Critical Mineral and Material Supply Availability and Energy System Development: A Multisector Analysis and Implications

تخيل نظام الطاقة العالمي كمدينة "ليغو" (LEGO) ضخمة وعالية التقنية. لبناء هذه المدينة، تحتاج إلى نوعين مختلفين تماماً من قطع الليغو. أولاً، تحتاج إلى "القطع الضخمة": الكتل الكبيرة والثقيلة والشائعة مثل الفولاذ والألومنيوم والنحاس. هذه هي الأساس؛ فأنت تحتاج إلى أطنان منها لبناء الجدران والطرق وخطوط الطاقة. ثانياً، تحتاج إلى "القطع المتخصصة": القطع الصغيرة والنادرة والمحددة للغاية مثل الليثيوم والنيوديميوم والبلاتين. أنت لا تحتاج إلا لعدد قليل منها، لكنها هي "الخلطة السرية" التي تجعل أضواء المدينة تتوهج، وسياراتها تقود نفسها، وبطارياتها تحتفظ بالشحن.

لفترة طويلة، ظل العلماء قلقين من أننا قد نفد منا قطع "الليغو" النادرة والمتخصصة اللازمة لبناء عالم الطاقة الخضراء في المستقبل. لكن هذه الدراسة تطرح سؤالاً أكبر وأكثر تعقيداً: ماذا لو لم نتمكن من الحصول على كفاية من القطع "الشائعة" أيضاً؟ اتضح أنه إذا لم نتمكن من الحصول على قدر كافٍ من الفولاذ أو النحاس، فإن الأمر لن يوقف بناء شيء واحد فحسب؛ بل سيرسل موجة صدمة عبر مدينة "الليغو" بأكملها. ولأن كل جزء في المدينة مترابط، فإن النقص في منطقة واحدة يجبرك على تغيير طريقة بناء كل شيء آخر، مما يجعل المدينة بأكملها أكثر تكلفة وأصعب في تزويدها بالطاقة. يستخدم هذا البحث نموذجاً حاسوبياً فائق الذكاء لمحاكاة ما يحدث عندما تتقلص إمدادات هذه المواد، موضحاً أن مستقبل طاقتنا لا يتعلق فقط بإيجاد المعادن النادرة، بل بالتأكد من بقاء سلسلة التوريد بأكملها قوية.

---

نقص "الليغو" الطاقي الكبير

قرر فريق من الباحثين من المختبر الوطني لـ "المحيط الهادئ الشمال الغربي" (Pacific Northwest National Laboratory) خوض لعبة "ماذا لو؟" عملاقة باستخدام نموذج حاسوبي متطور يسمى GCAM (نموذج تحليل التغير العالمي). تخيل GCAM كنسخة رقمية توأم لاقتصادنا ونظام الطاقة والبيئة لدينا. أراد الفريق معرفة ما سيحدث إذا لم يستطع العالم فجأة إنتاج ما يكفي من أهم 13 مادة مطلوبة لبناء أنظمة الطاقة المستقبلية لدينا. تشمل هذه المواد العناصر الثقيلة مثل الفولاذ والألومنيوم والنحاس، بالإضافة إلى نجوم "المواد المتخصصة" مثل الليثيوم (للبطاريات)، والنيوديميوم (للمغناطيسات)، والبلاتين (لخلايا الوقود).

في سيناريوهم الرئيسي "المركزي"، تخيلوا عالماً يمكننا فيه الحصول على أي قدر من هذه المواد نحتاجه. ولكن بعد ذلك، أنشأوا سلسلة من السيناريوهات "المقيدة". في هذه المحاكاة، قاموا بتحديد إنتاج هذه المواد اصطناعياً ليكون 25% أو 50% أو 75% فقط مما توقع النموذج أن نحتاجه بحلول عام 2050. لم ينظروا إلى قطاع واحد فحسب، بل راقبوا كيف تنتشر النقص في منطقة ما لتؤثر على الكهرباء والنقل وإنتاج الهيدروجين، وكيف يحاول النظام بأكمله التكيف.

تأثير الارتداد: عندما تنفد قطعة "ليغو" واحدة

أكثر شيء مفاجئ وجدته المحاكاة هو أن النقص لا يبقى في مكانه؛ بل ينتشر مثل الفيروس. اكتشف الباحثون أنه إذا قمت بالحد من إمدادات المواد "الضخمة" مثل الفولاذ أو الألومنيوم أو النحاس، فإن الأمر لا يكتفي فقط بإبطاء بناء محطات الطاقة أو السيارات، بل يجبر نظام الطاقة بأكمله على تغيير استراتيجيته.

على سبيل المثال، إذا تم تقليص إنتاج الفولاذ إلى النصف، تظهر المحاكاة أن قطاع الكهرباء سيتعرض لضربة هائلة. ولأن الفولاذ يُستخدم في كل أنواع محطات الطاقة وخطوط النقل تقريباً، فإن النقص يجعل بناء الطاقة المتجددة الجديدة أمراً باهظ التكلفة. يحاول النظام التكيف عبر التحول نحو مصادر طاقة تستخدم فولاذًا أقل، لكن هذا ليس حلاً مثالياً. والنتيجة؟ بحلول عام 2050، إذا تم تحديد إنتاج الفولاذ بنسبة 50% مما نحتاجه، فإن توليد الكهرباء العالمي سينخفض بنسبة 43%. وإذا تم تحديد النحاس، سينخفض التوليد بنسبة 41%. وإذا تم تحديد الألومنيوم، سينخفض بنسبة 31%.

هذا النقص يغير أيضاً السعر المخصص لطاقتنا. في هذه المحاكاة، يؤدي تحديد إنتاج الفولاذ أو الألومنيوم أو النحاس بنسبة 50% من الطلب إلى ارتفاع جنوني في أسعار الكهرباء في الولايات المتحدة بنسبة تتراوح بين 39% إلى 70% بحلول عام 2050. الأمر يشبه لو تضاعف سعر الإسمنت فجأة؛ فجأة، يصبح بناء منزل رفاهية، ويصبح عدد أقل من الناس قادرين على تحمل تكلفته.

سقوط أحجار الدومينو: السيارات، البطاريات، والبدائل

تصبح القصة أكثر إثارة للاهتمام عندما تنظر إلى قطاع النقل. أظهر النموذج أنه عندما تصبح المواد نادرة، يحاول النظام استبدال تقنية بأخرى، لكن هذا الاستبدال لا يكون دائماً سلساً.

• معركة البطاريات: الليثيوم والجرافيت هما المكونان الرئيسيان للبطاريات في السيارات الكهربائية (BEVs). إذا أصبح هذان المكونان نادرين، تتوقع المحاكاة بناء عدد أقل من السيارات الكهربائية. ولكن إليكم المفاجأة: يحاول النظام سد الفجوة بأنواع أخرى من السيارات. بعض السيارات الكهربائية تتحول إلى بطاريات الصوديوم-أيون (التي لا تستخدم الليثيوم)، والبعض يعود إلى السيارات التي تعمل بالبنزين (مركبات ICE) لأنها تستخدم مواد أقل ندرة.
• تحول خلايا الوقود: يتطلب البلاتين سيارات تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. إذا أصبح البلاتين نادراً، ستصبح تلك السيارات باهظة الثمن، ويتحول النظام عائداً إلى السيارات الكهربائية أو سيارات البنزين.
• التداخل: وجدت المحاكاة أن هذه التغييرات في قطاع واحد تؤثر على القطاعات الأخرى. على سبيل المثال، إذا كان الليثيوم نادراً وتم بناء عدد أقل من السيارات الكهربائية، فإن الطلب على الكهرباء ينخفض. ولكن إذا تحول النظام إلى خلايا وقود الهيدروجين لاستبدال السيارات الكهربائية، فإن الطلب على الهيدروجين يرتفع، مما يتطلب بدوره المزيد من تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين. إنها لعبة "الكراسي الموسيقية" عملاقة حيث لا تتوقف الموسي never.

المواجهة بين "الضخمة" و"المتخصصة"

أحد الاستنتاجات الرئيسية لهذه الدراسة هو الفرق بين المواد "الضخمة" والمواد "المتخصصة".

• المواد الضخمة (الفولاذ، الألومنيوم، النحاس): هذه هي العمال الثقلاء. تشير المحاكاة إلى أن النقص هنا هو الأكثر خطورة على النظام بأكمله. ولأنها تُستخدم في كل شيء، فإن النقص في الفولاذ أو النحاس يسبب أكبر الانخفاضات في إنتاج الطاقة وأكبر الارتفاعات في الأسعار. إنها العمود الفقري لنظام الطاقة، وإذا انكسر العمود الفقري، فإن الجسد كله يعاني. وتحديداً، إذا تم تقليص إنتاج المواد الضخمة إلى النصف، فقد ترتفع تكاليف خدمة المركبات الكهربائية بنسبة تتراوح بين 36% إلى 85%.
• المواد المتخصصة (الليثيوم، النيوديميوم، إلخ): هذه أكثر تحديداً. إذا أصبح الليثيوم نادراً، فإنه يضر بشكل أساسي بتكنولوجيا البطاريات. وإذا أصبح النيوديميوم نادراً، فإنه يضر بشكل أساسي بتوربينات الرياح. وبينما تسبب هذه النقص مشكلات، إلا أن النظام غالباً ما يجد حلاً بديلاً، مثل الانتقال إلى نوع مختلف من البطاريات أو نوع مختلف من توربينات الرياح. ومع ذلك، فإن القيود على هذه المواد المتخصصة لا تزال قادرة على رفع تكاليف خدمة المركبات الكهربائية بنسبة تصل إلى 40%.

الخلاصة: كل شيء مترابط

يؤكد مؤلفو هذه الدراسة أنه لا يمكننا النظر إلى الطاقة والمواد بمعزل عن بعضها البعض. لا يمكنك فقط القول: "نحن بحاجة إلى المزيد من الليثيوم للبطاريات"، دون التفكير في كيفية تأثير ذلك على الفولاذ المطلوب لبناء المصنع الذي يصنع تلك البطاريات، أو النحاس المطلوب لشحنها.

في هذه المحاكاة، وجد الباحثون أن نظام الطاقة مترابط بشكل لا يصدق. فالنقص في مادة واحدة يخلق سلسلة من التفاعلات التي تغير الخيارات التكنولوجية، وتغير مسار إنتاج الطاقة، وتدفع الأسعار للارتفاع في جميع المجالات. تقترح الدراسة أنه لبناء مستقبل طاقة آمن، لا نحتاج فقط للقلق بشأن المعادن النادرة واللامعة، بل أيضاً بشأن المواد الشائعة والثقيلة مثل الفولاذ والنحاس. إذا لم نؤمن إمدادات هذه المواد "المملة" والضخمة، فإن عملية التحول إلى الطاقة الخضراء بأكملها قد تصبح أكثر تكلفة وأبطأ بكثير مما نأمل.

لم تثبت الدراسة أن النقص سيحدث، لكنها حاكت ما سيحدث إذا حدث. الرسالة واضحة: في السباق لبناء مستقبل طاقة نظيفة، نحتاج للتأكد من امتلاكنا لكل قطعة "ليغو" من أي نوع، بدءاً من أصغر ذرة بلاتين وصولاً إلى أثقل عارضة من الفولاذ، وإلا فإن مدينة "الليغو" بأكملها قد تبدأ في الانهيار.