La llegada del auto eléctrico es una realidad a firme en todo el mundo y Chile tiene las mejores condiciones para ser el mayor proveedor de precursores de litio (carbonato de litio e hidróxido de litio) para las baterías de ion-litio.
Informe especial elaborado por Leonidas Osses Sagredo, ingeniero civil químico, profesor y especialista en minería no-metálica, presidente de la Comisión de Litio del Instituto de Ingenieros de Minas de Chile.
z del mundo entero se mueve rápidamente hacia los autos híbridos y eléctricos, donde el litio y las baterías de ion-litio juegan un rol fundamental. Así, Tesla con su megafactory construida recientemente en Nevada, Estados Unidos, espera fabricar alrededor de 500.000 autos eléctricos en 2018, utilizando en cada unidad una batería ion-litio con capacidad energética de 60 a 90 kWh y con una autonomía de recorrido de entre 400 y 500 km.
Varios países europeos –Noruega, Alemania, Reino Unido– han anunciado que hacia 2025 y 2030 solamente podrán transitar por sus ciudades buses y autos eléctricos. En China, también en las urbes importantes, todos los buses de transporte público deberán ser eléctricos.
La clave de esta tecnología electromóvil es la batería de ion-litio, que está formada por miles de unidades denominadas “celdas electroquímicas”, que a su vez están compuestas por un cátodo de litio del tipo LNCA (litio-níquel-cobalto-aluminio) o LNMC (litio-níquel-manganeso-cobalto), un ánodo generalmente de grafito (natural o sintético), un electrolito (formado por una sal de litio y un solvente orgánico) y un separador de material plástico. El voltaje de esta celda electroquímica unitaria está hoy día entre 3,6 y 4,5 volt. El consumo de litio en una batería ion-litio expresado como carbonato de litio equivalente (LCE) se mueve, en la actualidad, entre 0,75 y 0,8 kg por cada kWh. Así, una batería de 70 kWh (típica de Tesla para su automóvil Modelo S) consumirá de 53 a 56 kg de Li2C03 grado batería.
Varios países europeos han anunciado que hacia 2025 y 2030 solamente dejarán transitar buses y autos eléctricos. En la imagen, punto de carga de Enel Distribución en Chile.
Hoy el mercado mundial de las plantas de baterías ion-litio está representado en más de un 80% por tres países: China, Japón y Corea del Sur. A fines de 2017 ingresaría también EE.UU. a este mercado.
Actualmente la tecnología de los cátodos de litio está basada en los siguientes tipos:
-Cátodo tipo LNMC (LiNiMnCoO2), es decir, litio-níquel-manganeso-óxido de cobalto.
-Cátodo tipo LFP (LiFePO4), es decir, litio-fosfato de fierro.
-Cátodo tipo LCO (LiCoO2), es decir, litio-óxido de cobalto.
-Cátodo tipo LNCA (LiNiCoAlO2), es decir, litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio.
-Cátodo tipo LMO ( LiMn2O4) , es decir, litio-óxido de manganeso.
-Cátodo tipo LTO ( Li4Ti5O12), es decir, litio-óxido de titanio.
Una primera pregunta que surge es ¿dónde abastecerse de litio, cobalto y grafito?, que parecen ser los elementos más escasos o más difíciles de obtener, o con pocos oferentes en el mundo. En el caso del níquel, manganeso y los fosfatos de fierro no habría problemas para su provisión, dada la oferta amplia de estos elementos. La figura 1 muestra la potencialidad de abastecimiento de los materiales críticos de las baterías ion-litio.
Mercado del litio
Para 2017, el mercado mundial del litio se estima en 37.000 toneladas, que equivalen a 197.000 ton de LCE, de las cuales alrededor del 50%, es decir, 18.500 ton de litio metálico estarían destinadas para uso en pilas primarias y baterías, siendo sus aplicaciones en herramientas, computadores, equipos médicos, baterías ion-litio, etc. El restante 50% seguirá siendo utilizado en cerámicas, fármacos, lubricantes, químicos, entre otros.
El abastecimiento actual de litio proviene principalmente de cinco países: Australia (de minerales como el espodumeno), Chile (salmueras de salares), Argentina (salmueras), China (minerales y salmueras) y EE.UU. (salmueras). Chile, a través de las empresas SQM y Albemarle, abastece a alrededor del 38% a 39% del mercado mundial del litio.
En relación a las reservas mineras de litio, Chile posee en el Salar de Atacama en torno a 8,3 millones de ton de litio, que representan el 22% a escala global. Las salmueras de este salar son consideradas las de más altas concentraciones en litio y potasio en el mundo. El cuadro 1 muestra las reservas de litio en el planeta.
En este punto surgen dos preguntas: ¿Si la industria del auto eléctrico e híbrido es una realidad a mediano plazo, cuál será el consumo mundial de litio hacia 2025? ¿La tecnología de la batería ion-litio estará vigente en 2025 o surgirá a corto plazo una nueva batería en la que no esté presente el litio?
El cuadro 2 muestra la tendencia de la demanda mundial de litio para el período 2017-2025, del cual se deduce que el consumo mundial de litio metálico aumentaría desde 37.000 ton/año en 2017 a cerca de 91.000 ton/año para 2025, siendo el consumo en el sector pilas y baterías de 64.000 ton/año de litio metálico equivalente. Para 2025 se estima una producción anual de 7.500.000 de autos eléctricos, que demandarían alrededor de 50.000 ton/año de litio metálico.
Tendencias
En relación a las tecnologías de la batería ion-litio, se puede decir que hoy ella se ha consolidado mayoritariamente en utilizar los cátodos del tipo LNMC (litio-níquel-manganeso-cobalto) y los del tipo LNCA (litio-níquel-cobalto-aluminio). En todo caso, hoy la innovación y la búsqueda de mayor rendimiento energético en estas baterías está bullente y es prioritaria en los países asiáticos, europeos y en EE.UU. Los resultados y avances de los últimos tres años indican que el litio sigue vigente y está presente en todos los nuevos prototipos de baterías que se han probado para la electromovilidad.
Uno de los grandes desafíos de los productores de baterías ion-litio es seguir bajando el precio de las mismas, expresado en US$/kWh. A principios de 2011 éste era de US$900/kWh, mientras a mediados de 2017 ya alcanzaba los US$200/kWh. Así, una batería ion-litio mediana de 25 kWh tendría un precio de US$5.000. La meta es llegar a los US$100/kWh, con lo cual se lograría un mismo nivel respecto a un motor de combustión interna tradicional.
En resumen, pareciera ser que la llegada del auto eléctrico o del tipo híbrido es definitiva y que la batería ion-litio será el corazón o alma máter de esta nueva era automotriz. Sin embargo, en muchos centros de investigación y universidades de EE.UU. y Europa han planteado las siguientes interrogantes: ¿Qué ocurriría en la industria del litio si el precio del barril de petróleo bajara a niveles entre US$25-30 y que además hubiera grandes mejoras tecnológicas en los procesos y costos de producción de los diferentes combustibles que hoy se utilizan en los motores de combustión interna? ¿Es posible mejorar más el rendimiento de los equipos catalizadores de los autos? ¿Podrán todos los países en los próximos 10 a 15 años prohibir en las ciudades el uso de los autos tradicionales de combustión interna?
La reducción del precio de la batería ion-litio a niveles bajo los US$200/kWh, el aumento de la capacidad energética de la batería, el menor tiempo utilizado para la recarga, la mayor seguridad al utilizar electrolito sólido y el menor costo por kilómetro recorrido respecto al auto mecánico tradicional, permiten pronosticar que el auto eléctrico será, en el mediano plazo, preferido y aceptado por los usuarios. Por lo tanto, aun cuando bajara el precio del petróleo, lo que podría ocurrir es que las cantidades demandadas de litio tuvieran un cierto periodo de atraso, pero en el largo plazo el cambio al auto eléctrico será una realidad en todo el mundo.
Bajar el precio del kWh en la batería ion-litio será prioritario en el corto plazo y, por ende, el valor de los precursores de litio, como el carbonato de litio y el hidróxido de litio monohidrato, también debieran estabilizarse en el mediano plazo. Entre junio de 2016 y junio de 2017 el precio del LI2CO3 grado batería en el mercado internacional subió de US$6.800/ton a niveles cercanos a US$11.000/ton, es decir, un incremento del 62%. Con la entrada de nuevos proyectos de litio en Australia, la mayor capacidad de producción de Albemarle en Chile y nuevos proyectos en Argentina, los precios de estos precursores hacia 2020 debieran tender a la baja y nivelarse entre US$9.000 y US$10.000 la tonelada para el LCE.
Qué pasa con el litio en Chile
En Chile las reservas de litio están concentradas en el Salar de Atacama, las cuales ascienden a 8,3 millones de toneladas de litio metálico aprox., representando el 81% a nivel país y el 22% en el mundo. La propiedad minera que ampara estas reservas de litio pertenece al Estado, la cual cubre una superficie de 1.638 km2.
Hoy operan dos empresas privadas, Albemarle y SQM en el Salar de Atacama, ligadas a contratos suscritos con la Corfo en 1980 y 1993 respectivamente. Hacia 2025 la situación proyectada de estas dos compañías sería la siguiente:
- a) Albemarle:
Capacidad de producción: 100.000-120.000 ton/año LCE (estimado a 2025).
Productos: Li2CO3; LiCl; LiOH.
Superficie de operación en el salar: 167 km2.
Contratos y acuerdos con Corfo permiten operaciones hasta 2044 aprox.
- b) SQM:
Capacidad de Producción: 105.000- 115.000 ton/año LCE (estimado a 2025)
Productos: Li2CO3; LiOH
Superficie de operación en el salar: 819 km2.
Fecha de término del contrato de arrendamiento Corfo-SQM: 31 de diciembre de 2030.
Hacia 2025 se proyecta la existencia de “acuerdos totalmente nuevos” entre SQM y el Estado de Chile, que posibilitarían a esta empresa aumentar su producción de litio y comercializar productos de litio hasta 2030, a pesar de que su cuota actual de ventas de productos de litio aprobada por la CChEN (180.100 ton de litio metálico equivalente) se cumpliría hacia 2022/2023 aprox. Dentro de las alternativas, se prevé la entrada del Estado, a través de Corfo o de una Empresa Nacional del Litio, en nuevos proyectos a desarrollarse en el Salar de Atacama.
Se estima que hacia 2025 estas dos empresas estarían produciendo un volumen ascendente a entre 200.000 ton/año y 230.000 ton/año de LCE, representando el 45% de la demanda mundial de litio en esos años.
Una nueva pregunta surge: ¿qué otros proyectos de salares pueden ingresar a este mercado en Chile?
Varios salares distintos al Salar de Atacama han sido estudiados y explorados por Corfo, Sernageomin y empresas privadas entre las regiones de Tarapacá y Atacama, pero del listado con más de 25 potenciales salares, solamente los siguientes depósitos tendrían una eventual posibilidad de explotación a futuro:
– Salar de Maricunga: 145 km2, recursos de 540.000 ton de Li.
– Salar de Pedernales: 335 km2, recursos de 380.000 ton de Li.
– Salar La Isla: 156 km2, recursos de 270.000 ton de Li.
– Sectores colindantes al Salar de Atacama, externos a la propiedad minera de Corfo.
En todo caso, hacia 2025 no se prevé la entrada de nuevos proyectos operativos de litio que se sumen a los actuales del Salar de Atacama, por distintas razones: legales (atomicidad de propietarios de pertenencias mineras, servidumbres de paso, etc., que es el caso de Maricunga); técnicas (complejidades en la química de la salmuera, baja tasa de evaporación, dificultades de suministro de agua industrial, reservas medianas con baja concentración de litio, etc.) y de costos operativos (estimaciones de costos de producción bastante más elevados respecto a los del Salar de Atacama).
A lo anterior debe agregarse que el actual Código de Minería vigente en Chile desde 1983, establece que el litio es no concesible y que éste sólo puede explotarse por el Estado de Chile a través de sus empresas o por un Contrato Especial de Operación, o a través de una Concesión Administrativa, con los requisitos y bajo las condiciones que el Presidente de la República fije, para cada caso, por Decreto Supremo.
Situación de las reservas de litio en el Salar de Atacama
Como se mencionó anteriormente, la mejor y la más grande reserva de litio a nivel mundial se encuentra en Chile, en el Salar de Atacama, en la propiedad minera de Corfo. Considerando las superficies de explotación de las dos empresas que operan en este salar, la distribución de esta reserva de litio se muestra en el cuadro 3.
Dadas las condiciones geológicas, hidrogeológicas y geoquímicas del Salar de Atacama, las salmueras que contienen litio y potasio están ocluidas en poros dentro de una masa salina principalmente de cloruro de sodio hasta una profundidad de 45 a 50 metros. La mejor porosidad se encuentra en los primeros 20 metros de profundidad, con valores de 8% a 14 %. Entre los 30 y 50 metros de profundidad, la porosidad es bastante menor, con valores de 7% a 2 %. La densidad de la salmuera es bastante estable, con un valor de 1,225 gr/cm3. De acuerdo a las curvas de isoleyes de concentración del litio, éstas se mueven entre 0,08% a 0,20% Li, siendo los sectores sur-oeste del Salar los de más alta concentración. En algunos sectores muy específicos, algunos sondajes a más de 100 m de profundidad han indicado la presencia de salmuera, pero con una porosidad de menos del 2%.
A pesar que ambas empresas (SQM y Albemarle) tienen aprobados y vigentes los permisos ambientales para operar en el Salar de Atacama, el nivel de extracción de salmuera fresca ha sido una de las materias de mayor controversia, dado que las estrategias de negocio que aplican estas dos compañías son bastantes diferentes.
Por un lado, Albemarle extrae una cantidad de salmuera con alto contenido de litio y potasio, entre otros elementos, que procesa en el salar y en la planta química en Antofagasta, para recuperar al máximo su contenido de litio en productos finales como carbonato de litio y cloruro de litio (próximamente producirá hidróxido de litio) y, al mismo tiempo, recupera como subproducto la máxima cantidad de potasio en la forma de cloruro de potasio. Es decir, tanto el litio como el potasio son extraídos y recuperados de la salmuera con el máximo rendimiento que los procesos químicos permiten en la actualidad.
En el caso de SQM, la estrategia de negocio aplicada desde 1996 hasta la fecha, ha consistido en extraer la máxima cantidad de salmuera que autoricen los permisos ambientales (por ejemplo, la RCA N°226 de 19.10.2006) y recuperar al máximo el potasio en la forma de cloruro de potasio y de sulfato de potasio. Respecto al litio que acompaña al potasio en la salmuera extraída, su cantidad procesada y vendida es de acuerdo a un calendario aprobado por la CChEN, pero con el agravante de que la cantidad de litio procesada hasta productos finales, es bastante inferior al total de litio que es extraído inicialmente junto al potasio.
Este esquema ha permitido a SQM, en los últimos tres años, extraer salmuera a un nivel promedio anual de entre 1.800 l/s a 1.950 l/s, lo cual ha implicado la extracción de litio metálico de entre 115.000 ton/año y 125.000 ton/año y, por otro lado, el litio recuperado en los productos finales (carbonato de litio e hidróxido de litio) alcanza un nivel de 9.000 a 9.500 ton/año de litio. La gran interrogante es ¿dónde queda el litio remanente?
De acuerdo a los procesos que utiliza SQM en el Salar de Atacama, este litio remanente (105.000 a 115.000 ton/año como litio metálico equivalente aprox.) se explicaría por las impregnaciones en sales de descarte, infiltraciones al salar desde sales de acopio, infiltraciones desde pozas de evaporación, impregnaciones en productos de potasio, precipitaciones como carnalita de litio, impregnaciones en sales de magnesio, precipitaciones como sulfato doble de potasio y litio, pérdidas en los procesos de la planta química. Sin embargo, los balances generales de masa de litio no explican en un 100% el destino final del producto remanente, el cual estaría involucrando una gran pérdida para el Estado de Chile, si este litio no es posible de recuperar a futuro.
Otro de los aspectos importantes y que puede tener serias consecuencias futuras, es conocer la intensidad de los caudales de extracción de salmuera que realiza SQM en los sectores denominados MOP (Muriato de Potasio) y SOP (Sulfato de Potasio), y conocer también el total de salmuera extraída y acumulada a la fecha desde el inicio de sus operaciones y sus proyecciones hacia 2025.
Hoy día el sector MOP, donde se extrae la salmuera para la producción de cloruro de potasio y solución concentrada de litio (6% Li) tiene una superficie estimada entre 260 y 270 km2 y se ubica en el sector sur-oeste del salar. Es el área donde la salmuera fresca contiene las mejores concentraciones de litio y potasio (es el “filete” del sector arrendado por Corfo a SQM).
De acuerdo a las estimaciones de sales de potasio producidas por SQM desde 1996 hasta la actualidad y según toda la información que Corfo desarrolló en sus estudios (1969-1993), la proyección hasta 45-50 metros de profundidad y con una determinada porosidad, indica que la salmuera contenida en esta área estaría agotada hacia 2026-2027, si el caudal total promedio anual de salmuera se sigue extrayendo a un ritmo de 1.800 a 1.950 l/seg, y que la extracción se concentre entre un 80% a 90% en el sector MOP antes definido. La estimación de acuerdo a las altas concentraciones de litio, es que esta zona contiene entre el 40% y el 42% del litio total contenido en el área completa arrendada a SQM.
Frente a un eventual agotamiento de la salmuera en uno de los mejores sectores (MOP) del Salar de Atacama, con altas concentraciones de litio y potasio, urge que SQM dé a conocer las proyecciones de extracción de salmuera a futuro y cuáles serían los mecanismos de control y sustentabilidad en este sector.
El valor agregado a los productos de litio en Chile
De acuerdo al convenio suscrito entre Corfo y Albemarle a comienzos de 2017, para aumentar el valor agregado de los productos de litio que actualmente se producen en Chile, se pronostica que hacia 2025 estarían en operación las siguientes plantas en territorio chileno:
– Planta productora de cátodos de litio tipo LMO y/o LNCA o LMNC o LiFePO4.
– Eventual planta productora de litio metálico.
– Planta productora de material activo para cátodos de litio.
Asimismo, una eventual planta de cátodos de litio y/o de material activo en Chile involucraría una mayor actividad minera para satisfacer las necesidades de cobalto, níquel y manganeso, y eventualmente de grafito (sintético o natural). Todo lo anterior sería reforzado, si en un nuevo acuerdo entre Corfo y SQM se incentivara aún más la elaboración de productos de litio de mayor valor agregado, ofreciendo a empresas nacionales e internacionales un porcentaje de la producción de sales litio a precios preferenciales.
Escenarios
La llegada del auto eléctrico es una realidad a firme en todo el mundo y, en este contexto, Chile tiene las mejores condiciones para ser el mayor proveedor de precursores de litio (carbonato de litio e hidróxido de litio) para las baterías ion-litio. También tiene excelentes condiciones para proveer de productos con mayor valor agregado en esta cadena de valor, ya que dispone de los elementos necesarios para producir litio metálico, materiales activos para producir cátodos de litio, producir cátodos de litio propiamente tal, sea del tipo LMO o LNMC o LNCA, por ejemplo.
Hacia 2025 se espera una demanda total de litio en el mundo ascendente a 484.000 ton/año como LCE, de las cuales Chile, en un primer escenario, estaría abasteciendo alrededor del 45% de ella, con litio extraído del Salar de Atacama. La empresa Albemarle sería uno de los principales proveedores de litio hacia 2025, con una capacidad estimada en 120.000 ton/año de LCE, y se contaría con el suministro eventual de 105.000 a 115.000 ton/año de LCE proveniente de SQM.
Hoy SQM enfrenta un gran dilema en el Salar de Atacama, por un lado su contrato de arrendamiento con Corfo finaliza el 31 de diciembre de 2030 y la cuota total de litio aprobada por CChEN (180.100 ton de litio metálico equivalente), se cumpliría hacia 2022/2023 aprox. Después de esa fecha sólo podría producir y vender sales de potasio y otros como sales de magnesio, sales de sodio y ácido bórico. En ese escenario, todo el complejo de la planta química de SQM en el Salar del Carmen no tendría valor, al menos que le suministraran salmueras concentradas en litio proveniente de otros salares.
Por otro lado, si SQM llega en estos meses a un “nuevo gran acuerdo” con el Estado de Chile, perfectamente podría abastecer al mercado mundial de litio hacia 2025, en un segundo escenario, con una producción estimada entre 135.000 y 140.000 ton/año de LCE, a través de una extracción de salmuera fresca a un ritmo único de 1.500-1.600 l/s y cuyo objetivo sea en primer lugar la recuperación máxima de litio y, como subproducto, la recuperación máxima de potasio en la forma de cloruro de potasio, que podría alcanzar entre 1.500.000 a 1.550.000 ton/año de KCl.
El esquema planteado permitiría, por un lado, asegurar la sustentabilidad del sector MOP de SQM y, por otro, posibilitar al Estado de Chile recuperar al máximo el litio extraído y también permitir su ingreso, a través de alguna de sus empresas, al desarrollo directo de los proyectos en el Salar de Atacama. Considerando que la recuperación global de litio en los procesos de este salar se mueve entre 45% a 53%, la fórmula anterior involucra necesariamente aprovechar los excedentes de litio no utilizados por SQM, los que debieran pasar al control de Corfo para generar nuevos proyectos de este metal. Otro de los beneficiados con un escenario de esta magnitud serían las comunidades atacameñas del sector, que ya están siendo favorecidas con los proyectos que está desarrollando Albemarle.
Hoy SQM tiene una capacidad de producción de 48.000 ton/año de LCE y para pasar a 135.000 – 140.000 ton/año, se necesitarían nuevas inversiones del orden de US$1.000-1.200 millones y los permisos ambientales correspondientes.
Un nuevo gran acuerdo con SQM como el planteado implicaría que hacia 2025 la oferta de litio en Chile podría alcanzar un total de 260.000 ton/año de LCE (120.000 ton/año proveniente de Albemarle y 140.000 ton/año de SQM), es decir, Chile podría llegar a abastecer al 54 % del mercado mundial del litio para entonces.