Cómo construir una economía circular para bienes raros

Yong Geng es profesor de gestión ambiental en la Escuela de Ciencias e Ingeniería Ambientales de la Universidad Jiao Tong de Shanghai, Shanghai 200240, China.

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Joseph Sarkis es profesor de gestión en el Instituto Politécnico de Worcester, Worcester, Massachusetts, EE. UU., y catedrático de TEC-LOGd en la Université Polytechnique Hauts-de-France en Valenciennes, Francia.

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Raimund Bleischwitz es el director científico del Centro Leibniz de Investigaciones Marinas Tropicales (ZMT), Bremen, Alemania.

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Los elementos de tierras raras se pueden extraer de los residuos electrónicos. Crédito: Christophe Archambault/AFP vía Getty

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Existe una conexión química clave entre muchas de las tecnologías que impulsarán la carrera hacia cero emisiones netas de carbono. Las células solares utilizan neodimio, disprosio y terbio para convertir la luz solar en energía de manera eficiente. Los diodos emisores de luz dependen del europio y el disprosio para su luminiscencia. El neodimio y el samario son ingredientes de potentes imanes utilizados en turbinas eólicas y motores eléctricos. Todos estos elementos forman parte del grupo de las 17 "tierras raras": los 15 lantánidos de la tabla periódica, desde el lantano hasta el lutecio, además del escandio y el itrio.

La demanda de elementos de tierras raras (REE) está creciendo rápidamente. Se necesitan alrededor de 170 kilogramos de REE para generar, por ejemplo, un megavatio de energía eólica1, suficiente para abastecer a unos 900 hogares en el noreste de Estados Unidos. Se prevé que el uso mundial de estos elementos se quintuplicará, pasando de unas 60.000 toneladas en 2005 a 315.000 toneladas en 20301.

Sin embargo, su disponibilidad es limitada. China, Estados Unidos y Rusia controlan el 56% de las reservas mundiales de REE y el 76% de su producción (ver go.nature.com/3h1aeji y 'Rare Earths Rise'). Durante más de una década, la geopolítica, las secuelas de la pandemia de COVID-19 y ahora la guerra han perturbado las cadenas de suministro globales y han hecho que los precios sean volátiles. En 2020 y 2021, los precios de algunos REE se triplicaron o quintuplicaron después de casi una década de relativa estabilidad.

FUENTE: Servicio Geológico de EE. UU.

Hay una carrera geopolítica para controlar los recursos de REE y para que los países expulsen a otras naciones. El mercado de REE es un juego de "suma cero", en el que la ganancia de una nación o empresa es la pérdida de otra, sin ningún beneficio neto.

Las industrias verdes en Estados Unidos y Europa enfrentan escasez de estos materiales cruciales al renunciar a las exportaciones chinas y rusas por razones políticas. Muchas naciones están impulsando la exploración y la minería internas, al tiempo que restringen las fuentes de importaciones. Por ejemplo, en 2022, el Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) adjudicó un contrato de 35 millones de dólares a MP Materials Corporation, con sede en Las Vegas, Nevada, para procesar elementos pesados ​​de tierras raras en el sitio de producción de la empresa en California. En enero de 2023, la empresa minera estatal sueca LKAB anunció que había encontrado un vasto depósito de REE, que ahora es el más grande de Europa.

Los mercados de REE también están dispersos y son ineficientes. Estos elementos son productos de nicho, producidos y utilizados en pequeñas cantidades, principalmente por pequeñas y medianas empresas, en su mayoría de propiedad estatal, en lugar de los grandes conglomerados que controlan la producción de acero o aluminio, por ejemplo. Los REE son esenciales para muchas tecnologías, como los teléfonos inteligentes, pero el valor del mercado mundial de REE es sólo el 0,18% del de las materias primas del petróleo crudo, lo que desanima a los inversores (ver go.nature.com/43avjku). En algunas partes del mundo, como Myanmar, los REE se comercializan ilegalmente (ver go.nature.com/43e4tzx).

Otra complicación es que los REE no se extraen directamente, sino que generalmente se extraen de minerales que son subproductos de otros tipos de minería, como la bauxita y el mineral de hierro. Sin embargo, muchos desechos mineros viables no se procesan. La cadena de valor de REE consume enormes cantidades de energía y agua y libera contaminantes y emisiones de carbono (ver 'Una economía circular en tierras raras'). Refinar un kilogramo de óxido REE genera entre 40 y 110 kilogramos de dióxido de carbono (equivalente)2. Refinar una tonelada de óxido de REE puede producir 1,4 toneladas de residuos radiactivos, 2.000 toneladas de material de desecho y 1.000 toneladas de aguas residuales que contienen metales pesados3.

Fuente: Frente J. Navarro y F. Zhao. Res. energética. 2, 45 (2014)

Para satisfacer la creciente demanda sin dañar el medio ambiente, es necesario repensar toda la industria de REE. En nuestra opinión, esto se puede lograr (sin ganadores ni perdedores) mediante la creación de alianzas beneficiosas para todos y una economía circular global para las REE. Aquí hay tres prioridades.

Actualmente, sólo alrededor del 1% de los REE se reciclan4. Sin embargo, hay beneficios claros. Reciclar neodimio de imanes al final de su vida útil, por ejemplo, requiere menos de la mitad (35%) de la energía necesaria para extraerlo de los minerales y libera menos toxinas (consulte go.nature.com/46crado).

¿Por qué se recicla tan poco? No existen políticas ni programas para reciclar REE de productos en ningún lugar del mundo. Y muchos dispositivos que contienen REE en concentraciones relativamente grandes, como las baterías de los automóviles eléctricos y los imanes de los molinos de energía eólica, todavía están en uso y faltan años para que sean retirados. Las tecnologías de reciclaje de REE también son inmaduras y económicamente inviables.

Existen programas y políticas regulatorias para gestionar otros tipos de materiales al final de su vida útil, que podrían adaptarse a los REE. Por ejemplo, Europa y China han legislado para obligar a los fabricantes a recuperar los residuos de equipos electrónicos. Pero el objetivo principal de estas políticas es gestionar los residuos peligrosos, como el mercurio, el cadmio y el plomo, en lugar de apoyar las prácticas de reutilización y reciclaje de la "economía circular". Por este motivo, las regulaciones para equipos eléctricos aún no cubren las baterías de vehículos eléctricos ni los imanes permanentes (consulte go.nature.com/3xfhxxi).

Investigadores del Servicio Geológico Francés separan los elementos de tierras raras de los desechos mineros. Crédito: Christophe Archambault/AFP vía Getty

Los gobiernos de todo el mundo deberían introducir políticas obligatorias de devolución de productos ricos en REE y crear redes de empresas de reciclaje autorizadas para procesar productos que contengan REE. Es necesario establecer y hacer cumplir tasas de reciclaje obligatorias o requisitos de contenido reciclado para los REE. Por ejemplo, la Comisión Europea aprobó una ley que exige que el 15% del consumo de REE en la Unión Europea esté cubierto por fuentes secundarias para 2030 (ver go.nature.com/3xat92q). Se necesitarán acuerdos globales para recolectar productos REE al final de su vida útil de países que carecen de instalaciones de reciclaje.

Los gobiernos también deberían acordar un estándar global para el etiquetado de productos para ayudar a los fabricantes y otros a comprender los tipos y cantidades de REE en los productos. Y deberían revisar la legislación existente sobre equipos eléctricos para incluir productos con cantidades densas y ricas de REE, incluidos imanes y baterías de vehículos eléctricos.

Los investigadores deben evaluar la viabilidad y las implicaciones de tales políticas. Por ejemplo, ¿qué tan difícil será para las empresas alcanzar un objetivo nacional de reciclaje del 15% sin repercusiones, como tener que depender de fuentes secundarias de mala calidad o restricciones a las exportaciones? ¿Qué haría falta para alcanzar el 30%? Un obstáculo es que pocos investigadores o actores de la industria conocen las cantidades de REE en los productos o los patrones de consumo de dispositivos con bajas emisiones de carbono, a menudo debido a problemas de confidencialidad. Esto hace que sea difícil juzgar cuántas toneladas de REE podrían estar disponibles cuando los productos lleguen al final de su vida útil, o el plazo para poder recolectarlos. Una plataforma de datos para compartir estimaciones sobre el suministro futuro de REE de fuentes secundarias ayudaría a resolver esta brecha.

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Se necesita coordinación y aranceles reducidos para los bienes y servicios relacionados con los REE para superar las barreras comerciales globales y las restricciones a las exportaciones de REE, que se han quintuplicado desde 20095. Una mejor alineación del comercio internacional, la política industrial y los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas deberían incluir Circularidad internacional para las REE. Un acuerdo sobre estos temas en la próxima reunión del G20, que se celebrará en Nueva Delhi en septiembre, por ejemplo, ayudaría a establecer mercados internacionales y generar economías de escala para los REE reciclados y los productos reutilizados. También ayudaría a los países de ingresos bajos y medios a acceder a REE para acelerar sus transiciones energéticas, y ayudaría a los gobiernos a apoyar planes de recuperación verde después de la pandemia de COVID-19 a través del comercio justo, al tiempo que se cumplen los ODS.

Se necesitan inversiones en sistemas y tecnologías para rastrear REE, recolectar productos, automatizar tecnologías de desmontaje y separarlos y recuperarlos. Se requieren materiales e innovaciones de ingeniería, desde una variedad de investigaciones sobre el desarrollo y la mejora de la tecnología de biolixiviación microscópica (para filtrar trazas diminutas de REE) hasta la hidrometalurgia y métodos químicos basados ​​en soluciones para recolectar REE durante el procesamiento de iluminación fluorescente de manera respetuosa con el medio ambiente. Estas tecnologías suelen demostrarse en laboratorios y deben ampliarse a niveles industriales.

Los gobiernos deberían considerar devoluciones de impuestos y subsidios para financiar la investigación, el desarrollo y la innovación para reducir los costos. Las asociaciones público-privadas podrían recaudar dinero para reciclar REE de productos específicos, como imanes permanentes de discos duros, motores de turbinas eólicas y vehículos electrónicos, parlantes, máquinas de imágenes por resonancia magnética y equipos de comunicación por satélite. En un ejemplo positivo, la UE tiene la intención de movilizar hasta 200 millones de euros (217 millones de dólares estadounidenses) para crear diez nuevos 'Centros para la circularidad' para facilitar la colaboración intersectorial y aumentar la recuperación y el reciclaje de materias primas en toda la UE6.

La mina de elementos de tierras raras Mountain Pass en California es operada por MP Materials, una compañía minera estadounidense. Crédito: Isaac Brekken/The New York Times/Redux/eyevine

Los beneficiarios de estas asociaciones público-privadas incluyen el conglomerado Hitachi con sede en Tokio y laboratorios gubernamentales como el Laboratorio Nacional Oak Ridge de los Estados Unidos en Tennessee; ambos están evaluando opciones para reciclar unidades de disco duro que contienen REE. Google también está invirtiendo en estas opciones, impulsado por estimaciones de que la recuperación de materiales de los discos duros estadounidenses podría llegar a satisfacer alrededor del 5% de la demanda mundial (excluida China) de imanes de neodimio7.

Sin embargo, la rentabilidad de tales procesos es baja, impulsada por los precios y la volatilidad de los REE, así como por las cantidades mínimas en las que se utilizan los REE: una unidad de disco duro típica contiene unos pocos gramos de REE, o alrededor del 1 al 2% de los REE por peso6. Los REE también están presentes en chips miniatura de tarjetas de crédito, en dopantes añadidos a semiconductores para mejorar la conductividad eléctrica y en aditivos para combustibles. Aunque se han reportado eficiencias de recuperación de hasta el 99,8%8, los bajos rendimientos hacen que la recuperación no sea rentable. Se necesita más investigación para reducir los costos y estabilizar los mercados.

Se necesitan otras vías de financiación para construir una economía circular global de REE. Los fondos climáticos, como el Fondo Verde para el Clima establecido dentro de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático para ayudar a los países de ingresos bajos y medianos en la adaptación y mitigación para contrarrestar el cambio climático, podrían canalizar algunas inversiones hacia la recuperación de las REE, particularmente en los sectores digital y de transporte. sectores. Los esquemas de ciudades verdes, como los desarrollados por el Banco Europeo para la Reconstrucción y el Desarrollo (BERD), deberían incluir REE en los planes para la recolección y recuperación de productos eléctricos. Los bancos multilaterales de desarrollo podrían promover mecanismos financieros en países de ingresos bajos y medios, en línea con el Plan de Estímulo de los ODS de la ONU, que se publicó en febrero.

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El comercio internacional y el seguimiento de los precios serán esenciales para mantener la equidad, y la transparencia del mercado atraerá más inversiones. Organizaciones como la Asociación Mundial de la Industria de Tierras Raras (REIA) deberían apoyar estos esfuerzos creando, por ejemplo, un centro de conocimiento internacional para rastrear y pronosticar las existencias de REE en bruto y secundarios.

La infraestructura para ayudar a rastrear cantidades de REE a nivel de productos individuales impulsaría los mercados secundarios y las prácticas de economía circular en el largo plazo. Actualmente, los ingredientes traza de REE ni siquiera figuran en la lista de materiales de los productos. La investigación sobre la trazabilidad, utilizando por ejemplo la tecnología blockchain (un sistema distribuido de gestión de datos), mejoraría la gestión de los flujos de productos de REE9. También se necesitarán bases de datos de acceso abierto o respaldadas por blockchain para rastrear los flujos de productos REE. Es necesario desarrollar la investigación de tecnologías para detectar las huellas moleculares de los REE en los materiales. Se necesitarán diseños y herramientas para mantener, operar, gestionar y compartir estas plataformas distribuidas de big data de REE. Los estándares de la industria también serán cruciales.

También será necesaria más investigación sobre el diseño de modelos de negocio y cadenas de suministro. Por ejemplo, ¿cuál es la red logística óptima? ¿Cómo se pueden crear cadenas de suministro resilientes para REE para industrias clave bajo diferentes perspectivas macroeconómicas?

Los modelos de negocio podrían ser lucrativos. Los sistemas de rastreo pueden permitir el arrendamiento de minerales REE10, un sistema en el que estos minerales no se venden, sino que se alquilan por un período de tiempo. Sin embargo, persisten barreras legales, contractuales y procesales. Un gran desafío es determinar quién debería ser propietario de los materiales REE, así como de los servicios ambientales en una cadena de suministro. ¿Deberían ser los extractores de minerales originales que normalmente operan en regiones de bajos ingresos o los fabricantes de alto valor agregado con sede en regiones privilegiadas? ¿Qué pasa si los arrendamientos son propiedad de partidos corruptos? ¿Debería un reprocesador situado entre un cliente final y un mercado secundario poder reclamar su propiedad?

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Las empresas usuarias finales de REE tienen interés en mantener la propiedad de los materiales reciclados. Las políticas y prácticas de las organizaciones a lo largo de las futuras cadenas de suministro necesitarán investigación y ajustes, incluido el desarrollo de infraestructuras de reciclaje, finanzas, plataformas, trazabilidad y estándares de intercambio de información. Considerar modelos de prestación de servicios y arrendamiento para REE podría significar nuevos acuerdos comerciales, en los que se deberían aplicar tecnologías de rastreo. Los países que llevan a cabo su propia gestión de materiales desde la extracción hasta la fabricación podrían tener sistemas internos, pero la cooperación en sistemas globales requeriría estándares cuidadosamente establecidos y acuerdos de derecho internacional.

La colaboración global podría no ser tan difícil como se imaginaba en esta era de relocalización y enfoque doméstico. A algunos países podría resultarles atractivo detener el contrabando de REE y agregar valor a las redes industriales globales. La colaboración entre China, la UE, Estados Unidos y otras naciones podría fomentarse mediante la construcción de una base de datos internacional sobre REE con pronósticos, el desarrollo del comercio justo de REE y otros estándares. Esta colaboración podría reavivar el comercio internacional y ampliar las asociaciones globales en materia de transiciones energéticas. Las políticas y prácticas de la economía circular pueden mitigar las preocupaciones sobre las REE y erosionar la mentalidad de suma cero.

Naturaleza619, 248-251 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02153-z

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Nuestro estudio cuenta con el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias de China (número de subvención: 72088101; 71810107001).

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