OLIVIA HOGG Y JON D. BLUNDY
La era de la energía derivada de combustibles fósiles está llegando a su fin. La generación de electricidad a través de fuentes renovables es un candidato prometedor para cerrar la brecha hacia un futuro bajo en carbono, pero ha creado y seguirá generando una demanda sin precedentes de metales, como el cobre, el litio y el níquel.
Una transición a escala global hacia una economía eléctrica viene con implicaciones sociopolíticas y ambientales generalizadas. Las prácticas mineras convencionales consumen mucha energía y dejan cicatrices indelebles en el medio ambiente, pero actualmente representan la única forma efectiva de suministrar suficientes metales para satisfacer la creciente demanda.
No podemos detener el crecimiento de las economías y, por lo tanto, no podemos escapar de la necesidad de obtener más metales, pero el uso de enfoques convencionales corre el riesgo de devaluar muchos de los beneficios de la transición energética en sí.
Para satisfacer nuestra continua necesidad de energía, debemos cambiar la forma en que extraemos y lo que extraemos. Una nueva investigación indica que las salmueras magmáticas metalíferas, que se encuentran en todo el mundo debajo de los volcanes inactivos y encima de los granitos, junto con la co-recuperación de la energía geotérmica, pueden proporcionar una solución más sostenible a la escasez mundial de metales clave.
INCENTIVOS CRECIENTES
La Revolución Industrial vio el desarrollo y crecimiento de la energía de vapor, utilizando carbón y más tarde petróleo, para alimentar industrias como la textil, el transporte y la minería. Los combustibles fósiles rápidamente se convirtieron en el centro de las economías más ricas; suministrar energía para alimentar redes eléctricas, motores de combustión interna para locomotoras ferroviarias, vehículos de carretera y barcos para comercializar recursos más rápidamente.
El fácil acceso a los combustibles fósiles se convirtió en sinónimo de crecimiento económico. Después de 1950, el uso intensivo de combustibles fósiles se extendió a las economías de todo el mundo, aumentando simultáneamente su agotamiento rápido y continuo, así como la propagación de una crisis climática global, algo que no podría haberse previsto hace 200 años.
Las fuentes de energía renovable, como la eólica, la hidroeléctrica, la geotérmica y la solar, junto con el almacenamiento de energía en baterías, así como la energía nuclear, son las alternativas preferidas y ofrecen un medio para aliviar muchas de las consecuencias ambientales adversas del uso y la extracción de combustibles fósiles.
Sin embargo, las infraestructuras y tecnologías de energía renovable existentes aún no son aptas para la transición energética global anticipada.
La estrategia Net Zero del gobierno del Reino Unido (BEIS, 2021) aborda el imperativo de desarrollar más tecnologías bajas en carbono para 2030 al comprometer £ 350 millones para el Fondo de Transformación Automotriz, que tiene como objetivo acelerar el uso de vehículos eléctricos, y £ 1.000 millones para la infraestructura eólica marina.
Para cumplir con los objetivos de producción asociados,un aumento dramático en el suministro de metal es crítico. Sin embargo, el Reino Unido importa la mayoría de sus metales y la demanda de suministros globales está aumentando, mientras que la seguridad del suministro, particularmente dada la reciente incertidumbre política mundial, es un problema grave.
¿Es posible aumentar el suministro de metales y mantener un enfoque bajo en carbono? La reciente oposición ambiental a las nuevas minas de cobre en Ecuador y litio en Serbia son presagios de los tiempos complejos que se avecinan para una industria minera que a menudo está sujeta a la misma desconfianza pública que las industrias de combustibles fósiles.
SATISFACER LAS DEMANDAS DE METAL
¿Cómo podemos asegurar suficientes metales para seguir el ritmo de la transición de recursos? La reutilización de metales de objetos manufacturados preexistentes no satisfará el crecimiento previsto de la demanda. Por ejemplo, un informe del Banco Mundial (Arrobas et al., 2017) mostró que incluso una economía completamente circular no podría superar la creciente demanda de cobre. Una forma más práctica de satisfacer la creciente demanda es a través de la minería, aunque existen advertencias asociadas con la expansión de esta industria en la escala requerida.
Para 2050, se espera que la demanda de litio aumente en un 965%, la de cobalto en un 585%, la de cobre en un 7% y la de plata en un 60% en comparación con los niveles de producción actuales (Arrobas et al., 2017) y, sin embargo, las operaciones mineras existentes están extrayendo cada vez menos Los minerales de alta calidad y las nuevas reservas son más difíciles de encontrar. En los últimos años, la industria minera ha hecho de las operaciones bajas en carbono una faceta central de su identidad.
Los gigantes mineros BHP y Rio Tinto tienen la intención de reducir las emisiones de carbono en sus propias operaciones en un 30% y un 15%, respectivamente, para 2030, con el objetivo de volverse completamente neutrales en carbono para 2050 (Informe McKinsey, 2021).
Anglo American se ha comprometido con operaciones neutras en carbono para 2040 a través de una minería de precisión mejorada y reducciones en el uso de agua. En 2020, Anglo American extrajo el 33% de su electricidad mundial de fuentes renovables y para 2023 la empresa pretende aumentar esta cifra al 56% (Anglo American, 2021).
El uso de vehículos eléctricos en los sitios mineros está aumentando: Anglo American atribuye entre el 10 y el 15% de sus emisiones operativas a los camiones del sitio minero (Anglo American, 2021), por lo que reemplazarlos con vehículos eléctricos de celda de combustible reducirá significativamente las emisiones. Con la demanda de recursos por dispararse,
La realidad es que la infraestructura actual es insuficiente para el mayor nivel requerido de producción global. Europa aspira a implementar tecnologías bajas en carbono, como los vehículos eléctricos, pero no está en condiciones de satisfacer las necesidades de recursos. Históricamente, muchos de los recursos clave necesarios para tales tecnologías, incluidos el cobre, el níquel, el cobalto y el litio, se extraían en toda Europa.
Sin embargo, las propuestas para abrir nuevas y grandes minas convencionales dentro de Europa pueden enfrentar una oposición ambiental insuperable. Una solución es buscar suministros fuera de Europa, con el riesgo concomitante de crear un crecimiento habitual que tenga impactos ambientales inaceptablemente grandes. Por lo tanto, las ganancias obtenidas en Europa se verán contrarrestadas por actividades en otros lugares, sobre todo en países ricos en recursos hambrientos de ingresos extranjeros.
Las preocupaciones con respecto a la seguridad de los metales están llevando a las mineras a contemplar territorio virgen en las profundidades del mar, con algunos estados europeos y del Pacífico explorando la minería del fondo marino, lo que presenta nuevos desafíos y nuevos riesgos ambientales.
En 1972, se descubrió que la Zona Clarion-Clipperton, una llanura abisal entre Hawái y México, albergaba considerables depósitos de metales sin explotar, incluidos cobre, níquel y manganeso (Heffernan, 2019). Treinta años después, estos entornos están siendo considerados por sus perspectivas mineras.
Los datos son escasos, pero existe una preocupación generalizada de que la minería en aguas profundas pueda causar daños irreversibles a los ecosistemas marinos y la química oceánica poco conocidos. Las cicatrices del lecho marino de la campaña de campo de 1972 persisten hoy, un presagio del daño que pueden causar los proyectos de minería marina a escala mundial.
UNA FUENTE ANÓNIMA
Existe una necesidad apremiante de reinventar la minería tal como la conocemos. La mayoría de los metales no ferrosos que extraemos están finalmente ligados al magma. Los mismos procesos que crean magma en la corteza y el manto de la Tierra y lo transportan a la superficie en forma de volcanes, también liberan cantidades prodigiosas de metales disueltos en salmueras y gases volcánicos calientes.
Estos procesos se inician a profundidades superiores a 5 km dentro de la corteza, a medida que los magmas comienzan a disolver volátiles en forma de fluidos acuosos salinos ricos en metales. Su dotación de metales es un verdadero quién es quién de la Tabla Periódica e incluye muchos metales que son críticos para la transición neta cero, incluidos el cobre, el litio y la plata.
Los fluidos magmáticos pueden advectarse a la superficie donde se manifiestan como penachos ricos en metales, emitidos por volcanes como el Monte Etna (Italia), que solo descarga unas 20 toneladas de cobre y 10 kg de oro por día a la atmósfera (Edmonds et al., 2018). La recuperación de estos metales del gas volcánico caliente es totalmente poco práctica. Sin embargo, un recurso de metal mucho más concentrado subyace a los volcanes.
A profundidades de alrededor de 2 km, las salmueras calientes se separan de los fluidos magmáticos ascendentes. Las incrustaciones de enriquecimiento de metales con salinidad fluida y las salmueras magmáticas tienen contenidos de sal que alcanzan el 70% en peso de cloruro de sodio (Bodnar y Sanchez, 2014), en comparación con solo el 3% en peso de cloruro de sodio en el agua de mar (Kesler, 2005). En consecuencia, las salmueras secuestran metales, enriqueciéndose en más de dos órdenes de magnitud en casi todos los metales en relación con su fluido magmático original.
COSECHANDO LA GENEROSIDAD
Las prácticas mineras convencionales utilizan sistemas volcánicos antiguos, donde la actividad magmática ha cesado hace mucho tiempo y las salmueras han depositado su carga de metal en forma de minerales sólidos. El tiempo y la erosión acercan estos cuerpos minerales a la superficie donde pueden ser extraídos en pozos gigantes abiertos o subterráneos.
Las leyes del mineral suelen ser tan bajas que más del 99% de la roca extraída de esta manera es desecho, lo que da como resultado enormes pilas de relaves que quedan en la superficie. Un concepto disruptivo prometedor implica la extracción directa de salmueras de rocas magmáticas calientes, como las que se encuentran debajo de sistemas volcánicos inactivos o sobre intrusiones de granito joven.
La 'minería de salmuera' ofrece ventajas incomparables en comparación con los métodos convencionales, porque los metales se extraen de una solución concentrada, en lugar de roca sólida.
El litio, por ejemplo, se extrae en gran medida de fuentes de roca dura en Australia, mediante la explotación de minerales de espodumeno alojados en depósitos de pegmatita. El litio también se obtiene de salmueras salares en América del Sur, donde las aguas antiguas han interactuado y lixiviado litio de los depósitos volcánicos circundantes.
Sin embargo, el rápido aumento en la demanda de litio está considerando fuentes previamente inexploradas que se están considerando para la explotación. Por ejemplo, la empresa Cornish Lithium está buscando activamente coproducir litio, calor y agua a partir de aguas geotérmicas en Cornualles, Reino Unido, con bajas emisiones de carbono.
El litio se elimina selectivamente de las aguas geotérmicas a través de la extracción directa de litio, un método que, según la doctora Rebecca Paisley, geoquímica líder en Cornish Lithium, reutiliza la tecnología existente que se usa tradicionalmente para tratar el agua contaminada y permite la extracción de litio de una manera baja en carbono, utilizando solo una fracción del consumo de agua, tierra y reactivos involucrados en la extracción de litio en roca dura o salmuera salar.
En Alemania, Vulcan Energy propone utilizar procesos similares para recuperar salmueras calientes ricas en litio de debajo del valle del Rin.
Los pozos piloto comenzaron a funcionar a principios de 2022, con la perspectiva de producir el primer litio del mundo con calidad de batería y cero emisiones de carbono, alimentado por energía geotérmica recuperada conjuntamente.
¿Podrían los volcanes ser la próxima frontera en minería de salmuera? Las operaciones, como las descritas anteriormente, no tienen como objetivo fluidos de origen magmático, sino fluidos objetivo geotérmicos a temperaturas de 250 °C o menos. A medida que la carga de soluto de las salmueras aumenta drásticamente con el aumento de la temperatura, los beneficios económicos de la extracción de salmueras aumentan con fuentes de salmuera cada vez más calientes.
Tales condiciones coinciden con las que se están investigando actualmente para la energía geotérmica llamada 'supercrítica' o 'supercaliente', en la que los fluidos de alta entalpía a temperaturas por encima del punto crítico del agua (~374 °C) se extraen desde la profundidad hasta la superficie. Con más de 3 millones de julios por kilogramo de fluido extraído, los fluidos supercríticos tienen más de tres veces la energía de los fluidos geotérmicos convencionales. La energía geotérmica supercrítica es un área de investigación activa en Islandia, Nueva Zelanda, Japón, Estados Unidos, Italia y México.
Aunque la energía geotérmica supercrítica enfrenta algunos desafíos técnicos obvios, este no es un territorio desconocido; Hace más de 25 años, Japón perforó un pozo geotérmico de 3,7 km de profundidad en un granito caliente de 90 000 años de antigüedad en Kakkonda, donde recuperaron pequeñas cantidades de salmuera a 520 °C inusualmente rica en metales (Saito et al., 1998).
Desde entonces, la tecnología ha avanzado, con nuevos desarrollos en brocas, lodos de perforación, revestimientos de pozos y equipos de cabeza de pozo. En Larderello (Toscana, Italia), por ejemplo, el pozo Venelle-2 alcanzó recientemente 2,9 km de profundidad, penetrando rocas que contienen fluidos a más de 500 °C (Petty et al., 2020).
Los avances tecnológicos están reduciendo significativamente los costos de perforación de pozos calientes y profundos, lo que a su vez afecta la economía de la energía geotérmica como fuente de energía verde de carga base.
Lograr que los fluidos fluyan a través de las rocas en condiciones supercríticas es un problema tanto para la energía geotérmica como para la minería de salmuera. A altas temperaturas dentro de la Tierra, las rocas se comportan de manera dúctil, en lugar de frágil, lo que inhibe la formación de fracturas y reduce la permeabilidad.
Una solución a este problema es la estimulación de embalses, un proceso en el corazón de los sistemas geotérmicos mejorados. Este enfoque generalmente implica inyectar fluidos en el yacimiento para promover fracturas y el desarrollo de permeabilidad, pero a tasas demasiado bajas para desencadenar sismicidad.
De manera alentadora, investigaciones recientes de Japón muestran cómo los yacimientos dúctiles estimulados tienden a formar 'redes de fracturas de nubes' que consisten en muchas microfisuras diminutas que mejoran la permeabilidad, en lugar de grandes fallas sismogénicas como grietas (Watanabe et al., 2019). Queda por ver si las salmueras densas se pueden recuperar de esta manera, junto con los fluidos supercríticos de menor densidad.
El siguiente desafío para la extracción de salmuera es recuperar fluidos ricos en solutos en la superficie sin escalar demasiado los pozos porque los solutos se precipitan durante el ascenso. En la industria geotérmica, la incrustación es un serio impedimento para la extracción eficiente de fluidos que puede afectar la longevidad de una planta de energía. Por el contrario, para el minero, las escamas representan un 'mineral' inusualmente de alto grado de un tipo que rara vez se encuentra en la naturaleza.
Por ejemplo, en Kakkonda, las incrustaciones de pozos contienen hasta un 13% por ciento en peso de cobre, un 20% de zinc y 20 ppm de oro, sin mencionar una gran cantidad de otros metales valiosos. Es crucial asegurarse de que esta generosidad polimetálica salga a la superficie, en lugar de precipitarse en el camino. Diseñar materiales novedosos que puedan secuestrar metales de fluidos calientes en el fondo del pozo,
En la minería convencional, los llamados depósitos 'gigantescos', con más de 60 millones de toneladas de cobre, han dominado la cadena mundial de suministro de materias primas durante décadas. Cada vez se reconoce más que algunos depósitos más pequeños de alta ley pueden ser económicamente viables (y comercialmente 'ágiles'), mientras que muchos metales críticos se encuentran como subproductos de minas que tienen como objetivo metales más abundantes.
Los depósitos gigantes contienen considerablemente más metal del que es probable que se encuentre debajo de un solo volcán, pero mientras que los depósitos gigantes son extremadamente raros y difíciles de encontrar, los volcanes son abundantes y fáciles de detectar. Alrededor de 2000 volcanes en todo el mundo tienen el potencial de convertirse en futuras minas de salmuera. Curiosamente, de los 44 estados europeos.
UNA PERSPECTIVA ÚNICA
No podemos erradicar la demanda de energía y metales porque son, y siguen siendo, los medios para que las economías se desarrollen y prosperen. Sería hipócrita demonizar la minería, mientras se disfruta de los beneficios económicos que ofrece. Y, sin embargo, ese suele ser el caso, sobre todo porque la extracción y el consumo de metales suelen estar separados geográficamente, un legado en muchos sentidos de la época colonial y la Revolución Industrial.
Como ocurre con gran parte de lo que consumimos, es vital reconocer el vínculo entre los recursos y su cadena de suministro. Proponemos que una solución a la crisis energética que emerge rápidamente puede ser extraer metales de una manera no convencional que ofrezca un enfoque de menor impacto ambiental y potencialmente cero carbono. Existe una creciente conciencia de que las salmueras magmáticas tienen el potencial de resolver el paradigma de recursos en el que nos encontramos.
Invertir tiempo en el desarrollo tecnológico y ampliar nuestra comprensión de los sistemas volcánicos, incluida la perforación en ellos, es fundamental para evaluar cómo podemos aprovechar simultáneamente la energía geotérmica y los metales, y así equiparnos mejor para la transición energética.
En muchos sentidos, el almacenamiento de fluidos magmáticos en rocas porosas subterráneas se parece a los yacimientos de petróleo y gas, lo que significa que la experiencia existente en hidrocarburos podría reutilizarse fácilmente en la búsqueda de yacimientos de salmuera. Como científicos de la Tierra, tenemos una perspectiva única que nos permite abordar los desafíos de recursos críticos que se avecinan.
Esto incluye estrategias mejoradas para encontrar recursos y el desarrollo de procesos de refinación y extracción más limpios y eficientes, al mismo tiempo que se consideran las ambiciones globales mutuas para generar energía con emisiones de carbono negativas y aumentar la resiliencia en toda Europa frente a la naturaleza siempre cambiante de nuestro suministro de cadena.
