砂漠を破壊せずリチウムを採掘する技術的アーキテクチャが登場
電気モビリティの約束は、あるひとつの鉱物の上に成り立っている。しかしその鉱物を採掘するためには、その砂漠には存在しない水を大量に注ぎ込まなければならない。エネルギー転換の語りを牽引するリチウムは、主としてチリのアタカマ砂漠やネバダ州の広大な乾燥地帯に広がる太陽熱蒸発池から市場に届いている。それらの蒸発池は何キロメートルもの荒地を占有し、商業的に意味のある量の金属を生産するために数カ月から数年もの時間を要する。このプロセスは遅く、物理的に貪欲であり、地球上のごく限られた場所にしか存在しない気候・地理条件に深く依存している。
このシステムには、業界がすでに認識している構造的な限界がある。将来のリチウム需要は、どれだけ多くの蒸発池を建設し、どれだけ多くの土地を犠牲にしても、蒸発池方式では満たすことができない。コロンビア大学工学・応用科学部の研究者たちはこのほど、科学誌『Joule』にその限界を粉飾するのではなく、そのアーキテクチャ全体を迂回しようとする方法論を発表した。
このプロセスは、スイッチャブル溶媒による選択的抽出、英語の頭文字を取ってS3Eと呼ばれる。そのメカニズムは地理的なものではなく熱力学的なものだ。温度に応答する溶媒が、常温で地下塩水から直接リチウムイオンを吸収し、熱を加えると精製された状態でそれらを放出する。その後、溶媒は再生されてサイクルが再び始まる。蒸発池は不要だ。数カ月の待機も不要だ。平坦で乾燥した砂漠への依存もない。
この方法が研究室の枠を超えて重要な理由
Ngai Yin Yip率いる研究チームは、カリフォルニア州の地熱地帯であるソルトン海の条件を再現するよう設計された合成塩水を用いてこのシステムを試験した。ソルトン海は、3億7,500万台以上の電気自動車用バッテリーに供給できる十分なリチウムを埋蔵していると推定されている地域だ。その埋蔵量は存在しているものの、ほとんど手つかずのままである。太陽熱蒸発がその条件と相容れないからだ。地熱水は高温で腐食性があり、化学組成が複雑なため、従来の蒸発池はそこでは機能しない。
S3Eは、注目に値する選択性を実験室試験で実証した。ナトリウムに対して最大10倍、カリウムに対して最大12倍の速度でリチウムを抽出した。この種の塩水で最も一般的かつ問題の多い汚染物質のひとつであるマグネシウムは、別途設けた化学的沈殿工程によって除去される。同じ溶媒バッチを使用した4サイクルの抽出後、チームは利用可能なリチウムの約40%を回収した。研究者たちは、このシステムがまだ概念実証段階にあり、回収率やエネルギー効率の最大化についていまだ最適化されていないことを明確に指摘している。
この透明性のレベル自体が、分析的なデータとして意味を持つ。このプロフィールを持つ科学出版物がこれほど明確に自らの限界を強調することは珍しい。Yipとそのチームがテーブルにのせているのは、完成品ではなく、実現可能性を示し、開発の方向性を切り開く技術的アーキテクチャだ。産業的プレッシャーの下で持続可能かどうか、あるいは研究室と試験プラントの間のギャップで消えていくのかを評価するとき、その違いは重要だ。
そのリスクを大幅に低減するひとつの要素は、このプロセスが必要とするエネルギー源だ。それは低温の熱であり、産業廃熱や低コストの太陽熱集熱器と相性がいい。発電の副産物として地熱インフラがすでに熱を生み出しているソルトン海の文脈では、この互換性は些細なことではない。つまりS3Eは、まったく新しいエネルギー源を必要とせずに既存の操業に統合できる可能性があり、それは初期投資の計算を大幅に変える。
グリーン転換が依然として無視している分配の問題
コロンビア大学の研究は、自動車産業とエネルギーセクターが脱炭素化の語りを構築している時期に登場した。しかしサプライチェーンの観点から見ると、その語りには明らかな亀裂がある。電気自動車はクリーンな技術として語られるが、そのバッテリーに電力を供給するリチウムは、深刻な水ストレスを抱える地域で大量の水を消費し、脆弱な生態系を占有し、メーカーが公表するカーボンバランスにはほとんど登場しない環境負債を残す採掘プロセスによって抽出されている。
このミスマッチは学術的な秘密ではない。欧州の規制当局、厳格なESG基準を持つ一部の投資ファンド、そしてチリやアルゼンチンのいくつかの先住民コミュニティが何年にもわたって記録してきた緊張関係だ。不足しているのは診断ではなく、リチウム生産を現在の環境コストから切り離すことを可能にする技術的アーキテクチャだ。
S3Eはその分離を直接的に目指している。このプロセスが拡張できれば、その利点は操業上のものだけでなく構造的なものでもある。今日の生産マップから外れている埋蔵量へのアクセスを可能にし、世界の二、三の砂漠地帯への地理的依存を低減し、南米のコーン・スルにおいてリチウム採掘を社会的に問題ある存在にしている大量の水への依存を排除する。これらの利点のどれも、今日市場で取引されている炭酸リチウムの単位コストには反映されていないが、それらはすべて誰かが支払っている外部化コストを表している。それは帯水層の劣化、生物多様性の喪失、またはプロジェクトを何年も遅らせる領土紛争という形で現れる。
リチウム採掘の経済学は、見えないコストという古典的な構造を持っている。生産者は収益を獲得するが、環境的・社会的コストは地域コミュニティ、生態系、そして最終的に負債を吸収することになる国家に分散される。S3Eのような方法は、その非対称性を命令によって解決するわけではないが、現在のモデルではそれをほぼ避けられないものにしている技術的条件を変える。
成長のためにリチウムに依存する企業にとって、サプライチェーンに対する精査がますます高まっている中で、領土的フットプリントがより小さく水消費がより少ないリチウムの入手可能性は、単なる環境的改善ではない。それは、今日、事業拡大のスピードに実際のコストをもたらしている規制上・評判上のリスクの低減だ。
これが業界を変えるために必要なこと
コロンビア大学のS3Eは研究室にある。実験室の結果とソルトン海での商業操業の間の距離は、単なる工学上の問題ではない。それには、スケールのファイナンス、技術的リスクに耐性のある産業パートナー、カリフォルニアにおける直接リチウム採掘操業のためにいまだ定義中の規制の枠組み、そして化学組成が変化する実際の塩水での溶媒の挙動に関する学習曲線が必要だ。
4サイクルでの40%回収率は、最適化されていないシステムとしては期待が持てるが、最も進んだ直接リチウム採掘の操業者たち——その一部はすでに試験段階または初期商業段階にある——は、90%に近いか、それを超える回収効率を報告している。このギャップはコロンビアの研究を無効にするものではないが、S3Eがすでに産業的な牽引力を持つシステムと炭酸リチウム換算トン当たりコストで競争できるようになるまでに、どれだけの道のりが残っているかを正確に定義している。
この結果から明確なことは、技術的な方向性が問題の論理と整合しているということだ。リチウムは絶対的な地質学的意味で希少なわけではない。低濃度または高い化学的複雑性を持つ源泉から経済的かつクリーンに採掘することが難しいのだ。大規模な物理的インフラを必要とせずにその選択性を向上させるあらゆる方法は、チェーンの正しい部分を攻略している。温度でスイッチングできる溶媒は、吸着材による採掘、固体膜、または電気化学システムが提供するものとは異なる答えを提供しており、活発に競い合うこのアプローチの多様性こそが、エネルギー転換が単一の技術的ボトルネックに閉じ込められるリスクを低減させている。
Yipは研究のコミュニケーションの中でこのことを正確に言い表した。「私たちはグリーンエネルギーのことを常に語っているが、いくつかのサプライチェーンがどれほど汚れているかについてはほとんど語らない。」この言葉は、意識への呼びかけではない。リチウムに依存して成長しようとするあらゆる企業にとって、具体的な財務的影響をもたらす構造的ミスマッチの描写だ。そのミスマッチをスケーラブルかつ経済的に実行可能な方法で解決する技術は、単なる環境への貢献にとどまらない。それは市場価格を持つ競争優位性となるだろう。コロンビアの研究はまだその価格を持っていないが、すでに正しいアーキテクチャを持っている。
