Electric 18: что такого критического в критических минералах?
Продолжаю самообразовываться в фоновом режиме в области энергоперехода. Периодически встречаю в литературе термины «критический минерал», «критический материал» и Electric 18. Давно хотел для себя уяснить, почему критические минералы и материалы такие критические, и вот наконец дал себе труд сесть и разобраться. Итак.
Критический минерал это минерал, элемент, хим. соединение или материал, который имеет ключевое значение для экономики, энергетики или национальной безопасности, но при этом связан с повышенным риском дефицита или нарушения поставок. Причинами могут быть концентрация добычи и переработки в небольшом числе стран, быстро растущий спрос, сложность замещения и длительные сроки создания новых производственных мощностей.
Критический материал это более широкое понятие. В терминологии Министерства энергетики США (US DOE) это материал, который выполняет существенную функцию в одной или нескольких энергетических технологиях и одновременно характеризуется высоким риском нарушения цепочки поставок. Такой материал не обязательно является отдельным минералом или даже химическим элементом. Например, в энергетический перечень DOE входят электротехническая сталь и карбид кремния. Поэтому критичность это прежде всего характеристика роли материала в технологической цепочке, а не его геологической редкости.
Electric 18 это неформальное название группы из 18 критических для энергетики материалов, которую Министерство энергетики США выделило по итогам оценки 2023 года. Именно этот набор DOE популяризировало под названием Electric 18. На окт 2026 г официальный перечень критических энергетических материалов был расширен до 20 [+ металлургический уголь (!) и гелий], но Electric 18 по-прежнему удобно использовать как базовый набор для понимания материальной основы электрификации. Без этих материалов трудно быстро наращивать производство электромобилей, аккумуляторов, ветрогенераторов, солнечных панелей, электросетей, водородных установок и силовой электроники.
Первая группа — материалы для постоянных магнитов: неодим (Nd, Neodymium), празеодим (Pr, Praseodymium), диспрозий (Dy, Dysprosium) и тербий (Tb, Terbium). Они используются в мощных Nd–Fe–B-магнитах. Такие магниты широко применяются в тяговых электродвигателях электромобилей, генераторах ряда современных ветровых турбин, промышленной автоматике и другой высокоэффективной электротехнике. Неодим и празеодим обеспечивают основные магнитные свойства, а добавки диспрозия и тербия помогают сохранять характеристики магнитов при повышенных температурах.
Вторая крупная группа — материалы для аккумуляторов. Это литий (Li, Lithium), никель (Ni, Nickel), кобальт (Co, Cobalt), природный графит — форма углерода (C, Carbon) — и фтор (F, Fluorine). Литий является носителем заряда в литий-ионных батареях. Никель и кобальт используются в катодах ряда высокоэнергоёмких аккумуляторов. Графит в целом, природный и синтетический, остаётся основным коммерческим анодным материалом, а DOE отдельно включает в Electric 18 именно природный графит. Соединения фтора входят в электролиты и другие компоненты батарей.
Эти материалы прежде всего востребованы при производстве электромобилей и стационарных систем хранения энергии. Переход к другим технологиям производства аккумуляторов (e.g., Эра натрия) может уменьшать потребность в отдельных элементах, например кобальте или никеле, но обычно не устраняет сырьевую зависимость полностью, а лишь меняет её структуру.
Третья группа связана с водородной энергетикой и топливными элементами. Это платина (Pt, Platinum) и иридий (Ir, Iridium). Они обладают уникальными каталитическими свойствами. Иридий особенно важен для PEM-электролизёров, производящих водород, а платина широко применяется в топливных элементах. Объёмы потребления этих металлов относительно невелики, однако возможности их замещения ограничены, поэтому даже небольшой физический дефицит может затормозить развитие соответствующей технологии.
Следующая группа — силовая электроника и полупроводники. Галлий (Ga, Gallium) применяется в полупроводниковых и оптоэлектронных материалах. Карбид кремния (SiC, Silicon Carbide) это уже не элемент, а химическое соединение кремния (Si, Silicon) и углерода (C, Carbon). Он позволяет создавать силовую электронику, способную работать при высоких температурах и напряжениях с меньшими энергетическими потерями. Такие компоненты используются при производстве электромобилей, зарядных станций, инверторов и современной энергетической инфраструктуры.
Сам кремний (Si, Silicon) критически важен для солнечной энергетики: кристаллический кремний является основой современной фотовольтаики. Здесь риск связан не столько с наличием кремния в природе, сколько с возможностью производить его с требуемой чистотой, а затем изготавливать пластины, солнечные элементы и модули.
Особое место занимает медь (Cu, Copper) — новое золото (с) Кирилл Дмитриев. Медь не является редким элементом, но практически вся электрификация требует огромных объёмов меди: электросети, кабели, трансформаторы, электродвигатели, генераторы, электромобили и зарядная инфраструктура. Поэтому критичность меди определяется прежде всего масштабом будущего спроса и длительными сроками расширения добычи, выплавки и переработки. Неудивительно, что вокруг меди уже идёт глобальная конкуренция за сырьё и перерабатывающие мощности: на Китай приходится примерно половина мировых мощностей по выплавке меди, а китайские компании занимают сильные позиции в крупных медных проектах, в том числе в Африке.
Похожая ситуация с электротехнической сталью. Это не отдельный элемент, а специальный сплав на основе железа (Fe, Iron), часто с добавлением кремния (Si, Silicon). Он необходим для сердечников трансформаторов, генераторов и электродвигателей. Можно иметь большие запасы железной руды и развитую металлургию, но всё равно зависеть от ограниченных мощностей по выпуску специальных марок электротехнической стали.
Наконец, алюминий (Al, Aluminium) и магний (Mg, Magnesium) важны для облегчения конструкций. Более лёгкие автомобили, транспортные системы и оборудование требуют меньше энергии при эксплуатации. Алюминий также широко применяется в электросетях, корпусах оборудования и батарейных системах.
В этом контексте редкоземельные элементы это группа из 17 близких по химическим свойствам элементов, критичность которых определяется прежде всего сложностью их разделения и концентрацией цепочек переработки; в Electric 18 к ним относятся неодим, празеодим, диспрозий и тербий
Главная идея Electric 18 состоит в том, что критичность не равна редкости. Материал становится критическим, когда он имеет большое значение для ключевых технологий, а его доступность связана с существенными рисками. Например, из-за сложности замещения, быстрого роста спроса или концентрации добычи, переработки и производства в ограниченном числе стран и компаний.
Поэтому энергетический переход 4.0 зависит не только от того, достаточно ли в мире лития, меди или редкоземельных элементов. Не менее важно, существуют ли надёжные цепочки (supply chains), способные превратить сырьё в аккумуляторы, постоянные магниты, полупроводники, солнечные элементы, кабели, трансформаторы и электродвигатели.
В свете этих рассуждений этих рассуждений претензии Трампа на Гренландию получают ещё одно измерение: наряду с военно-стратегическим значением Арктики доступ к критическим минералам становится частью глобальной технологической и ресурсной конкуренции США и КНР в рамках смены технологических укладов.