا؛ توربین هایی که با سرعت کند کار می کنند برای کسب سطح قدرت بالاتر به مغناطیس های دائمی بزرگتر – یعنی خاک کمیاب بیشتر – نیاز دارند. طبق تخمین های شرکت Arnold Magnetics  (Constantinides 2011) توربین های درایو مستقیم به ۶۰۰ کیلوگرم مواد مغناطیس دائمی برای هر مگاوات نیاز دارند؛ یعنی صدها کیلوگرم خاک کمیاب برای هر مگاوات (GE 2011).

اگر تولید کنندگان بخواهند مصرف خاک های کمیاب در توربین های بادی را کاهش دهند؛ باید گزینه های طراحی خود را تغییر دهند. در حال حاضر توربین های مغناطیس دائمی با “درایو هیبرید[۹] ” که از ژنراتور مغناطیس دائمی همراه با “درایو چرخ دنده ای[۱۰] ”  کار می کنند؛  توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. این توربین ها با سرعت بیشتری نسبت به توربین های درایو مستقیم کار می کنند و نیازمند یک سیستم چرخ دنده پیچیده تری هستند اما مقدار مغناطیس دائمی در آنها یک سوم توربین های درایو مستقیم است بنابراین به خاک های کمیاب کمتری هم نیاز دارند (Constantinides 2011). در حال حاضر توربین های درایو هیبرید سهم کمتری در بازار توربین های بادی را به خود اختصاص داده اند اما می توانند در دهه های آینده بیشتر از نیمی از برق مورد نیاز را تولید کنند (Constantinides 2011). ملاحظات خاص در خصوص کمیاب بودن برخی مواد حیاتی؛ روند توسعه توربین های ژنراتور مافوق هادی را تسریع می کنند. این توربین ها به مغناطیس دائمی نیاز ندارند و برای توربین هایی با ظرفیت بیشتر از ۱۰ مگا وات مناسب هستند. شرکت های آمریکایی تولید کننده ژنراتورهای مافوق هادی؛ محصولات خود را برای توربین های ۱۰ مگاواتی Sea Titan  تولید می کنند که با استفاده از ژنراتور درایو مستقیم مافوق هادی با دمای بالا کار می کنند (AMSC 2011).

شواهد نشان می دهند که قیمت های صادرات خاک های کمیاب و حق العمل کاری قیمت ها باعث ایجاد اختلاف بین استفاده از طراحی مغناطیس دائمی در داخل و خارج از چین شده اند. توربین های بادی مغناطیس دائمی فقط ۵درصد از بازار خارج از چین را تشکیل می دهند (Constantinidies 2011) اما سهم آنها از بازار داخل چین حدود ۲۵ درصد یا بالاتر است (Hu 2010).

این بحث میزان  و فضای طراحی توربین بادی را نشان می دهد. تصمیمات طراحی تولید کنندگان منفرد برای ارائه یک مدل خاص از توربین؛ بر تقاضای خاک های کمیاب پالایش شده برای توربین های بادی تاثیر می گذارد. در سناریو تجهیز کامل توربین های بادی که در فصل ۴ توضیح داده ایم؛ استفاده از توربین های درایو هیبرید را به جای درایو مستقیم برای همه توربین های مغناطیس دائمی شرح داده ایم؛ با این کار تا سال ۲۰۲۵ میزان تقاضا برای نئودیمیوم[۱۱] بطور سالانه تا ۷۰۰۰ تن کاهش می یابد؛ این میزان یعنی کاهش تقاضای نئودیمیوم برای تولید انرژی پاک تا سقف یک ششم.

اتومبیل های برقی و هیبرید

اگرچه طراحی های مغناطیس دائمی خاک های نادر درصد کوچکی از بازار توربین های بادی را تشکیل می دهند اما آنها در تکنولوژی اتومبیل های برقی از اهمیت بالاتری برخوردار شده اند. تقریبا در موتور همه اتومبیل های برقی هیبرید (HEV[12]) با تولید انبوه و اتومبیل های برقی (از جمله اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده (PHEV[13]) و اتومبیل های تمام برقی (AEV[14]) ) از مغناطیس دائمی خاک های نادر استفاده می شود تا بتوانند نیروی رانش کافی تولید کنند. موتورها که یکی از اجزاء در این سیستم پیچیده هستند باید از نظر سایز و وزن با پارامترهای طراحی موجود همخوانی داشته باشند؛ جایگزین کردن آنها بسیار دشوار است. این مسئله در مورد موتورهای اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده و اتومبیل های برقی هیبرید صدق می کند؛ این اتومبیل ها باید به نوعی طراحی شوند که برای موتورهای بنزینی و همچنین موتورهای برقی جای کافی داشته باشند؛ آن هم زمانی که محفظه موتور محدود است. در اتومبیل های تمام برقی؛ موتورهای بنزینی را نصب نمی کنند بنابراین برخی از محدودیت های فضا برطرف شده و خنک کردن موتور نیز ساده تر انجام می شود. این عوامل باعث انعطاف بیشتر برای تغییر سایز موتور و تغییر مشخصه های عملیاتی آن می شوند.

سازندگان گزینه های مختلفی برای جایگزین کردن موتورهای مغناطیس دائمی خاک های کمیاب در طراحی های اتومبیل ارائه کرده اند (N.V. 2011). برخی سازندگان موتورهای القایی را درنظر گرفته اند که از موتورهای مغناطیس دائمی بزرگتر هستند (برای تولید یک قدرت مشابه) اما خنک نگهداشتن آنها راحت تر بوده و کارآیی بالاتری دارند. بسیاری از تولید کنندگان اتومبیل های برقی از جمله Tesla Roadster‌ و Mini-E از موتورهای القایی استفاده می کنند. تویوتا در ابتدای سال ۲۰۱۱ اعلام کرد که این شرکت نیز قصد دارد طراحی موتور القایی را توسعه داده تا بتواند از آن در بسیاری از اتومبیل های برقی خود با درایوهای برقی استفاده کند.

موتورهای مغناطیسی راهگزین (SRM[15])‌ که با بهره گیری از راهگزینی الکترونیکی در یک زمینه استاتور الکترومغناطیسی برای رانش یک استاتور آهنی کار می کنند؛ یک جایگزین احتمالی برای موتورهای مغناطیس دائمی هستند. استفاده از موتورهای مغناطیسی راهگزین معمولا با مشکلاتی همچون لرزش و سروصدا همراه بوده است اما پیشرفت های اخیر در زمینه کنترل ها و ماشین کاری دقیق باعث شده است که قطعات این موتور بسیار بهتر و سازگارتر طراحی و ساخته شوند. اخیرا برخی پروژه های تحقیقاتی بسیار پیشرفته از سوی آژانس انرژی به دانشگاه تگزاس در دالاس و مرکز عمومی هسته ای واگذار شده اند؛ بودجه این پروژه ها بالغ بر ۲٫۸ میلیون دلار بوده است تا این مراکز بتوانند جایگزین های مناسبی برای خاک های کمیاب و استفاده از آنها در برنامه تکنولوژی های حیاتی ارائه کرده و یک موتور مغناطیسی راهگزین با استاتور دوبل برای اتومبیل با درایو برقی طراحی کنند.

دیسپروزیوم

مسئله دیگری که اخیرا توجه زیادی را به خود جلب کرده است؛ استفاده از دیسپروزیوم در مغناطیس های دائمی خاک های کمیاب است. افزودن دیسپروزیوم باعث افزایش میزان مغناطیس زدای داخلی یا مقاومت نسبت به مغناطیس زدایی می گردد. با این کار مقاومت برای بهبود مغناطیسی شدن در دماهای بالاتر افزایش می یابد؛ این وضعیت برای همه مغناطیس های دائمی که در داخل موتور یا ژنراتورها قرار دارند بسیار مهم است. میزان دیسپروزیوم مصرفی بر اساس دمای کارکرد متفاوت است. در جدول ۲٫۲ میانگین تخمینی مصرف دیسپوزیوم را بصورت درصد وزن مغناطیس برای کاربردهای مختلف نشان داده ایم.

حتی در این کاربردها هم می توان یک دامنه خاص برای میزان استفاده از دیسپوزیوم تعیین کرد. در محاسبات تقاضا برای دیسپوزیوم که در فصل ۴ از همین استراتژی ارائه کرده ایم؛ کمترین و بیشترین میزان تقاضا برای دیسپوزیوم بصورت میانگین مصرف دیسپوزیوم در توربین های بادی و اتومبیل های دارای مغناطیس دائمی ذکر شده اند. همچنین باید دامنه دمای محیط کارکرد و یا شرائط دیسپوزیوم در انواع مختلف اتومبیل را در نظر گرفت.

تلاش هایی که برای کاهش میزان استفاده از دیسپوزیوم انجام می شوند هم در زمینه نوآوری ها در سطح سیستم انجام می شوند تا با کاهش دمای کارکرد بتوانند نیاز به دیسپوزیوم را کاهش دهند و هم تلاش هایی در زمینه تحقیقات علمی بر روی مواد انجام می شوند تا بتوان میزان دیسپوزیوم مورد نیاز برای کارکرد در یک دمای خاص را کاهش داد. شرکت Boulder Wind  با پشتیبانی از برنامه توسعه نسل بعدی استفاده از نیروی باد در ایالات متحده از سازمان طراحی آزمایش ها قصد دارد یک توربین بادی منحصر به فرد را با استفاده از یک استاتور با هسته هوا توسعه دهد؛ این توربین می تواند در دمای پائین کار کند و به همین دلیل نیازی به دیسپوزیوم ندارد. حذف دیسپوزیوم منجر به کاهش هزینه های مواد می گردد؛ این نوآوری که هدف این شرکت هم محسوب می شود باعث کاهش شدید هزینه های تولید، نصب و راه اندازی نسبت به سایر توربین های بادی موجود می گردد (Boulder Wind 2011). اما در خصوص علم مواد؛ محققان تاکنون توانسته اند تعدادی از پروژه ها را برای کاهش میزان مصرف دیسپوزیوم ارائه کنند. تحقیقات محققان ژاپنی و برخی دیگر از پروژه های تحقیقاتی با موضوع استفاده یا کاهش دیسپوزیوم؛ برای پشتیبانی از اهداف سیاست ملی تحقیق و توسعه در زمینه خاک های کمیاب به انجام رسیده اند. تلاش های آنها شامل انجام برخی آزمایشات برای کاهش سایز پودرهای مغناطیسی ؛ اصلاح شیوه استفاده از دیسپوزیوم در ساختارهای مغناطیسی و استفاده از یک آلیاژ مس-نئودیمیوم (به جای دیسپوزیوم) در شکل دانه های مغناطیس می باشد (NIMS 2010). یکی از شرکت های داخلی معدن خاک های نادر به نام Molycorp اخیرا اعلام کرده است که قرارداد مشارکت با شرکت های Daido Steel‌ و میتسوبیشی منعقد کرده است تا مغناطیس دائمی خاک های کمیاب زینتر را با عملکرد بهتر اما استفاده کمتر از دیسپروزیوم به آنها ارائه کند (Molycorp 2011) . استفاده از دو رویکرد موازی برای کاهش دیسپروزیوم نشان می دهد که می توان در آینده میزان تقاضا برای دیسپروزیوم را جهت استفاده در مغناطیس های دائمی کاهش داد.

 

 

 

جدول ۲٫۲ : تخمین های میزان استفاده از دیسپوزیوم بصورت مقایسه ای در کاربری های مغناطیسی

کاربری مقدار معمول دیسپروزیوم (سهم از وزن مغناطیس)
نیروی محرکه اتومبیل های برقی و هیبرید ۸٫۷%
ژنراتورها (به جز توربین های بادی)

دستگاه های کنترل و هدایت میکروویو

۶٫۴%
ژنراتورهای برق بادی

موتورها (صنعتی؛ خودروهای عمومی)

دوچرخه برقی

درایوهای چرخشی- توأم

سیستم های ذخیره انرژی

ترمز مغناطیسی

رله ها و راهگزین ها

سیستم های بازرسی لوله

حمل و نقل شناور مغناطیسی

Preprographics

 

 

۴٫۱%

معیار

جداسازی مغناطیسی

پسماند کلاچ

 

۲٫۸%

سردسازی مغناطیسی

MRI‌

سنسورها

 

۱٫۴%

(منبع: Constantinides 2011)

 

۲٫۳ تحول تکنولوژی در نورپردازی با کارآیی بالا

نورپردازی حدود ۱۸% از مصرف برق در ساختمان های ایالات متحده را به خود اختصاص می دهد – پس از آن گرم کردن فضای خانه ها در مکان دوم قرار دارد (DOE 2009) . تکنولوژی های مدرن فرصت های مناسبی برای کاهش شدید مصرف انرژی در نورپردازی را فراهم کرده اند. بطور کلی ؛ لامپ های رشته ای سنتی که در حال حاضر در ایالات متحده  استفاده گسترده ای دارند (تکنولوژی بکار رفته در این لامپ ها تقریبا مشابه با همان تکنولوژی است که توماس ادیسون در سال ۱۸۷۹ بکار برده است) برق بسیار بیشتری نسبت به سایر جایگزین های نورپردازی قرن بیست و یکم مصرف می کنند؛ این جایگزین ها عبارتند از لامپ های فلوئورسنت، دیودهای ساطع کننده نور (LED[16]) ، دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک (OLED[17]) و لامپ های هالوژن.

ایجاد تغییرات به سمت تکنولوژی های نورپردازی جدید در ایالات متحده و سرتاسر جهان در حال اجرا هستند. در بسیاری از کشورها نصب لامپ های رشته ای متداول محدود یا ممنوع شده است. طی دو دهه اخیر در ایالات متحده؛ قوانین و استانداردهایی برای مصرف انرژی تصویب شده اند از جمله معاهده سیاستگذاری انرژی ۱۹۹۲ و معاهده امنیت و عدم وابستگی انرژی ۲۰۰۷ ([۱۸]EISA) . استانداردهای ذکر شده در این اساسنامه ها ؛ روند عدم استفاده از لامپ های رشته ای متداول را تسریع کرده اند. اولین جایگزین احتمالی؛ لامپ های فلوئورسنت هستند (هم از نوع فشرده و هم خطی). طی سال های اخیر تقاضا برای نورپردازی با فلوئورسنت در ایالات متحده یا سایر نقاط جهان افزایش چشمگیری داشته است. احتمال می رود که طی سال های آینده تقاضا برای لامپ های LED و هالوژن نیز افزایش زیادی داشته باشند؛ احتمالا در برخی موارد از آنها به جای لامپ های فلوئورسنت استفاده خواهد شد. در ساخت حباب های لامپ فلوئورسنت از تربیوم[۱۹]، یوروپیوم[۲۰] یا ایتریوم[۲۱] (بستگی به نوع فسفر دارد) استفاده می شود. کمبود این مواد در سال های آتی بر تولید لامپ های فلوئورسنت تاثیرگذار خواهد بود. میزان خاک های کمیاب استفاده شده در LED بسیار کمتر از لامپ های فلوئورسنت است؛ همچنین در ساخت لامپ های هالوژن و دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک (OLED)  از هیچ نوع خاک کمیاب استفاده نمی شود. اگر بازار مصرف به سمت استفاده از اینگونه لامپ ها تغییر کند؛ تقاضا برای تربیوم، یوروپیوم و ایتریوم در صنعت تولید لامپ به طور چشمگیری کاهش می یابد. همچنین تقاضا برای خاک کمیاب فسفر در میان مدت تا بلند مدت به واسطه بازیافت فسفر کاهش خواهد یافت. موضوع بازیافت را در فصل ۳ توضیح داده ایم.

استانداردهای آتی ایالات متحده؛ توسعه تکنولوژی و تقاضا برای خاک کمیاب فسفر

در ایالات متحده دو نوع استاندارد کارآیی مصرف انرژی در نورپردازی منجر به افزایش تولید و فروش لامپ های فلوئورسنت حاوی خاک کمیاب فسفر می شوند.

اول؛ EISA 2007 که در آن حداکثر وات مورد نیاز برای لامپ های خدمات عمومی را ذکر کرده اند. طبق آنچه در این اساسنامه ذکر شده است؛ این استانداردها بصورت فازبندی از سال ۲۰۱۲ شروع شده و تا سال ۲۰۱۴ ادامه خواهند داشت. لامپ های فلوئورسنت فشرده (CFL[22]) نیز طبق همین استانداردها تولید می شوند اما در تولید لامپ های رشته ای معمولی این استانداردها رعایت نشده است (DOE 2011a). همچنین سازمان DOE  نیز تحت EISA 2007  موظف شده است تا قوانین لازم برای سال ۲۰۲۰ را تعیین کرده و استانداردهای لازم و موثر بر نورپردازی خدماتی با لامپ های رشته ای را مشخص کند تا اصلاحات در آن زمان صورت گیرند.

دوم؛ تحت معاهده حفاظت و سیاست های انرژی ۱۹۷۵؛ سازمان DOE در جولای سال ۲۰۰۹؛ استانداردهایی را برای لامپ های رشته ای دارای بازتابنده و لامپ های فلوئورسنت – از جمله لامپ های فلوئورسنت خطی (LFL[23]) –  منتشر کرد. استانداردهای نهایی در جولای ۲۰۱۲ به اجرا در آمدند (DOE 2011b).  در اغلب موارد؛ شرائط کارآیی انرژی تحت این استانداردها؛ لزوم انجام تغییرات در استفاده از هالوفسفرها[۲۴] را تائید کرده تا به جای آنها از فسفرهای  دارای باند سه تایی[۲۵]  – از جمله خاک های کمیاب – استفاده شود.

دو مدل ارائه شده توسط DOE برای تخمین زدن تاثیرات استانداردهای ایالات متحده بر میزان تقاضا برای لامپ فلوئورسنت خطی و لامپ فلوئورسنت فشرده بکار می روند چون تولید این لامپ ها تقاضا برای پالایش خاک های کمیاب را بالاتر می برد. برای سطح تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده؛ از یک مدل رسمی اطلاعات انرژی استفاده شده است که در پایگاه داده های منازل مسکونی با عنوان چشم انداز انرژی سالانه ۲۰۱۱ معرفی شده است. در این مدل فرض بر اینست که لامپ های فلوئورسنت فشرده می توانند تقاضای گسترده و شرائط اجباری برای نوپردازی مناطق مسکونی با کارآیی انرژی بهتر را پاسخگو باشند. بر اساس این مدل تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده در سال ۲۰۱۴ – یعنی پس از مرحله نهایی فاز اول از استانداردهای EISA 2007- به اوج خواهد رسید. پس از آن دوره؛ تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده تنزل خواهد کرد چون این لامپ های کارآمد که طول عمربیشتری نسبت به لامپ های رشته ای متداول دارند؛ جایگزین می شوند. بر اساس مدل؛ تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده طی ۵ تا ۱۰ سال آینده کاهش شدیدتری خواهد داشت چون برخی از انواع لامپ های رشته از نوع هالوژن را می توان براساس استانداردها طراحی و تولید کرد. پیش بینی تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده در این مدل را در شکل ۲٫۲ نشان داده ایم (کل خاک های کمیاب فسفر برای هر حباب ۱٫۵ گرم است که ۶۰درصد آن را REO تشکیل می دهد).

 

انجام پایان نامه

 

 

شکل ۲٫۲ پیش بینی میزان محموله لامپ های فلوئورسنت فشرده داخلی تحت استانداردهای EISA 2007

 

توجه داشته باشید که شکل ۲٫۲ فقط یک سناریو احتمالی تغییرات تحت این استانداردها را نشان می دهد. این تغییر و تحول ها ممکن است به واسطه معرفی لامپ های کارآمدتر هالوژن که شرائط استاندارد را دارا می باشند؛ کندتر شده و یا اساسا تغییر مسیر دهد. ارزیابی های DOE در سال ۲۰۱۰ از بازار لامپ های فلوئورسنت فشرده نشان می دهد که خط سیر تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده از ۲۰۱۰ تا ۲۰۲۰ بستگی به واکنش های رفتاری مصرف کنندگان به استانداردها و قیمت لامپ های موجود از جمله لامپ های با کیفیت تر رشته ای موجود دارد. تولید کنندگان از قبل لامپ های هالوژن جدید را منطبق با استانداردهای نورپردازی خدمات عمومی ۲۰۱۴- ۲۰۱۲ به بازار عرضه کرده اند که قیمت آنها بالاتر از لامپ های رشته ای متداول و پائین تر از لامپ های فلوئورسنت فشرده می باشد. اما؛ کارآیی لامپ های فلوئورسنت فشرده؛ سه برابر لامپ های هالوژن جدید است و طول عمر بیشتری هم دارند.

علاوه بر تغییر از لامپ رشته ای به فلوئورسنت یا هالوژن ؛ ممکن است تغییرات دیگری هم ایجاد شوند که دررابطه با تکنولوژی های اصلی هستند از جمله تغییر دیودهای ساطع کننده نور (LED) به دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک (OLED) . دامنه و سرعت این تغییرات به عوامل مختلفی بستگی دارد؛ از جمله دسترسی، قیمت و عملکرد هر یک از انواع تکنولوژی نسبت به سایر گزینه ها در نورپردازی و قابلیت دوشاخه ها یا سرپیچ های لامپ برای قرار گرفتن در لوازم نورپردازی. لامپ های LED مناسب برای منازل از قبل در بازار مصرف موجود می باشند اما قیمت آنها نسبت به لامپ های فلوئورسنت فشرده یا رشته ای بسیار بالا می باشد (اما طول عمر و کارآیی LED باعث می شود که آنها را کارآمد بنامند). اگر قیمت هر واحد از این لامپ ها کاهش یابد؛ مزیت رقابتی آنها نیز افزایش می یابد.

در تولید لامپ های هالوژن،  دیودهای ساطع کننده نور (LED) و دیودهای ساطع کننده نور ارگانیک (OLED) از خاک های کمیاب استفاده نمی شود یا میزان آنها در این لامپ ها بسیار کم است  بنابراین احتمال تولید آنها در داخل ایالات متحده بالا می باشد. برای مثال؛ شرکت سیلوانیا[۲۶] کارخانه قبلی در پنسیلوانیا برای تولید لامپ های رشته ای را تغییر داده و از آن برای تولید لامپ های هالوژن استفاده می کند. (Whoriskey 2010). شرکت فیلیپس نیز اخیرا جایزه “L” را از سازمان DOE دریافت کرده است چون این شرکت توانسته بهترین جایگزین برای لامپ های رشته ای ۶۰ وات را بصورت LED عرضه کند. این شرکت اعلام کرده است که تولید داخلی لامپ های برنده جایزه را از ۲۰۱۲ آغاز می کند (مجله LED ؛ ۲۰۱۱).

تصویری که از لامپ های فلوئورسنت خطی در ذهن داریم اندکی پیچیده تر است چون سایزها و سری های مختلفی از لامپ های فلوئورسنت خطی موجود می باشند و در هر یک از آنها یک نوع مختلفی از خاک های کمیاب استفاده شده است. خلاصه ای از انواع لامپ ها در سایزهای مختلف را در جدول ۲٫۳ نشان داده ایم. منظور از اصطلاحات T12‌  یا T8  یا T5  قطر لامپ به میلیمتر است. در این جدول؛ مقدار REO موجود در لامپ هایی دارای حداکثر کارآیی را نیز مشاهده می کنید؛ در این نوع لامپ ها بطور ۱۰۰% از فسفر دارای باند سه تایی استفاده می شود. فسفر را بصورت یک لایه پوششی به داخل سطح حباب لامپ اضافه می کنند بنابراین میزان فسفر استفاده شده را می توانید بطور مستقیم از مساحت لامپ حساب کنید. میزان خاک های کمیاب در لامپ هایی که کارآیی بالا دارند (سری های ۷۰۰) و در آنها از مخلوطی از هالوژن و فسفر دارای باند سه تایی استفاده می شود؛ به حدود ۳۰درصد کاهش یافته است. جزئیان محاسبات را در ضمیمه B  مطالعه کنید.

جدول ۲٫۳ : میزان کل مصرف فسفر در لامپ های فلوئورسنت خطی با کارآیی بالا بر اساس سایز (۸۰۰ و ۸۰۰P)

طول لامپ نوع لامپ قطر (اینچ) مساحت (سانتیمتر مربع) میزان REO مصرف شده
۴ فوت T12

T8

T5

۱٫۵۰۰

۱٫۰۰۰

۰٫۶۲۵

۱,۴۵۹

۹۷۲

۶۰۸

۴٫۳

۲٫۹

۱٫۸

۸ فوت T12

T8

۱٫۵۰۰

۱٫۰۰۰

۲,۹۱۹

۱,۹۴۶

۸٫۷

۵٫۸

 

پیش بینی های تقاضا برای لامپ فلوئورسنت خطی بر اساس مدل تحلیل محموله لامپ بر اساس قوانین انرژی قابل تجدید و کارآیی انرژی از دفتر سازمان DOE برای سال ۲۰۰۹ بر اساس تحلیل های تاثیرات ملی از استانداردهای نورپردازی ایالات متحده انجام شده است. نتایج را در شکل ۲٫۳ مشاهده می کنید.برگزاری کلاسهای آموزشی انجام پایان نامه کارشناسی ارشد

 

 

 

شکل ۲٫۳: پیش بینی های تقاضای محلی برای لامپ های فلوئورسنت خطی بر اساس نوع تحت استانداردهای ذکر شده در معاهده سیاست های به روز شده برای مصرف انرژی

 

بطور کلی؛ انواع T12 بیشترین سهم بازار را در اختیار دارند اما سهم انواع T8  که کارآیی بالاتری دارند از بازار مشابه با سایر انواع است. اما پس از معرفی استانداردهای نورپردازی توسط سازمان DOE در سال ۲۰۱۲؛ انواع T8 سوپر با کارآیی برتر توانستند سهم بیشتری از بازار را به خود اختصاص دهند و این درحالی است که تقاضا برای T12 و انواع T8 بطور کامل فاز بندی شده است. طبق پیش بینی ها تا سال ۲۰۳۰؛ انواع T8 سوپر با کارآیی بالا بیشترین بازار از لامپ های فلوئورسنت خطی را در اختیار خواهند داشت و سهم انواع T5 نیز از بازار افزایش خواهد یافت.

نتایج ترکیب پیش بینی های تقاضا برای خاک کمیاب فسفر جهت تولید لامپ های فلوئورسنت فشرده و لامپ های فلوئورسنت خطی را در شکل ۲٫۴ نشان داده ایم. بر اساس این مدل ها؛ ترکیب تقاضای داخلی برای خاک های کمیاب جهت تولید لامپ های فلوئورسنت فشرده تا قبل از سال ۲۰۱۵ تقریبا دو برابر شده و در سال ۲۰۱۵ به اوج خواهد رسید. در همین چارچوب زمانی میزان تقاضا برای خاک های کمیاب برای تولید داخلی لامپ های فلوئورسنت خطی تقریبا دو برابر خواهد شد. این مسئله وضعیت تامین کوتاه مدت و میان مدت برای تامین خاک های کمیاب سنگین مثل یوروپیوم، تربیوم و ایتریوم را در ایالات متحده بسیار دشوار خواهد کرد. تقاضاهای مختلف در صنعت نورپردازی ایالات متحده باعث شده است که سهم این صنعت در بازار جهانی افزایش یابد بنابراین ایالات متحده بالاترین اوج مصرف و تقاضا را در بازار جهانی فسفر خواهد داشت. از سوی دیگر؛ پیش بینی های زمان اوج تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده در ایالات متحده نشانگر افزایش سریع تقاضا برای لامپ های فلوئورسنت فشرده در جهان است (چون سایر کشورهای جهان نیز قصد دارند برنامه ها و استانداردهای نورپردازی با کاهش مصرف انرژی را اجرا کنند)؛ بدین ترتیب شاهد افزایش سریع تقاضا در بازار خاک های کمیاب فسفر خواهیم بود. تاکنون هرگونه نشانه ای از افزایش تقاضا منجر به افزایش قیمت شده است. امسال سازندگان مختلف لوازم نورپردازی اعلام کرده اند که برای خرید خاک های کمیاب باید مبالغ بالاتری را می پرداختند (شرکت جنرال الکتریک ۲۰۱۱؛ شرکت سیلوانیا ۲۰۱۱). توجه داشته باشید که تقاضا برای هر عنصر بستگی به فرمولاسیون فسفر بکار گرفته شده در لامپ ها دارد که این فرمولاسیون برای تولید کنندگان مختلف متفاوت است. مبحث فسفر های عنصر به عنصر را در فصل ۴ مطرح کرده ایم.

 

 

 

شکل ۲٫۴ پیش بینی استفاده از اکسید خاک های کمیاب در محموله های داخلی لامپ های فلوئورسنت فشرده و لامپ های فلوئورسنت خطی

 

لامپ های LED به نوعی طراحی شده اند که مستقیما می توان از آنها در سرپیچ های لوازم نورپردازی موجود استفاده کرد اما لامپ های فلوئورسنت خطی و لوازم طراحی شده برای آنها مخصوص و پیچیده هستند و ابعاد حباب در آنها متفاوت است بنابراین  مشخصه های  نوپردازی و طراحی خاص خود را دارند. به نظر می رسد که انواع LED در بازار ساخت و ساز تجاری فعلی پرطرفدار باشند علی الخصوص اینکه به راحتی می توان آنها را در سرپیچ های فعلی قرار داد اما برای استفاده از آنها در لوازم نورپردازی لامپ فلوئورسنت خطی باید از تکنولوژی کمک گرفت. ساختمان های جدید را باید با استفاده از مشخصه های منحصر به فرد لوازم نورپردازی LED طراحی کرد.

علیرغم همه موانعی که در مسیر تغییر از لامپ های فلوئورسنت خطی به انواع LED وجود دارد؛ اما حتی اندک تغییری در این رابطه می تواند تاثیر چشمگیری بر تقاضای خاک های کمیاب داشته باشد. این احتمال را در سناریو تکنولوژی های نوظهور با مدل تحلیل محموله های لامپ برای استانداردهای نورپردازی ایالات متحده ۲۰۰۹ نشان داده ایم. این مدل را می توان با یا بدون شتاب دادن به پذیرش یا اجرای تکنولوژی های نوظهور که نیاز کمتری به خاک کمیاب فسفر دارند (از جمله انواع LED) اجرا کرد. طبق سناریو تکنولوژی های نوظهور؛ می توان مقداری از تقاضا برای لامپ فلوئورسنت خطی را با پیشنهاد LED تامین کرد و در این صورت میزان تقاضا برای خاک کمیاب فسفر کاهش می یابد. مقایسه تقاضای داخلی برای خاک های کمیاب جهت تولید لامپ فلوئورسنت خطی فسفری را بصورت دو سناریو در شکل ۲٫۵ نشان داده ایم. میزان تقاضا در این دو سناریو در کوتاه مدت تقریبا مشابه است اما در سال ۲۰۲۵ تقاضا برای خاک های نادر تحت سناریوهای تکنولوژی نوظهور حدودا ۱۳٫۵% کمتر از پیش بینی های اصلی است. این تفاوت؛ تاثیر تغییرات تکنولوژی بر سطح تقاضای مواد در طی زمان را تائید می کند.

 

 

 

شکل ۲٫۵: مقایسه تقاضای اکسید خاک های کمیاب داخلی برای فسفرهای تولید لامپ فلوئورسنت خطی تحت فرضیه های مختلف برای نفوذ بازارهای تکنولوژی نوظهور

 

زنجیره تامین مواد و مفاهیم

شکل ۲٫۶ یک زنجیره تامین فسفر برای تولید لامپ های فلوئورسنت فشرده و لامپ های فلوئورسنت خطی را نشان می دهد. اخیرا چین حدود ۸۰%  از زنجیره تامین جهانی فسفر مناسب برای تجهیزات نورپردازی را به خود اختصاص داده است تا بتواند تولید کنندگان را تغذیه کند اما اکثر لوازم تولید شده را برای فروش به سایر نقاط جهان صادر کرده است. محل اجرای پروسه های تولید لامپ (که عبارتند از تولید حباب های شیشه ای، روکش کاری سطح داخلی حباب با فسفر و مونتاژ کردن اجزاء مختلف لامپ) بستگی به هزینه های حمل و نقل و هزینه های کارگری برای تولید انواع مختلف لامپ دارد و همچنین باید مشوق های دولت محلی را برای تولید کنندگان لامپ در نظر گرفت.

شکل ۲٫۶ : زنجیره تامین فسفر

 

مونتاژ لامپ های فلوئورسنت خطی در                             پودرها در چین تولید می شوند                                       بیش از ۹۰% از روندهای

نزدیکی بازارهای فروش آمریکا و اروپا                          اما اکثر تولید کنندگان لوازم                                            استخراج و فرآوری در چین

انجام می شود.                                                                نورپردازی در اروپا و ایالات متحده                                 انجام می شود

مونتاژ لامپ های فلوئورسنت فشرده در                        هستند

چین انجام می شود.

 

 

لامپ های فلوئورسنت خطی (LFL) یا

لامپ های فلوئورسنت فشرده (CFL)‌

مجموعه لامپ های حاول جیوه که دارای بازیافت راحت هستند

در حال حاضر؛ تولید لامپ های فلوئورسنت فشرده بطور انحصاری در چین انجام شده و سپس برای تولید کنندگان لوازم نورپردازی در سرتاسر جهان صادر می شوند. لامپ های فلوئورسنت خطی معمولا در کارخانه هایی در آمریکای شمالی و اروپا مونتاژ می شوند که به نقطه فروش نزدیک تر هستند. این تنظیمات به این دلیل انجام شده اند چون حمل مواد خام ارزان تر از حمل محصول نهایی است؛ لامپ های فلوئورسنت خطی بصورت لوله های شیشه ای و شکننده هستند که داخل آنها هوا قرار دارد. بدین ترتیب وضعیت تامین دشوار مواد اولیه از یک سو؛ و افزایش تقاضا از سوی دیگر باعث شده است که تولید کنندگان داخلی لامپ های فلوئورسنت خطی با مشکلات زیادی در راستای تهیه و خرید خاک کمیاب فسفر مواجه شوند.

شایان ذکر است که بدون در نظر گرفتن محل تولید و مونتاژ؛ اغلب تولید کنندگان مهم لوازم نورپردازی در ایالات متحده حقوق امتیاز ویژه و فرمول های خاص برای فسفر بکار رفته در لامپ های فلوئورسنت دارند؛ آنها مبالغ هنگفتی را بر تحقیق و توسعه تولید لوازم نورپردازی صرف می کنند. بدین ترتیب علیرغم این واقعیت که شرکت های چینی نقش مهمی در پروسه های تولید دارند؛ شرکت های ایالات متحده کنترل بیشتری بر زنجیره تامین دارند.

در حال حاضر فسفرها و اجزاء دیگر پالایش شده خاک های کمیاب از لامپ های فلوئورسنت بازیافت نمی شوند اما دشواری های تهیه تربیوم، یوروپیوم و ایتریوم زمینه ساز اجرای روندهای بازیافت شده است. برای مثال؛ شرکت رودیا[۲۷] اعلام کرده است که قصد دارد روندهای بازیافت فسفر را با استفاده از فرآیندهای پیرومتالورژی[۲۸] و هیدرومتالورژی[۲۹] انجام دهد (Walter 2011).

۲٫۴ سایر تکنولوژی های تحلیل شده

در بخش های بعدی؛ استفاده از عناصر کلیدی در سه تکنولوژی دیگر را بررسی می کنیم که به نظر می رسد تاثیرات زیادی در کوتاه مدت و بلند مدت دارند- آنها عبارتند از سلول های فوتوولتائیک[۳۰] ، باتری اتومبیل ها و دوچرخه های برقی. مواد اولیه مهمی که در این تکنولوژی ها بطور گسترده استفاده می شوند و پیش بینی می شود که در آینده در زنجیره تامین جهانی قرار گیرند را در فصل ۴ معرفی می کنیم.

سلول های فوتوولتائیک

آنها عبارتند از : سلول های فوتوولتائیک (PV) بصورت فیلم های نازک هستند که از موادی همچون گالیوم[۳۱]، ایندیوم[۳۲] و تلوریوم[۳۳] در ساخت آنها استفاده می شود. در حال حاضر سلول های بلورین با پایه سیلیکونی ؛ پایه و اساس تکنولوژی سلول های فوتوولتائیک (PV) را تشکیل می دهند؛ و در سال ۲۰۱۱ حدود ۹۰% از بازار جهانی سلول های فوتوولتائیک (PV) بر اساس همین تکنولوژی شکل گرفته است (NREL 2011) . اما سهم فیلم های نازک از بازار به این دلیل افزایش یافته است که آنها چندین مزیت نسبت به فیلم های ضخیم کریستالی با پایه سیلیکون دارند. فیلم های نازک مواد کمتری نیاز دارند؛ تولید آنها بصورت رول یا ورقه امکانپذیر است؛ آنها را می توان بر روی لایه های منعطف هم کار گذاشت. دو تکنولوژی برای ساخت فیلم های نازک که در استراتژی های فعلی مد نظر ما می باشند عبارتند از کادمیوم تلوراید[۳۴] (CdTe)  و مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید[۳۵] (CIGS). از سال ۲۰۱۱؛ کادمیوم تلوراید (CdTe) عملا برای تامین مواد اولیه لازم برای ۱۰% از بازار سلول های فوتوولتائیک خورشیدی بکار گرفته شده است و این درحالی است که سهم مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)  فقط ۱%  از سهم بازار را بخود اختصاص داده است. اخیرا تکنولوژی های وابسته به کادمیوم تلوراید (CdTe) از جمله تکنولوژی های جاافتاده محسوب می شوند اما مشاهده می کنیم که تکنولوژی های وابسته به مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)   دارای بازدهی و انعطاف بیشتری در سطوح مختلف می باشند. یک تحقیق نوآورانه آلمانی نشان داده است که سلول های خورشیدی فیلم نازک مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)  دارای بازده ۲۰٫۳ درصدی هستند (Stuart 2010).

افزایش کارآیی مواد در فیلم های نازک با کمک کاهش ضخامت فیلم ها باعث شده است که هزینه های فرآیند تولید کاهش یافته و بازده سلول ها برای تولید برق افزایش یابد. از سوی دیگر؛ ممکن است در استفاده های آینده از مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)   بتوان وزن کمتری از ایندیوم را بکار برد (این ماده از همه گرانتر است و آن را یکی از مواد اصلی سلول های فوتوولتائیک می دانند) اما در صورت این کاهش باید مقدار گالیوم مصرفی را بالا برد. مصرف و میزان بکار گرفته شده در ساخت سلول های فوتوولتائیک تغییر کرده و بر اساس پیشرفت های اخیر در کارآیی مواد و مصارف خوش بینانه برای پیشرفت های آتی تنظیم شده اند.

طی سال های گذشته طراحی های متفاوت از سلول های فوتوولتائیک و تداوم بهبود پروسه های تولید با سرعت در حال انجام بودند و منجر به کاهش هزینه های تولید و ساخت سیستم های سلول های فوتوولتائیک با پایه سیلیکون شده اند؛ در حال حاضر آنها رقیب خوبی برای فیلم های نازک کادمیوم تلوراید (CdTe)  و  مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)   به شمار می روند. قیمت های نقطه ای سیلیکون از ۷۵ دلار در هر کیلوگرم در اوایل سال ۲۰۱۱ به ۴۵ دلار برای هر کیلوگرم در اواسط اکتبر ۲۰۱۱ تنزل داشته اند؛ پیش بینی می شود که این مبلغ تا سال ۲۰۱۲ کاهش بیشتری داشته باشد (Stuart 2011). بخشی از افت قیمت مربوط به کاهش تقاضای جهانی برای نصب سلول های فوتوولتائیک بوده است بنابراین ممکن است با افزایش تقاضا در آینده؛ قیمت ها نیز افزایش یابند. هنوز نمی توان تاثیر سیستم های ارزانقیمت تر سیلیوکون بر موفقیت های بلند مدت مس-ایندیوم گالیوم دایس لنید(CIGS)  و کادمیوم تلوراید (CdTe) را پیش بینی کرد. برای بررسی این عدم قطعیت؛ باید پیش بینی های کافی در زمینه تقاضا برای فیلم های نازک فوتوولتائیک انجام دهیم؛ این پیش بینی ها را در فصل ۴ ارائه کرده ایم که بر اساس واریانس گسترده در طول زمان و برحسب سهم فیلم های نازک از بازار کلی فوتوولتائیک تنظیم شده اند.

باتری اتومبیل

باتری ها از اجزاء کلیدی در اتومبیل ها هستند؛ اتومبیل های برقی هیبرید (HEV) ؛ اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده (PHEV) و اتومبیل های تمام برقی (AEV) همگی به باتری نیاز دارند تا انرژی کافی برای حرکت اتومبیل را فراهم کند. اخیرا در اتومبیل های برقی هیبرید از باتری های هیدرید فلزی نیکل[۳۶] (NiMH) استفاده می شود اما بر اساس قوانین و مقررات ؛ در اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده و اتومبیل های تمام برقی باید از باتری های یون لیتیوم[۳۷] (Li-ion) استفاده شود تا ظرفیت بیشتری برای ذخیره داشته و قدرت بالاتری را تامین کند (شورای تحقیقات ملی ۲۰۱۰). تقاضا برای لیتیوم، کبالت، نیکل و سایر مواد بکار رفته در باتری یون لیتیوم با پیشرفت ها و گسترش وسیع اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده و اتومبیل های تمام برقی افزایش خواهند یافت. انتظار می رود که ارزانتر شدن تکنولوژی در آینده؛ تولید کنندگان اتومبیل های برقی هیبرید هم به استفاده از باتری های یون لیتیوم روی آورند. برای مثال؛ شرکت هیوندا از باتری های پلیمر لیتیوم در مدل هیوندا سوناتا هیبرید خود استفاده کرده است.

در مواد لازم برای باتری های هیدرید فلزی نیکل از یک ماده کاتدی با عنوان AB₅ استفاده می شود. در این اصطلاح؛ “A” یعنی خاک های کمیاب عمومی شامل لنتانوم، سریوم، نئودیمیوم و پراسئودیمیوم؛ همچنین “B”‌ به معنای ترکیب نیکل، کبالت، منگنز و یا آلومینیوم است (Kopera 2004). نسل فعلی باتری اتومبیل های هیبرید دارای چندین کیلوگرم از فلزات پالایش شده از خاک های کمیاب هستند.

در باتری های یون لیتیوم از خاک های کمیاب استفاده نمی شود؛ اما از مواد مهم و کلیدی دیگری مثل کوبالت، نیکل یا منگنز به همراه لیتیوم استفاده می کنند. باترین های یون لیتیوم که گفته می شود برای کاربری هایی همچون تامین نیروی محرکه برای اتومبیل های برقی مناسب هستند؛ از گرافیت به عنوان آند و از یک نوع نمک لیتیوم به عنوان کاتد و محلول الکترولیت استفاده می کنند. مواد اصلی که در هر یک از انواع باتری استفاده می شود بر اساس نوع طراحی سازنده متفاوت هستند. محققان لابراتوار ملی آرگون[۳۸] تخمین زده اند که یک باتری با ظرفیت ۱۰۰ مایل برای اتومبیل های تمام برقی باید دارای ۳٫۴ تا ۱۲٫۷ کیلوگرم لیتیوم باشد؛ این میزان بستگی به فرمولاسیون باتری و ظرفیت ذخیره نیرو دارد (Gaines & Nelson 2010). محاسبات مربوط به مواد با جزئیات کامل را در ضمیمه B  مشاهده کنید.

خودروهای برقی دو چرخ

دوچرخه های برقی و سایر خودروهای برقی دوچرخ از موتورهای مغناطیس دائمی (PM) و باتری استفاده می کنند؛ آنها در این موارد مشابه با اتومبیل های برقی هیبرید و اتومبیل های برقی هیبرید شارژ شونده هستند. اگرچه آنها را به عنوان یک تکنولوژی انرژی پاک شناسایی نمی کنند اما این خودروها بخشی از تصویر حمل و نقل در کشورهای در حال توسعه همچون چین می باشند. سایز موتور، سایز باتری و مواد تشکیل دهنده هر دوچرخه نسبت به اتومبیل های برقی اتوماتیک بسیار ناچیز است اما دوچرخه های برقی در تعداد انبوه به فروش می رسند. سایز موتور یک دوچرخه برقی معمولی کمتر از ۱ کیلووات است؛ این میزان را با موتور ۵۵ کیلوواتی یک تویوتا پریوس مقایسه کنید. آژانس بین المللی انرژی (IEA)؛ تولید تعداد ۲۲ میلیون خودرو دو چرخ در جهان را برای سال ۲۰۱۰ در جهان پیش بینی کرده است؛ طبق تخمین ها این تعداد در سال ۲۰۱۵ به ۷۶ میلیون و تا سال ۲۰۲۰ به ۱۰۱ میلیون خواهد رسید (IEA 2010a). اعداد پیش بینی شده توسط آژانس بین المللی انرژی شامل خودروهای دوچرخ بزرگتر هستند که عمدتا جایگزین اسکوترها و موتورسیکلت ها خواهند شد اما این تعداد بخش کوچکی از بازار را پوشش می دهند. اگرچه طراحی های پیشرفته عمدتا از باتری های یون لیتیم استفاده می کنند اما در بسیاری از دوچرخه های برقی از باتری های اسید سرب هم استفاده می شود. تقاضا برای موتور دوچرخه های برقی با مغناطیس نئودیمیوم – آهن – برم در پیش بینی های مربوط به نئودیمیوم و دیسپروزیوم قرار می گیرند (دوچرخه های برقی را نمی توان در پیش بینی های تقاضا برای انرژی پاک از استراتژی های مواد حیاتی در سال ۲۰۱۰ طبقه بندی کرد).

۲٫۵ تکنولوژی های نوظهور و قابل توجه

بسیاری از تکنولوژی های انرژی پاک دیگر نیز بر سطح تقاضا برای مواد حیاتی در دراز مدت تاثیرگذار هستند. این تکنولوژی ها را ذیلا توضیح می دهیم اما جزئیات بیشتر را در تحلیل های آتی در بخش های بعدی همین گزارش مشاهده خواهید کرد.

باتری های ذخیره کننده شبکه ای

این باتری ها نقش بسیار مهمی در تولید انرژی پاک و توزیع نیرو دارند؛ آنها نیروی زیادی را برای استفاده در آینده در خود ذخیره می کنند. ظرفیت ذخیره شبکه ای برای تولید برق از نیروی آب یا باد بسیار مهم است علی الخصوص زمانی که ظرفیت تولید به واسطه عدم دسترسی به منابع نوسان دارد. در این کاربری ها می توان از این تکنولوژی باتری استفاده کرد چون سایز آنها برای افزایش ظرفیت از انواع باتری های یون لیتیوم و یا هیدرید فلزی نیکل بیشتر است. دفتر انرژی قابل اطمینان و تولید برق در سازمان DOE سرمایه گذاری های وسیعی بر تکنولوژی هایی همچون ذخیره شبکه ای با استفاده از باتری داشته است که در این راستا از تکنولوژی های یون لیتیم، سدیم- سولفور، کربن – سرب و آهن کرومیوم استفاده کرده است.

باتری های اکسایش-کاهشی وانادیوم که با جریان الکترولیت وانادیوم در یک محفظه باتری کار می کنند؛ به عنوان یک تکنولوژی جدید و کارآمد در زمینه ذخیره شبکه ای شناخته شده اند. اگرچه دامنه حرارت این باتری ها  محدود است اما کارآیی بالا، تخلیه خود به خود پائین داشته و اگر میزان وانادیوم در تانکر ذخیره خارجی آنها افزایش یابد؛ می توانند ظرفیت ذخیره سازی خوبی داشته باشند (مجله Science Daily  ؛ ۲۰۱۱).

سلول های سوخت

سلول های سوخت از تکنولوژی های انرژی پاک برای تامین نیروی محرک ، برق کمکی و توزیع برق به شمار می روند. خاک های کمیاب تصفیه شده در برخی از سلول های سوخت مختلف بکار گرفته می شوند. بطور کلی؛ در الکترولیت سلول های سوخت اکسید جامد (SOFC[39])‌ برای توزیع برق معمولا از ایتریوم استفاده می شود اما ممکن است از لنتانوم، سریوم نیکل و کبالت هم در سایر اجزاء استفاده کنند. لابراتوآر ملی تکنولوژی انرژی (NETL[40]) تخمین زده است که بطور معمول در طراحی های سلول های سوخت اکسید جامد (SOFC) باید از ۲۱ گرم ایتریا (اکسید ایتریوم) برای هر کیلووات از ظرفیت سلول سوخت استفاده کرد؛ این میزان کمتر از ۰٫۵% از تولید ایتریوم فعلی در ۴ گیگابایت در هر سال است (J.Thijssen , LLC 2011). استفاده از سایر سیستم های توزیع ساکن در سلول سوخت مثل کربنات گداخته و اسید فسفوریک نیز رایج می باشد اما آنها برای طراحی خود به خاک های کمیاب تصفیه شده نیاز ندارند. معمولا اتومبیل های دارای سلول سوختی از سلول های سوختی با غشاء الکترولیت پلیمر استفاده می کنند که برای تولید به مواد غیر خاک کمیاب مثل پلاتین نیازمند می باشند.

انرژی هسته ای

در تکنولوژی های انرژی هسته ای از برخی مواد مهم بررسی شده استفاده می کنند. گادولینیوم که یکی دیگر از خاک های کمیاب است؛ در بسته های سوخت هسته ای بکار می رود. در میله های کنترل رآکتور از کبالت، ایندیوم و چندین خاک کمیاب سنگین دیگر استفاده می شود. اما سهم صنایع هسته ای از کل مصارف خاک های نادر اخیرا کاهش یافته است و طبق تخمین ها رشد چشمگیری در کوتاه تا میان مدت نخواهد داشت؛ علت امر اینست که امروزه تقاضای کشورها برای استفاده از انرژی هسته ای کاهش یافته است. برای مثال؛ آلمان اعلام کرده است که به تدریج انرژی هسته ای را متوقف خواهد کرد. همچنین ژاپن اخیرا طرح های بسیاری برای استفاده از انرژی هسته ای را به دلیل فاجعه فوکوشیما لغو کرده است. اما هنوز بسیاری از کشورها – از جمله و علی الخصوص چین – طرح هایی را برای افزایش استفاده از انرژی هسته ای در دست بررسی دارند. ایالات متحده به شدت نسبت به استفاده از انرژی هسته ای  متعهد می باشد و اخیرا حدود ۲۰%‌ از برق داخلی را از همین شیوه تولید کرده است (Elliot 2011).

تبرید مغناطیسی

در تکنولوژی تبرید مغناطیسی؛ شاهد افزایش کارآیی انرژی در پروسه های تبرید با استفاده از مغناطیس دائمی خاک های کمیاب هستیم. برخی متخصصان بر این باورند که اگر این تکنولوژی تجاری سازی شود می تواند سهم عمده ای از بازار تبرید را در میان مدت بدست آورد. اما تبرید مغناطیسی در بین مواد انرژی پاک معرفی نمی شود (فصل ۴ را بخوانید) از سوی دیگر؛ عدم قطعیت هایی نیز در خصوص خط زمان تجاری سازی ؛ میزان تقاضای مواد در محصولات تجاری وجود دارد.

مبدل های کاتالیزوری

مبدل های کاتالیزوری در اتومبیل ها از سریوم استفاده می کنند تا اکسیداسیون کربن مونواکسید (CO) را تسهیل کرده و تولید گاز کربن مونواکسید (CO) در اتومبیل ها به شدت کاهش یابد. اگرچه میزان سریوم مورد نیاز در هر اتومبیل بسیار اندک است اما مبدل های کاتالیزوری در همه اتومبیل های سواری استفاده می شوند و به همین دلیل مصرف این خاک نادر در سال ۲۰۰۸ در ایالات متحده حدود ۹%  از کل میزان مصرف خاک های نادر را تشکیل داده است. میزان تقاضا برای سریوم همچنان افزایش خواهد خواهد چون بکارگیری این ماده در همه اتومبیل ها لازم شده است. طبق پیش بینی های IEA ؛ افزایش سهام خودروها در میان مدت تسطیح می گردد؛ اما میانگین کاهش هر چه بیشتر نرخ سهام که بیشتر از ۵% در سال های ۲۰۱۰- ۲۰۰۰ می باشد در سال ۲۰۲۵ به کمتر از ۲%  در سال خواهد رسید (IEA 2010a) حتی در این وضعیت هم تقاضا برای خودروهای جایگزین به قوت خود باقی می ماند. خوشبختانه سریوم از فراوان ترین خاک های کمیاب است و تاکنون تامین این ماده چه در کوتاه و چه در میان مدت بطور چشمگیری افزایش یافته و تامین شده است (فصل ۴ ).

توربین های گازی

در توربین های گازی برای تولید برق ساکن از ایتریوم برای پوشش ضد گرمایی تیغه های توربین استفاده می شود. از ایتریوم به مقدار کمتر برای پوشش اتصالات، پوشش قطعات در برابر حرارت بالا، زیرلایه ها و ساختارهای پشتیان هم استفاده می شود. این پوشش ها در ابتدای تولید توربین ها استفاده شده و پس از آن بطور میانگین هر ۳۰ سال کارکرد توربین هم تجدید می شوند. لابراتوار ملی تکنولوژی انرژی (NETL) تحقیقاتی را برای تخمین ایتریوم مورد نیاز برای ۴,۲۹۱‌توربین فعلی و ۴۵۰ توربین جدید احتمالی در ایالات متحده انجام داده است؛ طبق پیش بینی های اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده ؛ این تعداد برای تامین انرژی و ظرفیت جدید تولید لازم می باشند. در این تحقیقات توربین های فعلی حدودا به ۱۵۰ تن ایتریوم برای نصب اولیه و سپس ۳۳۵۰ تن برای تجدید عایق کاری قطعات نیازمند می باشند. برای ساخت توربین های جدید به ۱٫۷ – ۱٫۳ تن برای نصب و ۴۰ – ۳۰ تن برای تجدید عایق کاری ها نیاز می باشد؛ این میزان بستگی به سایز توربین هایی دارد که برای تامین برق مورد نیاز نصب خواهند شد. با توجه به میانگین عمر ۳۰ ساله می توان تخمین زد که به حدود ۱۱۸ تن ( یا ۱۰۷ تن) در سال نیاز داریم که این مقدار برابر است با ۱%  از تولید جهانی در سال ۲۰۱۰٫ بر اساس این تحلیل؛ سطح تقاضا در ایالات متحده برای ایتریوم برای توربین های گازی چندان چشمگیر نبوده و تاثیر به سزایی بر سطح تقاضای جهانی ندارد. اما افزایش ظرفیت تولید برق جهانی می تواند طی سال های آینده تاثیرات چشمگیری بر سطح تقاضا داشته باشد.

سبک شدن وزن اتومبیل ها

با کاهش وزن خودروها؛ در مصرف سوخت صرفه جویی قابل ملاحظه ای به عمل می آید. برای یک اتومبیل معمولی؛ کاهش وزن تا ۲۲٫۵ کیلوگرم برابر است با ۱% صرفه اقتصادی مصرف سوخت (Pollock 2010). تولید کنندگان در تلاشند تا هر چه بیشتر از مواد سبکتر مثل منیزیم، آلومینیوم یا پلاستیک به جای فولاد در تولید قطعات و اجزاء اتومبیل استفاده کنند؛ اما آنها هرگز ایمنی اتومبیل را فدای کاهش وزن آن نمی کنند. با این روند؛ تقاضا برای منیزیم که سبکترین فلز مهندسی می باشد افزایش خواهد یافت (Kulekci 2008). این ماده قبلا توسط تولید کنندگان متعددی برای کاربری های مختلف اتومبیل سازی از جمله بدنه موتور، سیلندرها، سیستم فرمان، قاب فرمان، کلاچ ها و جعبه دنده استفاده شده است. اما باید تحقیقات بیشتری در زمینه استفاده از منیزیم در اتومبیل صورت گیرد علی الخصوص در زمینه دمای ذوب پائین و واکنش دهی بسیار بالای آن با آب و هوا (Kulekci 2008).

د رجدول ۲٫۴ استفاده از برخی مواد اصلی و برخی مواد جدید و مهم در تکنولوژی های نوظهور را که قبلا توضیح داده ایم؛ مشاهده می کنید. این مواد حیاتی که احتمالا استفاده های جدیدی خواهند داشت را با عنوان “موادی برای بررسی” می شناسیم که در فصل ۴ بطور کامل توضیح داده ایم.

جدول ۲٫۴: تکنولوژی های و موادی برای بررسی

مواد برق هسته ای ذخیره شبکه ای کاهش وزن اتومبیل تبرید مغناطیسی توربین گازی سلول های سوختی مبدل های کاتالیزوری
                        مواد مهم ایندیوم
دیسپروزیوم
پرسودیمیوم
نئودیمیوم
لنتانوم
کبالت
سریوم
ایتریوم
مواد برای بررسی منیزیم
وانادیوم
گادولینیوم

 

 

 

 

فصل ۳: مشخصه ها و پویایی بازار

در این فصل از کتاب؛ پویایی تاثیرگذار بر بازار عناصر کلیدی را بررسی می کنیم. سطح تقاضای جهانی و تغییرات تامین مواد بر سطح پویایی این بازارها تاثیر می گذارند؛ این عوامل هم باعث ایجاد چالش و هم فرصت های مناسب برای ذینفعان مختلف هستند. برخی موسسات نیروهای کاری آینده مواد را برای پاسخگویی به تقاضای روز افزون آماده می کنند. تجارت هایی که در مراحل مختلف زنجیره تامین قرار گرفته اند با پیچیدگی های بازار سازگاری می یابند؛ برخی از آنها معیارهای دفاعی را برای حفاظت خود در برابر فراریت قیمت و نادر بودن مواد اتخاذ کرده اند و برخی دیگر واکنش های پیش گستر را برای واکنش به فرصت های بازاری در پیش گرفته اند. بسیاری از دولت ها؛ اهمیت رو به رشد مواد خام در رقابت اقتصادی را می شناسند و نقش مهمی در کاهش خطرات تامین ایفا می کنند.

۳٫۱ محرک های جهانی

تقاضا

تقاضا برای مواد معدنی به واسطه گرایشات جمعیتی، رشد اقتصادی، انتخاب مصرف کنندگان و سیاست های دولت شکل می گیرد. فلزات اصلی و پایه (مثل نیکل، آلومینیوم و فولاد) بخش عمده بازار مواد معدنی جهانی را به خود اختصاص داده اند چه از نظر حجم و چه از نظر ارزش. اما طی دو دهه گذشته؛ تقاضا برای بسیاری از فلزات خاص و فرعی (مثل آن دسته که در این گزارش تحلیل کرده ایم) با سرعت بیشتری نسبت به تقاضا برای فلزات پایه و اصلی  رشد کرده اند(جعبه متن ۳٫۱ را برای مقایسه فلزات اصلی و فرعی مشاهده کنید). یکی از دلایل این حالت ؛ افزایش تقاضا برای محصولات مصرفی مثل گوشی های تلفن موبایل، کامپیوترها، تلویزیون ها با پنل مسطح است. یک علت دیگر؛ افزایش تقاضا برای تکنولوژی های انرژی پاک می باشد از جمله اتومبیل های برقی، سلول های فوتوولتائیک (PV) ، توربین های بادی و نورپردازی با در نظر گرفتن کاهش مصرف برق است. تقاضای جهانی برای محصولات مصرفی و تکنولوژی های انرژی پاک همچنان به رشد خود ادامه می دهد؛ این دو عامل اصلی و محرک مهم برای رقابت بر سر مواد هستند.

گرایشات جمعیتی

بطور کلی؛ با افزایش جمعیت سطح تقاضا برای مواد جهت تامین مواد اولیه برای خانه سازی و حمل و نقل نیز افزایش می یابد. از سال ۱۹۸۰ تا سال ۲۰۱۰ ؛ جمعیت جهان بیش از ۵۰% افزایش یافته است ؛ میانگین رشد سالانه ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۲ حدود ۲%  و در رشد سالانه از ۱۹۹۳ تا ۲۰۱۰ حدود ۱%  بوده است (سازمان ملل متحد ۲۰۱۰). در جهان؛ طبقه متوسط را محرک اصلی سطح تقاضای جهانی می دانند و طبق تخمین ها در سال ۲۰۳۰ تعداد افراد طبقه متوسط سه برابر می شود یعنی به ۲ بیلیون نفر خواهد رسید (سازمان اقتصاد جهانی ۲۰۰۹).

جعبه متن ۳٫۱ : فلزات اصلی در مقایسه با فلزات فرعی

فلزات اصلی یعنی آن دسته که بیشترین مصرف را از نظر حجم و ارزش دارند. فلزات فرعی یعنی آن دسته از فلزات که سهم کوچکی از سایز بازار را به خود اختصاص داده اما ممکن است ارزش هر واحد از این فلز بسیار بالا باشد.

از ۱۹۸۰ تا ۲۰۰۹؛ تقاضای جهانی برای اغلب فلزات کلیدی رشد بالاتری نسبت به تقاضا برای فلزات اصلی همچون فولاد داشته است. مصرف ایندیوم در این دوره تا ۱۰۰۰% افزایش یافته است (شکل ۳٫۱). تقاضا برای خاک های کمیاب و گالیوم چهار برابر شده است. تقاضا برای لیتیم سه برابر شده است. تقاضا برای فلزات فرعی رشد سریع داشته  و به بالاتر از نرخ رشد تولید ناخالص داخلی جهانی رسیده است. در همین مدت؛ کبالت و نیکل هم نرخ رشد قابل مقایسه با نرخ رشد فولاد داشته اند (داده های تاریخچه تلوریوم و منگنز دی اکسید را در اختیار نداشتیم).

رشد اقتصادی یک محرک تقاضا برای فلزات فرعی است. اما یک فلز فرعی می تواند کاربری های خاص داشته و در نتیجه رشد سریعتری در صنایع مهم بدست آورد که جدا از جریان های اقتصادی آن می باشد (انجمن مالی جهانی ۲۰۱۱). از اواخر دهه ۱۹۹۰ ؛ استفاده فلزات خاص یا فرعی در صنایع تولید تلفن های موبایل و استفاده از لامپ های فسفری (نورپردازی ) در سال های اخیر؛ دو نمونه از همین مسئله می باشند.

 

 

 

 

شکل ۳٫۱: مقایسه تقاضای جهانی برای فلزات منتخب از ۱۹۸۰ تا ۲۰۰۹ (۱۹۸۰=۱۰۰)* (منبع: USGS 2010)

*داده های محصول به نمایندگی از اعداد تقاضای جهانی ارائه شده اند که در دسترس نبودند

رشد اقتصادی

تولید ناخالص داخلی جهانی (GDP[41])‌ برای توازن قدرت خرید (PPP[42]) بین سال های ۱۹۸۰ و ۲۰۱۰ تا ۲۷۱% رشد داشته است و به یک میانگین ۳٫۴% در سال رسیده است (IMF 2011). تولید ناخالص داخلی سرانه برای توازن قدرت خرید از ۱۹۸۰ تا ۲۰۱۰ حدود ۱۷۵% افزایش داشته است و به میانگین سالانه ۱٫۹% رسیده است (IMF 2011) (شکل ۳٫۲ را ببینید). مجموعه ای از اقتصادهای نوظهور که تاکنون شاهد سریعترین رشد اقتصادی بوده اند؛ اخیرا با تقاضای جهانی مواجه شده اند (جدول ۳٫۱ ) علی الخصوص چین و هندوستان (IOL 2011; CME Group 2011; The Hindu 2011).

 

 

 

 

 

شکل ۳٫۲ : تولید ناخالص داخلی جهانی و تولید ناخالص داخلی سرانه برای شرائط توازن قدرت خرید (۲۰۱۰- ۱۹۸۰)

منبع : (IMF 2011

 

 

جدول ۳٫۱: رشد تولید ناخالص داخلی پیش بینی شده و رشد تاریخی واقعی در هر ناحیه (شامل میانگین نرخ رشد سالانه)

۱۹۹۰-۱۹۸۰ ۲۰۰۸-۱۹۹۰ ۲۰۲۰-۲۰۰۸ ۲۰۳۵-۲۰۲۰
OECD ۳٫۰% ۲٫۵% ۱٫۸% ۱٫۹%
ایالات متحده ۳٫۲% ۲٫۸% ۲٫۰% ۲٫۱%
اروپا ۲٫۴% ۲٫۲% ۱٫۵% ۱٫۸%
ژاپن ۳٫۹% ۱٫۲% ۱٫۰% ۱٫۰%
Non-OECD ۳٫۳% ۴٫۷% ۶٫۷% ۳٫۸%
برزیل ۱٫۵% ۳٫۰% ۳٫۶% ۳٫۱%
روسیه اعلام نشده ۰٫۶% ۲٫۹% ۳٫۱%
هندوستان ۵٫۶% ۶٫۴% ۷٫۴% ۵٫۶%
چین ۹٫۰% ۱۰٫۰% ۷٫۹% ۳٫۹%

منبع: IEA 2010 و IMF 2011‌

اقتصادهایی که در این طبقه بندی در نظر داریم عبارتند از برزیل، روسیه ، هندوستان، چین و آفریقای جنونی (که به آنها کشورهای BRICS گفته می شود). یک گروه بزرگتر از کشورها که به آنها بازارهای نوظهور هم گفته می شود شامل مصر، اندونزی، مکزیک، فیلیپین و ترکیه هستند (FTSE Group 2010; MSCI 2011). چین، هندوستان، برزیل و روسیه در بین ۱۰ اقتصاد بزرگ جهان قرار داشته و بر اساس ارزشگذاری های صندوق پول بین الملل میزان توازن قدرت خرید از تولید ناخالص داخلی آنها سنجیده می شود. چین از قبل با تقاضای زیادی در رابطه با فلزات پایه مثل فولاد (شکل ۳٫۳) و تقاضا برای فلزات ویژه مواجه شده است.

 

 

شکل ۳٫۳ : مصرف پایانی فولاد در کشورها (منبع: USGS 2011)

رشد تولید ناخالص داخلی و تقاضا برای فلزات در کشورهای BRICS به واسطه رشد فوق العاده بخش های تولیدی در داخل این کشورها بوده است. چین رهبر این گروه در رشد بخش تولیدی است اما کشورهای BRICS بطور کلی ظرفیت تولیدی توسعه یافته ای دارند. این سرمایه گذاری ها بر ظرفیت تولید و زیرساخت های پشتیبان عامل محرک اصلی در هزینه های اقتصادی تولید و اساس مصرف زیاد در این کشورها شده است (Spencer & Schellenberg 2010).

گزینه های مصرف کنندگان

زمانی که درآمد سرانه افزایش یابد؛ مصرف کنندگان نیز به دنبال لیست گسترده تری از محصولات و محصولات خواهند بود از جمله محصولات تصویری با صفحه تخت، تلفن های هوشمند و اتومبیل. طبق گزارشات تقاضا برای تلویزیون های صحفه تخت، کامپیوتر، لوازم الکترونیکی پرتابل و اتومبیل در اقتصادهای نوظهور رشد چشمگیری داشته است (Clappin 2011). چین، هندوستان، روسیه و برزیل از نظر داشتن مشترکان تلفن همراه در بین ۵ کشور پرمصرف جهان هستند؛ کشورهای BRICS نیز در بین ۲۰ کشور جهان با مالکیت بالای کامپیوتر قرار دارند (کتاب حقایق جهان ۲۰۱۱). تقاضا برای اتومبیل ها با موتور احتراق داخلی به سرعت در اقتصادهای نوظهور افزایش یافته است (VDA 2011). انتظار می رود که تقاضا برای اتومبیل در چین و هندوستان هر ساله با رشد ۷ تا ۸ درصدی مواجه شود که این میزان در ایالات متحده کمتر از ۱درصد و در کشورهای اروپای غربی بین ۱ تا ۲ درصد است (Sperling & Gordon 2009). رکود اقتصادی اخیر منجر به تنزل موقتی تقاضا برای بسیاری از کالاها شده است از جمله محصولاتی که وارد بازار کالاهای مصرفی می شوند. اما تقاضا برای برخی کالاها از اوایل سال ۲۰۰۹ به وضعیت اولیه بازگشته است (Arnott 2009; Zacks Equity Research 2011).

افزایش تقاضا برای محصولات نمایشگرهای پنل تخت یا نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) مثل تلویزیون ها، مانیتورهای کامپیوتر و دستگاه های پخش ویدئویی باعث شده است که از اواخر دهه ۱۹۸۰ تقاضا برای ایندیوم افزایش یابد. مصرف کنندگان نیازمند مینیاتوری شدن لوازم هستند و همین امر باعث افزایش تقاضا در مغناطیس های خاک های کمیاب شده است تا بتوانند موتورهای کوچکتر برای رانشگر دیسک کامپیوتر و گوشی های هوشمند بسازند (شرکت تکنولوژی های مغناطیسی آرنولد ۲۰۱۱). تقاضا برای استفاده از تکنولوژی های انرژی پاک (اتومبیل های برقی، انرژی خورشیدی و نورپردازی با مصرف کم) فقط با استفاده از برخی مواد خاص امکانپذیر است؛ تقاضا برای این مواد در بازارهای نوظهور هم افزایش یافته است.

سیاست های دولت

قوانین و سیاست های دولتی بر میزان تقاضا برای برخی مواد موثر هستند. بازار تکنولوژی های انرژی پاک که در این گزارش بر آنها تمرکز داریم؛ بر اساس سیاست های اتخاذ شده توسط دولت ها در سرتاسر جهان شکل گرفته است. اما تاثیرات سیاست های دولت فراتر از تاکید بر استفاده از انرژی باد، سلول های خورشیدی، نورپردازی کارآمد و اتومبیل های برقی هستند. برای مثال در صنایع اتومبیل سازی تلاش می شود که از مواد سبک تر استفاده شده و تولید گازهای کربن به حداقل برسند تا محصولات آنها با قوانین و مقررات دولتی در زمینه کاهش سوخت و کاهش تولید گازهای کربن منطبق گردند. در نتیجه تقاضا برای منیزیم به شکل آلیاژ بالا رفته است چون این فلز مشخصه مطلوبی برای کاهش وزن اتومبیل ها دارد. همچنین سازندگان اتومبیل  از مبدل های کاتالیزوری حاوی سریوم استفاده می کنند تا سطح گازهای تولید شده در اتومبیل ها را کاهش دهند.

تامین

محرک های جهانی اصلی در تامین مواد خام عبارتند از وقف شدن منابع، اشباع بازار، دسترسی به سرمایه، مداخلات دولت و امور تخصصی. طی دهه اخیر؛ ترکیبی از این عوامل باعث شده است که واکنش های تامین کندتر شده و تقاضا برای برخی مواد کلیدی افزایش یابند. از سوی دیگر؛ قیمت بالای برخی مواد باعث شده است تامین ثانویه (بازیافت) از خود روند تامین اولیه بیشتر مورد توجه قرار گیرد. در جعبه متن ۳٫۲ پروسه و فرصت های بازیافت را توضیح می دهیم.

وقف کردن منابع

مواد معدنی خودبخود در جهان تمام نمی شوند. توسعه تکنولوژی ها و اکتشافات مداوم باعث شده است که نیاز به تامین مواد بیشتر برای آینده احساس شود. اگر روندهای تقاضا-تامین با هم هماهنگ نباشند و یا اگر بطور موقت کمبود یک ماده احساس شود؛ شاهد بالارفتن قیمت ها بصورت پایدار خواهیم بود و یا مشوق های اقتصادی برای استفاده از منابع جدید معرفی می شوند (Hill 2011). بطور کلی هزینه های استخراج منابع نیز بالا رفته اند. برای فلزات ویژه، فرعی و نادر ؛ زنجیره تامین با مشکلات و پیچیدگی های خاص خود مواجه است تا بتواند از آنها برای تولید محصولات اصلی و فرعی استفاده کند.

جعبه متن ۳٫۲: پروسه و فرصت های بازیافت

بازیافت یکی از روش های تقویت کننده تامین و کاهش کمبود حیاتی مواد کلیدی است. نرخ کلی بازیافت در اغلب موادی که در این گزارش بررسی می کنیم کمتر از ۱% است (منگنز و نیکل را در نظر نگرفته ایم) (UNEP 2011). این مسئله فرصت خوبی برای پیشرفت هایی در زمینه بازیافت را نشان می دهد که به آن تامین ثانویه مواد کلیدی گفته می شود. از سایر مزایای بازیافت می توان به کاهش تاثیرات محیطی ناشی از افزایش معدن کاوی و به حداقل رساندن تاثیرات تولید زباله و مواد خطرناک در محل های دفن زباله اشاره کرد. عوامل تاثیرگذار بر دوام بازیافت عبارتند از: دسترسی به مواد، تکنولوژی، زیرساخت ها، لجستیک و اقتصاد.

دسترسی به مواد: برای بازده بیشتر بازیافت؛ مواد باید در مقادیر کافی و در زمان مناسب در دسترس باشند. اخیرا مصرف کنندگان لوازم الکترونیک مقادیر زیادی از اینگونه لوازم را کنار گذاشته اند اما این مقدار دارای مقادیر اندکی از مواد کلیدی می باشد. توربین های بادی دارای صدها کیلوگرم از موادی همچون خاک های کمیاب هستند اما طول عمر آنها ۳۰ – ۲۰ سال است تا بتوان از آنها برای بازیافت استفاده کرد.

تکنولوژی؛ زیرساخت؛ لجستیک: تکنولوژی پردازش پیشرفته و زیرساخت های مناسب برای انجام بازیافت در سطح گسترده از لوازمی که دارای مواد حیاتی هستند؛ لازم است. سرمایه گذاری های تحقیق و توسعه چشمگیر و همچنین مبالغ قابل توجهی از سرمایه گذاری لازم است تا بتوان تکنولوژی های پردازش را بهبود بخشید و زیرساخت های مناسب را فراهم کرد.

اقتصاد: اقتصادی بودن چرخه بازیافت به عوامل بسیاری بستگی دارد از جمله نوسان قیمت مواد، قوانین دولتی و تغییراتی که در تقاضای تکنولوژی بوجود می آید؛ این موارد در بلند مدت بر دوام اقتصادی بازیافت تاثیر دارند. جمع آوری، حمل و نقل، دسته بندی، تعیین مشخصه ها، جداسازی، پالایش و سایر روندهای پردازش را باید برای هزینه های بازیافت در نظر گرفت. در بسیاری از موارد؛ هزینه ها را می توان با ادغام برخی از پروسه ها یا لجستیک بازیافت کاهش داد.

دو طبقه بندی عمده برای بازیافت وجود دارند که باید آنها را نیز در نظر گرفت: کاهش ضایعات تولید از طریق استفاده مجدد از مواد ضایعاتی و بازیافت در انتهای طول عمر لوازم مصرفی و محصولات تجاری.

در زمینه کاهش ضایعات تولید؛ یک فرصت را می توان از تولید مغناطیس در نظر گرفت چون حدود ۳۰% از مواد مغناطیس هنگام پروسه های ماشین کاری از بین می روند. برخی شرکت ها براده ها و تراشه های حاصل از ماشین کاری را بازیافت می کنند و به همین دلیل مقداری از هزینه های تولید را کاهش می دهند.

فسفرها از جالب ترین اهداف بازیافت در انتهای طول عمر محصولات مصرفی و تجاری هستند. اخیرا تا ۳۰% از مواد لامپ های فلوئورسنت بازیافت شده اند تا جیوه موجود در آنها بدست آید. اغلب فسفرهای بدست آمده از لامپ های موجود در محل های دفن زباله جدا شده اند. تکنولوژی پردازش برای پالایش و بدست آوردن فسفر از لوازم نورپردازی کارکرده نیازمند پیشرفت هایی در زمینه های جمع آوری و زیرساخت های بازیافت است که برخی از این پیشرفت ها قبلا حاصل شده اند.

 

اشباع بازار

اشباع و فراوانی مواد در برخی معادن، شرکت ها یا کشورها باعث افزایش خطراتی برای تامین اینگونه مواد می گردد. برخی از فلزات پایه یا اصلی ؛ فلزات ویژه و خاک های کمیاب معمولا در مقادیر کم تولید می شوند بنابراین خطرات آنها در زنجیره تامین بالاتر خواهد بود. اگر فقط یک بازار اشباع شود؛ روی دادن برخی فجایع (طبیعی یا انسانی) و یا اعتصاب کارگری می تواند بر زنجیره تامین کل جهان تاثیر گذاشته و باعث بروز شوک در روند تامین جهانی گردد. کشوری که دارای منابع غنی می باشد اما از نظر سیاسی دارای پایداری نیست هم می تواند عدم قطعیت بزرگی در زنجیره تامین جهانی بوجود آورد.

افزایش اشباع بازار به این معناست که تعداد بیشتری از تولید کنندگان یا گروهی از تولید کنندگان می توانند قدرت بازار را در اختیار گیرند. برای مثال؛ یک تولید کننده بزرگ می تواند درخواست قیمت پائین تری نسبت به دیگر رقبا عرضه کند و سهم بیشتری از بازار را به خود اختصاص دهد. این تاثیر بر مصرف کنندگان مثبت خواهد بود؛ البته برای مدت کوتاهی. این امر باعث کاهش رقابت شده و در نتیجه؛ تولید کنندگان بزرگ یا گروهی از تولیدکنندگان می توانند تعیین قیمت و یا حتی شرائط صادرات را تعیین کنند؛ پس از آن برای کسب عایدات بیشتر اقدام به تعیین قیمت های بالاتر کرده که به ضرر مصرف کننده تمام می شود.

دسترسی به سرمایه

در برخی موارد معدن کاوی یا قابلیت های پردازش بیشتر نیازمند توسعه زیرساخت های مربوطه می باشد (مثل حمل و نقل؛ تامین آب و انرژی) که این امور نیازمند سرمایه گذاری های بیشتر هستند. در این صورت؛ شرائط سرمایه گذاری برای معدن کاوی و پروژه های پردازش تغییر خواهد کرد؛ این موارد بطور کلی نیازمند سرمایه گذاری های وسیع هستند.

هر چه فراریت قیمت در زمینه فلزات فرعی و ویژه بیشتر شده و شفافیت بازار کاهش یابد؛ عرضه این فلزات در معرض خطرات مالی بیشتری قرار خواهد گرفت. افزایش فراریت قیمت در فلزات اصلی یا پایه مربوط به بازارهای کوچکتر است که معمولا بر اساس انعقاد قرارداد کار می کنند (برخلاف تجارت های عظیم که در بازار آزاد انجام می شود)؛ در این بازارها معمولا فراریت قیمت بیشتر بوده و قیمت گذاری از شفافیت کمتری برخوردار است. اینگونه خطرات مالی باعث سخت تر شدن سرمایه گذاری های امن می گردند.

هرچه شرائط سرمایه گذاری برای هر واحد تولیدی سخت تر شود؛ دسترسی به سرمایه کاهش خواهد یافت. طی دوره رکود اقتصادی بین ۲۰۰۱ تا ۲۰۰۸؛ دسترسی به سرمایه گذاری نیز کاهش یافت؛ همین امر باعث تاخیرهای بیشتر در معدن کاوی و هزینه های ظرفیت پردازش گردید. طی رکود اقتصادی ۲۰۰۱ تا ۲۰۰۸؛ کبالت، نیکل، منگنز و خاک های نادر این تاخیرها را تجربه کرده اند (خارج از چین).

مداخلات دولتی

مداخلات دولتی نیز بر تامین تاثیرگذار هستند؛ این تاثیرات به واسطه وضع مالیات ها، سوبسیدها، قیمتگذاری، معیارها و شرائط تجاری، قوانین و پشتیبانی از روندهای تحقیق و توسعه ایجاد می شوند. سیاست های مالیاتی برای استخراج از منابع به گونه ای تنظیم می شوند که از تهی سازی بسیار سریع آنها پیشگیری شود. این روندها به شکل گیری توسعه صنعتی بر اساس اولویت بندی های دولتی کمک می کنند. شرائط و معیارهای تجاری نیز روش دیگری برای دولت هستند که به روند شکل گیری توسعه صنایع کمک می کند.

دولت ها بر روند استخراج از منابع نظارت می کنند تا اطمینان حاصل کنند همه عملیات استخراج بر اساس روندهای قابل قبول و صحیح محیطی ، پایدار و اجتماعی انجام می شوند. در بسیاری از کشورها؛ اغلب مجوزهای معدن کاوی برای وضع قوانین پیشگیری از تولید ضایعات سمی و پراکنده کردن آنها در محیط صادر می شوند. در آینده معدن کاوی و پروژه های پردازش به شیوه دوستدار محیط زیست انجام خواهند شد تا روند صدور مجوزها راحت تر شود؛ در این صورت خطرات اکولوژیکی و محیطی مربوط به این روندها نیز کاهش خواهند یافت.

تخصص

برخی روندها و مراحل پردازش خاک های کمیاب و برخی فلزات ویژه؛ از نظر فنی دارای چالش های خاص هستند و به همین منظور نیازمند تخصص می باشند. بطور کلی؛ تعداد متخصصان معدن کاوی و پردازش فلزات در کشورهای عضو درسازمان توسعه و همکاری های اقتصادی کاهش یافته بود اما اخیرا نیاز به این تخصص و توسعه روندهای مختلف در این زمینه باز هم مورد توجه قرار گرفته است (Gschneidner 2011).

سرمایه گذاری ها در نوآوری های تکنولوژیکی با کمک و پشتیبانی از تحقیق و توسعه؛ منجر به خلق تخصص های جدید می گردد بنابراین زنجیره تامین را به شیوه های ذیل بهبود می بخشد: با کاهش هزینه ها، با افزایش کارآیی و بازده، با بهبود عملکردهای محیطی. برای مثال؛ پروسه های شرکت Simbol Material  برای استخراج لیتیم از آب شور در دریای Salton در دره Imperial‌ در کالیفرنیا (PRNewswire 2011). در اینجا لیتیم را از همان آب پمپ شده برای استخراج انرژی گرمای زمین توسط کارخانه تولید برق بدست می آورند؛ در این پروسه بازده تولید لیتیم ۹۳%  است و تقریبا می توان ادعا کرد که هیچ لیتیم در آب باقی نمی ماند (Wald 2011). مثال دیگر؛ توسعه تکنولوژی های بازیافت و پالایش در شرکت Molycorp در معدن Mountain Pass  می باشد که در آن کمتر از ۳۰ گالن آب در هر دقیقه (gpm) برای هر تن مواد پردازش شده استفاده می شود؛ این میزان آب در گذشته بیش از ۸۵۰ گالن در هر دقیقه بوده است. در بخش ۳٫۳ از این همین فصل از کتاب؛ توضیحات بیشتری در خصوص نیازهای سرمایه انسانی در ایالات متحده را برای کار در زنجیره تامین خاک های نادر ارائه کرده ایم.

قیمت

عوامل زیادی بر قیمت های کالاها و واکنش های مصرف کنندگان به تغییر قیمت (علی الخصوص افزایش قیمت) موثر هستند. تاریخچه گرایشات مختلف قیمت خاک های کمیاب، لیتیم، گالیوم، ایندیوم و تلوریوم نشانگر برخی عوامل موثر بر جنبش های قیمت هستند.

عوامل موثر بر قیمت ها و واکنش ها

قیمت مواد معدنی در کوتاه تا بلند مدت تحت تاثیر عوامل مختلفی همچون تعادل بین عرضه – تقاضا و برخی عوامل مالی خاص هستند.

اصولا زمانی که تقاضا از تامین بیشتر می شود؛ معدن کاوان و پردازشگران به دنبال افزایش ظرفیت هستند (هم در معدن کاوی و هم در پردازش) تا بتوانند با تامین بیشتر سود بیشتری کسب کنند. طی رکود اخیر ؛ کاهش تقاضا موجب افزایش شدید موجودی گردیده است. برای فروش موجودی باید قیمت ها را کاهش داد؛ برای این کار باید افزایش ظرفیت تولید را به تاخیر انداخت.

عوامل مالی معمولا مربوط به دوره های کوتاه تا میان  مدت هستند و بر نرخ تبادل کالا تاثیرگذار هستند. تنزل دلار آمریکا طی سال های گذشته باعث شده است قیمت فلزات بالا رود چون اغلب بازارهای مواد معدنی با دلار آمریکا معامله می کنند. برخی تحلیلگران معتقدند که احتکار نیز می تواند مسبب فراریت قیمت گردد؛ علی الخصوص زمانی که مواد کلیدی با قیمت های بسیار بالا یا قیمت های بسیار پائین را بررسی می کنیم (Hook 2011a; Barry 2011).

افزایش قیمت مواد ممکن است منجر به کاهش تقاضا برای اینگونه مواد در ساخت برخی محصولات خاص گردد. تاثیر افزایش قیمت مواد بر سطح تقاضا؛ بستگی به حساسیت تقاضای تغییر قیمت ها دارد (تقاضا برای انعطاف قیمت). این نوع انعطاف در قیمت ها بستگی به برخی عوامل اصلی دارد از جمله جایگزین کردم مواد، حساسیت ماده مورد نظر در هزینه های تولید، هزینه های تهیه مواد و سطح رقابت در بازار تولید.

در مواجهه با افزایش مداوم قیمت خاک های کمیاب ؛ اخیرا برخی تولید کنندگان نیز محصولات خود را گران کرده اند و این افزایش بر خریداران جریان پائینی تاثیرگذاشته است. برای مثال؛ زمانی که تولید کنندگان لامپ و لوازم نورپردازی با افزایش قیمت فسفر خاک های کمیاب مواجه شدند؛ قیمت های لامپ های فلوئورسنت تولید شده را افزایش دادند (شرکت اسرام سیلوانیا ۲۰۱۱؛ جنرال الکتریک ۲۰۱۱a). در خصوص کراکینگ کاتالیتیک مایع (FCC[43]) ؛ سازندگانی که با افزایش قیمت اکسید خاک های کمیاب مواجه شده بودند؛ به واسطه افزایش هزینه های تولید کاتالیست های FCC اقدام به افزایش قیمت کردند؛ در نهایت پالایش کنندگان نفت با محصولی گرانتر مواجه شدند. برخی از سازندگان کاتالیست مثل شرکت W. R. Grace  بخوبی توانستند هزینه های افزایش یافته تولید کاتالیست را تحمل کنند (W.R. Grace & Co. 2010; Cronin 2011; Metal-Pages 2011). سازندگان کاتالیست با شیوه های استفاده موثر از مواد برای کاهش قیمت بخوبی آشنا هستند (بخش ۲٫۴ را بخوانید).

علاوه بر استفاده موثرتر از مواد بکر؛ قیمت های پایدار و بالای برخی مواد نیز باعث شده اند که توجه به بازیافت بصورت یک منبع ثانویه افزایش یابد (استفاده از براده ها، تراشه ها و مواد بازیافتی) با این کار نیاز کمتری به یافتن یک جایگزین مناسب وجود دارد که در نتیجه از هزینه های تحقیقاتی سنگین بلند مدت پیشگیری می شود. اصولا قیمت های پایدار و بالا باعث کاهش تقاضا می شوند. برخی تولیدکنندگان دست اندرکار روندهای تحقیق و توسعه می باشند تا سیستم های طراحی و بهره برداری خود را بهبود بخشند. برای مثال؛ شرکت جنرال الکتریک از یک استراتژی ۵ نقطه ای برای مدیریت مواد خود استفاده می کند (جنرال الکتریک ۲۰۱۱b). برخی شرکت ها سطح بهره گیری از منابع خود را بر اساس جداول دوره ای تنظیم می کنند تا بتوانند قابلیت های تامین و تولید محصولات خود را بهبود بخشند.

تاریخچه گرایشات قیمت

شکل های ۳٫۴ و ۳٫۵ نشانگر میانگین قیمت فلزات خاک های کمیاب منفرد از آپریل ۲۰۰۱ تا نوامبر ۲۰۱۱ می باشند. تفاوت مشخصی بین خاک های کمیاب سنگین (دیسپروزیوم، تربیوم، یوروپیوم و ایتریوم) و خاک های کمیاب سبک تر (لنتانوم، سریوم، نئودیمیوم، پرازئودیمیوم و ساماریوم) وجود دارد؛ بالاتر بودن قیمت خاک های کمیاب سنگین به این دلیل است که موجودی آنها در کل جهان کم است. بطور کلی؛ افزایش قیمت از سال ۲۰۰۳ تا ۲۰۰۸ بطور ملایم صورت گرفته است اما ناگهان از ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۱ شاهد شیب تند افزایش قیمت بوده ایم. افزایش قیمت طی دوره اولیه به دلیل افزایش تقاضای جهانی بوده است. افزایش قیمت در سال های ۲۰۰۹ تا ۲۰۱۰ جهش تندی داشته است که به واسطه کاهش صادرات چین می باشد؛ اما در هر حال قیمت خاک های کمیاب سنگین تفاوت های چشمگیری نداشته است.

 

 

 

 

 

شکل ۳٫۴: قیمت های خاک های کمیاب سبک در بورس چین از ژانویه ۲۰۰۱ تا دسامبر ۲۰۱۰

منبع : ( Metal-Pages.com ؛ نوامبر ۲۰۱۱)

 

 

 

شکل ۳٫۴: قیمت های خاک های کمیاب سنگین در بورس چین از ژانویه ۲۰۰۱ تا دسامبر ۲۰۱۰

منبع 🙁 Metal-Pages.com ؛ نوامبر ۲۰۱۱)

 

قیمت های خاک های کمیاب عموما در اواسط سال ۲۰۱۱  به بالاترین سطح خود رسیده اند. برخی تحلیلگران معتقدند که احتکار خاک های کمیاب تصفیه شده و فلزات مسبب افزایش قیمت اولیه بوده اند و سپس کاهش آن در سال ۲۰۱۱ به واسطه فروش یکجای موجودی توسط احتکار کنندگان روی داده است (شکل ۳٫۶ و ۳٫۷) (Hook 2011a; Barry 2011).

 

 

 

شکل ۳٫۶: قیمت های ماهانه خاک های کمیاب سبک  در سال ۲۰۱۱ در چین

منبع : ( Metal-Pages.com ؛ ۲۰۱۱)

 

 

 

شکل ۳٫۷: قیمت های ماهانه خاک های کمیاب سنگین  در سال ۲۰۱۱ در چین

منبع : ( Metal-Pages.com ؛ ۲۰۱۱)

 

با مقایسه سطح ۲۰۰۱ با حداکثر افزایش که در سال ۲۰۱۱ مشاهده می شود؛ در می یابیم که قیمت های عناصر خاک های کمیاب حدودا ۴ تا ۴۹ برابر به نرخ دلار افزایش یافته است؛ این میزان تغییرات بستگی به عنصر دارد. به نظر می رسد که قیمت های دیسپروزیوم، ساماریوم، تربیوم و ایتریوم به یک سکوی امن رسیده اند اما قیمت های سایر عناصر خاک های کمیاب شروع به کاهش کرده اند.

در شکل ۳٫۸ اطلاعات مربوط به تاریخچه قیمت کربنات لیتیوم را مشاهده می کنید. در اوایل دهه ۱۹۹۰؛ ایالات متحده بزرگترین تولید کننده و مصرف کننده مواد معدنی لیتیوم و اجزاء آن بوده است.

بین سال های ۱۹۹۵ تا ۲۰۰۴؛ مرکز تولید این ماده از ایالات متحده به آمریکای جنوبی تغییر کرد چون در آن ناحیه تولید ارزانتر انجام می شد. شرکت SQM از شیلی بیشترین سهم از بازار را به خود اختصاص داد. قیمت این ماده در سال های ۲۰۰۶ – ۲۰۰۵ به واسطه فعالیت های تعدادی از تولید کنندگان کوچکتر افزایش یافت. در اواسط دهه ۲۰۰۰ ؛ تغییرات آب و هوا تاثیر چشمگیری بر تولید لیتیوم در آرژانتین داشت. پس از آن قیمت در سال ۲۰۰۹ باز هم افزایش یافت چون میزان تولید به اندازه تامین تقاضای رو به رشد نبود. در سال ۲۰۰۸ شاهد تسطیح و اندکی کاهش در قیمت ها بودیم چون مازاد لیتیوم چین به بازار وارد شد تا تعادلی بین عرضه  و تقاضا ایجاد کند. زمانی که در اواخر ۲۰۰۸ رکود اقتصادی شدیدتر شد؛ قیمت لیتیم همچنان ثابت و بالا ماند اما در سال ۲۰۰۹ و اوایل سال ۲۰۱۰ شاهد کاهش قیمت ها بودیم چون شرکت SQM قیمت هایش را پائین آورد و برخی دیگر از تولید کنندگان هم به پیروی از آن شرکت شروع به کاهش قیمت کردند (USGS 1994-2010).

 

 

 

شکل ۳٫۸ : قیمت کربنات لیتیم در سال های ۲۰۱۰ – ۱۹۹۵

منبع : مواد معدنی صنعتی ۲۰۱۱

 

در شکل ۳٫۹ تاریخچه قیمت های ایندیوم را مشاهده می کنید. از دهه ۱۹۹۰ تا اوایل دهه ۲۰۰۰؛ یک تولید کننده فرانسوی روی به نام Metaleurope ؛ یکی از عمده ترین تولید کنندگان ایندیوم با کیفیت بالا بود که محصولاتش مورد توجه تولید کنندگان اکسید قلع ایندیوم (ITO)‌ ژاپنی قرار داشت؛ از این محصول در صنعت LCD  استفاده می شود. در سه ماهه چهارم سال ۲۰۰۲؛ شرکت Metaleurope گدازش روی/ایندیوم را در بخش Noyelles-Godault‌ فرانسه تعطیل کرد. با این تعطیلی؛ بخش عمده تولید ایندیوم از بازار حذف شد و همین امر باعث شد تا ژاپن به دنبال یک منبع جدید باشد؛ این منبع جدید در چین بود. اما میزان تامین این ماده توسط چین در بین سال های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۲ در حدی نبود که پاسخگوی تقاضا باشد. در سال ۲۰۰۵؛ معدن کاوی نیپون/انرژی در ژاپن اقدام به تعطیل کردن معدن روی/ایندیوم در تویوها کرد. این موارد با افزایش رشد بسیار چشمگیر در تقاضا برای صنعت LCD  همراه شد و در نتیجه شاهد افزایش شدید قیمت در بین سال های ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۵ بودیم.

 

 

 

شکل ۳٫۹: قیمت ایندیوم : ۲۰۱۱ – ۱۹۹۵

منبع : Metal-Pages.com ؛ ۲۰۱۱

 

برای پاسخگویی به افزایش سریع تقاضا؛ تولید ثانویه جهانی ایندیوم یا همان بازیافت ایندیوم از سال ۲۰۰۵ تا ۲۰۰۷ بطور گسترده ای افزایش یافت؛ این میزان بسیار بهتر از تولید اولیه ایندیوم در سال ۲۰۰۷ بود. تقاضای جهانی برای ITO همچنان افزایش یافت تا اینکه منجر به افزایش قیمت به واسطه کاهش عرضه گردید (USGS 1994-2010).

شکل ۳٫۱۰ تاریخچه قیمت های گالیوم را نشان می دهد. تقاضا برای گالیوم بطور مصنوعی بین سال های ۱۹۹۹ تا ۲۰۰۱ افزایش یافت؛ این افزایش ساختگی به واسطه انتظارات اغراق آمیز از بازار تلفن های موبایل ایجاد شد. بسیاری از مصرف کنندگان گالیوم اقدام به احتکار گالیوم کرده و در نتیجه تقاضا برای این محصول بطور موقت فراتر از ظرفیت های تولید گالیوم بود. ترکیدن حباب تکنولوژی در سال ۲۰۰۱ به همراه رکود اقتصادی و تراکم شدید اجناس در زنجیره مدار یکپارچه و دیودهای ساطع کننده نور (LED) باعث کاهش شدید تقاضا برای گالیوم تا سال های ۲۰۰۸ – ۲۰۰۷ گردید. افت شدیدی در قیمت گالیوم دیده شد؛ هر کیلوگرم از این کالا در سال ۲۰۰۱ به قیمت ۲۳۰۰ دلار به فروش می رسید که در سال ۲۰۰۲ به ۲۰۰ تا ۳۰۰ دلار رسید. همانطور که در شکل ۳٫۱ مشاهده کردید؛ تولید گالیوم در سال های ۲۰۰۲ تا ۲۰۰۷ نسبتا پائین بوده است. قیمت این کالا برای مدت یک دهه به کمتر از ۵۰۰ دلار برای هر کیلوگرم رسید اما در سال های ۲۰۰۷ تا ۲۰۰۸ بطور موقت به میزان ۷۰۰ تا ۸۰۰ دلار برای هر کیلوگرم افزایش یافت. اخیرا یعنی از سال ۲۰۱۰ ؛ برخی عوامل بر تقاضا برای گالیوم تاثیرگذار شده اند از جمله بهبود اقتصادی، رشد تقاضا برای گوشی های هوشمند که نیازمند گالیوم بیشتری نسبت به گوشی های تلفن موبایل استاندارد هستند؛ رشد سریع صنعت LED با وضوح بالاتر ؛ تقاضا برای تکنولوژی سلول خورشیدی که به مس – ایندیوم گالیوم دایس لنید (CIGS) نیازمند است و همچنین تهی شدن ذخایر گالیوم.

 

 

 

شکل ۳٫۱۰: قیمت گالیوم ۹۹٫۰۰% در فرودگاه های اصلی اتحادیه اروپا (۲۰۱۱- ۲۰۰۰)

منبع : Metal Pages.com 2011

 

در شکل ۳٫۱۱ تاریخچه قیمت های تلوریوم بر اساس گزارش USGS  را مشاهده می کنید. در اوایل دهه ۱۹۹۰؛ قیمت تلوریوم اندکی بالا رفت تا اینکه در سال ۱۹۹۳ شاهد افزایش نسبی قیمت ها بودیم؛ این افزایش به واسطه بالا رفتن تقاضا از صنایع فولاد بدون ماشین کاری و همراه با تهی شدن موجودی این محصول بود. کاهش مداوم قیمت ها از سال ۱۹۹۴ شروع شد و تا ۱۹۹۸ نیز ادامه یافت چون مصرف این ماده کاهش یافته  و در این مدت؛ میزان مصرف پائین تر از میزان تامین بوده است (Brown 1998). در سال ۲۰۰۴ و ۲۰۰۵ ؛ افزایش استفاده از این ماده توسط تولید کنندگان لوازم الکترونیک باعث شد که قیمت تلوریوم افزایش یابد. در سال ۲۰۰۶ قیمت کاهش یافت اما در سال ۲۰۰۷ دوباره بالا رفت؛ این بار علت افزایش قیمت تولید سلول های خورشیدی کادمیوم تلوراید (CdTe) بود. به اعتقاد برخی تحلیلگران؛ افزایش قیمت تا حدودی مربوط به خرید و احتکار این ماده نیز بوده است چون تامین کنندگان معتقد بودند که با رشد تقاضا برای سلول های خورشیدی با تلوریوم؛ با کمبود این ماده مواجه خواهند شد.

 

 

شکل ۳٫۱۱: قیمت تلوریوم ۲۰۱۰ – ۱۹۹۹

منبع : Metal-pages.com ؛ ۲۰۱۱

 

۳٫۲ پویایی بازار برای مواد کلیدی

در خصوص تامین جهانی و محرک های تقاضا؛ عملکردهای بازار در زمینه برخی مواد خاص تحت تاثیر برخی عوامل پویا قرار دارد. جنبه اقتصاد خرد با توجه به برخی مشخصه ها مثل اشباع بازار و شفافیت بازار؛ موانع ورود به بازار و سرمایه گذاری؛ دانش؛ زمان و شرائط قانونگذاری برای عملیات در این زمینه بسیار مهم هستند. هر عامل بر توانایی بازار و عملکردهای کارآمد و تداوم مشارکت های بازاری تاثیرگذار است. در این بخش از کتاب به بررسی برخی عوامل موثر بر خاک های کمیاب و سایر عناصر کلیدی در زنجیره کامل تامین می پردازیم.

عناصر خاک های کمیاب

عناصر خاک های کمیاب در کاربردهای بسیاری مصرف می شوند؛ اما در این بررسی ها فقط بر مغناطیس های دائمی تمرکز کرده چون آنها در تکنولوژی های انرژی پاک بکار می روند و بخش عمده تقاضا برای خاک های کمیاب مربوط به آنها می باشد. زنجیره تامین مغناطیس خاک های کمیاب را می توان به پنج مرحله اصلی تقسیم بندی کرد: ۱) معدن کاوی؛ آسیاب کردن و تغلیظ؛ ۲) جداسازی هر یک از اکسیدهای خاک های نادر (REO)‌؛ ۳) تولید فلز خاک نادر؛ ۴) تولید پودر یا آلیاژ؛ ۵) تولید مغناطیس. یک مرحله ششم هم وجود دارد که آن زمانی است که مغناطیس های خاک کمیاب در اجزاء مختلفی از انرژی پاک بکار گرفته می شوند از جمله موتوراتومبیل های برقی و ژنراتورهای توربین های بادی. هر مرحله دارای یک ارزش متفاوت است؛ نیاز به تخصص های جداگانه و تجهیزات خاص دارد؛ همچنین تحت تاثیر انواع شرائط مختلف بازار قرار می گیرد. فعالیت های جریان بالایی در دو مرحله اول معمولا همراه با ارزش افزوده پائین هستند اما مراحل جریان پائینی دارای ارزش های بالاتری می باشند بنابراین تجارت ها و دولت ها در بسیاری از این کشورها بر این موارد توجه می کنند. در قسمت های بعد به بررسی پویایی بازار در این مراحل از زنجیره تامین می پردازیم. جدول ۳٫۲ خلاطه ای از این مطالب را نشان می دهد.

اشباع بازار: تولید جهانی اکسید خاک های نادر دارای تمرکز جغرافیایی شدید است؛ اغلب تولید کنندگان در چین قرار دارند. از سوی دیگر؛ اخیرا اتحاد وسیع و گسترده ای در چین دیده شده است که باعث افزایش تمرکز بر بازار در این زمینه در کشور چین می باشد. در خارج از چین؛ چندین جریان بالایی از شرکت های تولید کننده خاک های کمیاب وجود دارد که در فازهای مختلفی از توسعه قرار گرفته اند. برخی شرکت ها که تاکنون توانسته اند روندهای  استخراج، تولید و پردازش را انجام دهند؛ در حال حاضر کوچک هستند. برخی از این تازه واردان تاکنون به تولید مطلوبی دست یافته اند؛ بنابراین انتظار می رود که در سال های آتی بتوانند به راحتی برای تامین بازار اقدام کنند. در مراحل جریان پائینی زنجیره تامین؛ تمرکز زیادی بر بازار وجود دارد که به واسطه حضور و تسلط بسیاری از شرکت های بزرگ در بازار فلزات؛ آلیاژ ها و تولید مغناطیس می باشد. اغلب شرکت های سازنده مغناطیس های نئودیمیوم- آهن- بور (NdFeB) در چین قرار دارند؛ تعداد اندکی هم در سایر مناطق از جمله ژاپن و اروپا هستند.

ابهامات بازار: بازار خاک های کمیاب معمولا شفافیت کمتری نسبت به سایر مواد از جمله فلزات اصلی دارد چون تعداد شرکت کنندگان در این بازار کم بوده و برخی معاملات بصورت عمده در دست تعداد محدودی از تولید کنندگان انجام می شوند. اکسید خاک های کمیاب در بازارهای بورس معتبر مثل بازار بورس و معادلات فلزات لندن معامله و تبادل نمی شوند؛ بنابراین هیچ مرجع رسمی یا آینده بازاری برای آنها در نظر گرفته نمی شود. اغلب اکسید خاک های کمیاب از طریق قراردادهای دوجانبه بلند مدت و بر اساس مذاکرات قیمت گذاری بین طرفین قرارداد انجام می شوند؛ افشاء قیمت ها به بازار در سطح بسیار محدودی انجام می شود. اینگونه ابهامات منجر به افزایش فراریت قیمت می شود چون مشارکت کنندگان در بازار نمی توانند سطح و ارزش هر یک معاملات را بر اساس داده های قیمت بدست آورند. از دیدگاه برخی مشتریان؛ فراریت قیمت ها بسیار مهمتر از بالا رفتن قیمت ها (البته به صورت ثابت) می باشد چون چالش های خاص خود را دارد.

جدول ۳٫۲: مشخصه های بازار در زنجیره تامین مغناطیس خاک های نادر

معدن کاوی؛ آسیاب کردن و تغلیظ جداسازی (اکسیدها) تولید فلز تولید آلیاژ/پودر تولید مغناطیس موتورها و ژنراتورها
اشباع بازار (کم تا زیاد) متوسط تا زیاد متوسط تا زیاد زیاد  زیاد زیاد متوسط
ظرفیت بازار (کم تا زیاد) زیاد زیاد متوسط متوسط متوسط کم
شرائط سرمایه گذاری (کم تا زیاد) متوسط تا زیاد زیاد متوسط تا زیاد متوسط تا زیاد متوسط تا زیاد کم تا متوسط
نیاز به دانش/ فن (کم تا زیاد) کم تا متوسط زیاد زیاد زیاد زیاد متوسط
نیازهای قانونی (کم تا زیاد) زیاد زیاد زیاد متوسط کم تا متوسط کم
شرائط زمانی:

کوتاه = کمتر از دو سال

متوسط = ۲ تا ۵ سال

بلند = بیشتر از ۵ سال

بلند متوسط تا بلند متوسط متوسط متوسط کوتاه تا متوسط
موانع دریافت حق امتیاز ویژه (کم تا زیاد) کم کم متوسط زیاد زیاد کم

 

ابهامات بازار بر اساس برخی عوامل سیاسی خاص بیشتر می شوند.  چین به عنوان تولید کننده بیش از ۹۵% از اکسیدهای خاک کمیاب در جهان می تواند بر سطح پویایی بازار تاثیر زیادی برجای گذارد. قوانین این کشور در زمینه قیمت گذاری و عوارض صادرات باعث شده است که عرضه کاهش یابد بنابراین قیمت برخی از عناصر خاک های کمیاب بالاتر رفته است. در حال حاضر؛ در زمینه محصولات خاک های کمیاب چینی شفافیت و قابلیت پیش بینی وجود ندارد چون سیاست های صادرات آنها قابل اطمینان نیستند؛ این روند علائم عدم قطعیت را در زنجیره تامین بازار افزایش می دهد و گاه می تواند باعث برهم خوردن تصمیم گیری های سرمایه گذار گردد. از سوی دیگر؛ اختلافات بسیاری در خصوص داده ها یا عدم قطعیت ها در رابطه با مخازن و منابع چین، تولیدات و مصارف در این کشور نیز وجود دارد. برخی از این اطلاعات توسط وزارتخانه های دولت چین گردآوری شده اند اما هنوز انتشار نیافته اند.