Usos y desafíos de las tierras raras en el sector energético

Las tierras raras tienen un papel muy importante en las energías renovables y las baterías, lo que las convierte en uno de los pilares de la transición energética. Por ello, hoy en día no podemos pensar en la transición energética sin tener en cuenta las tierras raras.

¿Qué son las tierras raras?

Se denominan tierras raras a los 17 elementos de la tabla periódica del grupo de los lantánidos, actínidos, el escandio y el itrio. La concentración de estos elementos en la corteza terrestre es poco común y se requiere un proceso más complejo de extracción para conseguir una cantidad pequeña.

 Tierras raras en la tabla periódica. Fuente: ECyT

 

Historia de las tierras raras

En 1787 Carl Axel Arrhenius descubrió un mineral desconocido en un pueblo de Ytterby, Suecia. Este mineral contenía varios elementos poco comunes que más tarde se denominaron “tierras raras”.

En el siglo XX se descubrió que estos elementos tenían propiedades magnéticas y empezaron a utilizarse con diferentes finalidades. A principios del siglo XXI, el desarrollo de la tecnología provocó el aumento de la demanda de tierras raras.

Principales yacimientos de tierras raras

Los yacimientos de tierras raras se encuentran distribuidos en diferentes regiones del mundo. Siendo esta distribución uno de los principales problemas de estos elementos, dando poder a los países que disponen de ellos.

Los países que disponen de los yacimientos más importantes son:

1. China: principal productor de tierras raras a nivel mundial alberga uno de los mayores yacimientos en Bayan Obo. China ha invertido considerablemente en la extracción y procesamiento de las tierras raras, lo que le ha permitido tener una posición dominante.

Mina de Bayan Obo. Fuente: ejatlas

 

2. Estados Unidos: dispone de varios importantes yacimientos de tierras raras pero en los últimos años ha disminuido su producción. El yacimiento de Mountain Pass en 2020 producía un 15,8% de la producción mundial. La mina cerró en 2002 a causa de la presión de la regulación medioambiental. Mountain Pass volvió a abrir sus puertas unos años después, pero no pudo aguantar la fuerte competencia de Asia y acabó cerrando en 2017.
3. Rusia: tiene yacimientos significativos de tierras raras, entre los que se encuentra el depósito de Lovozersky.

Entre otros países con importantes yacimientos encontramos a Australia, India, Brasil, Malasia, Vietnam, Sudáfrica, Canadá y Groenlandia. 

En la lista de la comisión europea de materiales críticos (materiales que tienen riesgo de suministro) podemos apreciar fácilmente qué países tienen la mayor producción de estas tierras raras.

Países con mayor cuota de abastecimiento de materiales críticos en la UE. Fuente: European Commission

 

Extracción de las tierras raras y su contaminación

Las tierras raras se extraen de los yacimientos utilizando varias técnicas según el tipo de mineral y la ubicación del yacimiento. Las técnicas más comunes son:

• Minería a cielo abierto
• Minería subterránea
• Perforación
• Fracking
• Minería in situ

Una vez han sido extraídas se someten a los procesos de separación y refinamiento para poder obtener los compuestas y óxidos que se utilizarán en sus distintas aplicaciones.

Este proceso de extracción, separación y refinamiento puede generar un impacto negativo en el entorno si no se cumple un riguroso control medioambiental. Este es el caso de países menos estrictos como Asia, donde la extracción de las tierras raras genera un impacto ambiental considerable.

A continuación, se describe la contaminación asociada a la extracción de tierras raras:

1. Contaminación del agua: Durante el proceso de extracción y procesamiento, se utilizan productos químicos que pueden filtrarse al suelo y llegar a fuentes subterráneas y superficiales, afectando a la calidad del agua. Otros residuos líquidos como los lodos pueden contener elementos tóxicos y metales pesados que presentan un riesgo para la vida acuática y la salud humana.
2. Contaminación del suelo: Para extraer las tierras raras, se debe remover una gran cantidad de suelo y roca que implica la destrucción del ecosistema terrestre. Además, los productos químicos anteriormente mencionados, pueden filtrarse en el suelo afectando a la capacidad del suelo, afectando a los ecosistemas locales y la producción agrícola.
3. Generación e residuos tóxicos: los residuos de la extracción de las tierras raras, contienen elementos radioactivos, metales pesados y sustancias químicas. De no manejarse estas sustancias correctamente se puede dañar el ecosistema de la zona.
4. Emisiones de gases de efecto invernadero: La extracción y procesamiento tiene un alto consumo energético que deriva en grandes emisiones de gases de efecto invernadero.

Estos impactos han provocado que muchos países reduzcan su producción de tierras raras y opten por cubrir sus necesidades con la producción de otros países. En el caso de China, principal productor, la regulación medioambiental menos rígida supone un mayor peligro para el impacto global.

Principales usos de las tierras raras en la energía

• Paneles solares fotovoltaicos: 

Las tierras raras desempeñan un papel clave en la producción de células fotovoltaicas, que son los componentes fundamentales de los paneles solares.

Uno de los elementos de tierras raras más utilizados en las células fotovoltaicas es el silicio. El silicio dopado con pequeñas cantidades de elementos de tierras raras, como el gadolinio o el praseodimio, permite mejorar la eficiencia de absorción de la luz solar. 

Además, se han realizado investigaciones para utilizar otros elementos de tierras raras en las células fotovoltaicas, como el telurio y el germanio. Estos elementos pueden mejorar aún más la eficiencia de conversión y permitir la producción de paneles solares más eficientes y rentables.

• Turbinas Eólicas: 

En las turbinas eólicas, se utilizan imanes de neodimio-hierro-boro, que contienen elementos de tierras raras, como el neodimio y el disprosio. Estos imanes son fundamentales para la generación de electricidad en turbinas eólicas de alta eficiencia. Los imanes de tierras raras tienen propiedades magnéticas superiores, como una alta coercitividad y una alta temperatura de Curie, lo que permite la generación de campos magnéticos más fuertes y una mayor eficiencia de conversión de energía.

• Baterías:

Se utilizan tierras raras en baterías de Litio y baterías de Niquel-Metal Hidruro.

Las baterías de iones de litio son ampliamente utilizadas en una variedad de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía a gran escala. Estas baterías son conocidas por su alta densidad de energía, su larga vida útil y su capacidad de recarga.

En las baterías de iones de litio, las tierras raras desempeñan un papel clave en la composición de los cátodos y electrolitos. Los cátodos de las baterías de iones de litio suelen estar compuestos de óxidos de metales de transición, como el cobalto, el níquel y el manganeso. Las tierras raras, como el lantano, el cerio y el praseodimio, se utilizan como aditivos en los cátodos para mejorar la eficiencia de carga y descarga de la batería.

Estos aditivos de tierras raras ayudan a estabilizar la estructura del cátodo, mejorar la conductividad iónica y reducir la degradación de los materiales durante los ciclos de carga y descarga. Como resultado, las baterías de iones de litio que contienen tierras raras pueden tener una mayor capacidad de almacenamiento, una mayor eficiencia energética y una vida útil más larga.

Las baterías de níquel-metal hidruro (Ni-MH) son otra tecnología de batería recargable ampliamente utilizada en dispositivos electrónicos, herramientas eléctricas y vehículos híbridos. Estas baterías ofrecen una alternativa más respetuosa con el medio ambiente en comparación con las baterías de níquel-cadmio, ya que no contienen materiales tóxicos.

Las tierras raras, como el lantano y el neodimio, se utilizan como aditivos en la aleación de hidruro metálico, que actúa como ánodo en la batería. Estos aditivos de tierras raras ayudan a aumentar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en el ánodo, lo que se traduce en una mayor capacidad de la batería y una mayor eficiencia energética.

Además, las tierras raras también pueden mejorar la resistencia a la corrosión y la estabilidad térmica de la batería de Ni-MH, lo que contribuye a una vida útil más larga y un mejor rendimiento en condiciones adversas.

• Vehículos eléctricos:

Los imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), que contienen elementos de tierras raras como el neodimio, se utilizan en los motores de tracción de los vehículos eléctricos. Estos imanes generan un campo magnético potente y estable, lo que permite una mayor eficiencia y rendimiento del motor. Los motores de tracción de imanes de tierras raras son más compactos, ligeros y eficientes en comparación con los motores convencionales, lo que contribuye a mejorar la autonomía y la eficiencia energética de los vehículos eléctricos.

También podemos encontrar tierras raras en los imanes y bobinas de los convertidores de potencia para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los sistemas de propulsión de los vehículos eléctricos.

Desafíos de las tierras raras

Uno de los principales desafíos es que China es el principal productor y exportador de tierras raras en el mundo, lo que produce una preocupación directa en cuanto a la seguridad de suministro y la volatilidad de los precios. Estas fluctuaciones afectan directamente a la viabilidad de los proyectos renovables y baterías, lo que podría suponer un freno a la transición energética.

Una estrategia fundamental para garantizar la sostenibilidad de las tierras raras es la diversificación de las fuentes de suministro. En lugar de depender en gran medida de un solo país o región, es necesario buscar y desarrollar nuevas fuentes de tierras raras en diferentes partes del mundo. Si la producción se realiza de manera más “local” se puede llevar un mayor control del impacto ambiental que se está ocasionando.

Por otro lado, el impacto medioambiental de las tierras raras debe controlarse mediante una regulación estricta que minimice el impacto ambiental. Además, el transporte de las tierras raras también implica una huella ambiental significativa.

Actualmente se está promoviendo la investigación y desarrollo de alternativas y sustitutos a las tierras raras tanto en energías renovables como en baterías. Estos otros materiales podrían reducir la dependencia que existe actualmente e incluso reducir el impacto medioambiental que producen.

En último lugar, el reciclaje y reutilización de las tierras raras son esenciales para reducir el impacto y la dependencia de la nueva extracción de las mismas

Agnès Lomascolo  |  Energy consultant at Magnus Commodities