La crisis del cobre: La carrera contrarreloj por el metal básico de la transición energética

El cobre, metal básico de la transición energética, se enfrenta a un déficit inminente

El cobre, con su inigualable conductividad, durabilidad y versatilidad, es el metal básico de la transición energética. A medida que el mundo adopta la electrificación, el cobre desempeña un papel vital a la hora de permitir una generación, transmisión y almacenamiento de electricidad eficientes. Para ponerlo en perspectiva, una energía eólica terrestre de 1 MW necesita aproximadamente 4,3 toneladas de cobre, mientras que 1 MW de energía solar requiere alrededor de 5,5 toneladas de cobre. Además, un vehículo eléctrico demanda 83 kg de cobre, cuatro veces más que el que necesita un vehículo con motor de combustión. La combinación de la creciente demanda derivada de la transición energética y de las aplicaciones tradicionales hace prever que la demanda mundial de cobre se duplique hasta alcanzar aproximadamente los 2.000 millones de toneladas. 50 millones de toneladas métricas para 2035.

A pesar de su importancia capital, la disponibilidad del cobre se enfrenta a una amenaza inminente debido a la creciente interacción entre el aumento de la demanda y la disminución de la oferta. La calidad de los minerales de cobre no ha dejado de disminuir, con un contenido medio de cobre[MB1] [YY2] en el mineral de cobre cayendo del 4% a principios de siglo a menos del 1% en la actualidad. Debido a la disminución de la ley del mineral y al cierre de minas, se prevé que la producción de las minas de cobre existentes disminuya a un CAGR del 4,7%. entre 2026-2030. Mientras tanto, el proceso de obtención de permisos ha experimentado un aumento constante de su duración, pasando de 3-4 años en 1956 a 16 años en la actualidad para los grandes proyectos de cobre. Teniendo en cuenta estos factores, el inminente déficit de cobre se avecina ya en 2025.

Además, al igual que otros minerales críticos, la extracción y el procesamiento del cobre se concentran en determinadas regiones geográficas. Chile, por ejemplo, se erige como el mayor país minero de cobre del mundo, contribuyendo a aproximadamente 27% de la capacidad mundial de extracción de cobre. Tras Chile, Perú representa el 10% de la producción, mientras que China ocupa la tercera posición con el 8%. Además, China cuenta con importantes operaciones de procesamiento y refinado de cobre, responsables de aproximadamente 40% de las capacidades mundiales de procesamiento de cobre.

El 70% de la reserva mundial de cobre está encerrada en calcopirita

Existen dos tipos principales de menas de cobre presentes en la corteza terrestre: las menas de óxido de cobre y las menas de sulfuro de cobre. Los minerales de óxido de cobre suelen encontrarse más cerca de la superficie y suelen procesarse mediante métodos hidrometalúrgicos. Por otro lado, los minerales de sulfuro de cobre, como la calcosina (Cu2S) y la calcopirita (CuFeS2), suelen encontrarse a mayor profundidad y representan una parte sustancial de los recursos mundiales de cobre. En concreto, la calcopirita (CuFeS2) representa el 70% de la reserva mundial de cobre.

En la actualidad, la extracción de cobre a partir de calcopirita se basa predominantemente en métodos pirometalúrgicos debido a la naturaleza refractaria de la calcopirita y a su lenta cinética de reacción cuando se somete a procesos hidrometalúrgicos. Sin embargo, dado el importante consumo de energía y agua asociado a la pirometalurgia, es crucial mejorar los métodos hidrometalúrgicos para aumentar la eficacia de la extracción del cobre de la calcopirita.

Pirometalurgia, donde la energía se dispara y el agua se derrama

La pirometalurgia constituye actualmente 80% de la producción mundial de cobre primario. El proceso comienza con la trituración y molienda de los minerales de cobre, reduciéndolos a partículas finas. Posteriormente, el proceso de flotación separa el cobre de los minerales de ganga, dando como resultado un concentrado que contiene aproximadamente un 30% de cobre. Este concentrado de cobre se transporta a una fundición, donde se aplica un calor intenso (~1200°C) para separar el cobre de otras impurezas. El proceso de fundición produce una mezcla de cobre fundido, que se somete a un refinado posterior en una instalación especializada para alcanzar una pureza del 99,99%.

Debido a los considerables requisitos energéticos de las fases de molienda y fundición, la producción de 1 tonelada de cobre mediante el método pirometalúrgico consume aproximadamente 42.020 MJ de energía, lo que es comparable al consumo anual de electricidad de un hogar medio estadounidense.

Además de las elevadas demandas de energía, la pirometalurgia también tiene un importante consumo de agua, atribuido principalmente al proceso de flotación. En Chile, un asombroso 540 m3 de agua, equivalentes a unas 4,5 piscinas olímpicas, se utilizan por minuto para la pirometalurgia del cobre. El gran uso de agua del sector minero ha llevado a Chile a poner en marcha un programa de plan de racionamiento de agua y explorar fuentes alternativas como agua de mar a medida que el problema de la escasez de agua se hace cada vez más crítico.

El cuello de botella cinético de la hidrometalurgia con calcopirita

La hidrometalurgia es un método que utiliza un sistema de disolventes acuosos en lugar de altas temperaturas para extraer cobre. La lixiviación en pilas destaca como uno de los enfoques hidrometalúrgicos más comunes para procesar minerales de cobre. Implica el apilamiento de minerales triturados en una pila, que luego se riega con una solución de lixiviación como el ácido sulfúrico. La solución se filtra a través de la pila y disuelve el cobre por el camino. La solución saturada que contiene el cobre disuelto se recoge en el fondo de la pila, y posteriormente se somete a un procesamiento posterior mediante extracción por disolvente y electroobtención.

La hidrometalurgia ofrece varias ventajas sobre la pirometalurgia, entre ellas un menor consumo de energía y agua, y por tanto menos emisiones, así como una menor inversión en CAPEX. Estos factores la convierten en una opción atractiva para procesar minerales de baja ley. Sin embargo, en el caso de la calcopirita por lixiviación en pilas, la reacción tiende a ser lenta e incompleta debido a la naturaleza refractaria de la calcopirita y a la formación de una capa de pasivación en la superficie del mineral de calcopirita durante el proceso de lixiviación. La reacción lenta e incompleta podría traducirse en un mayor OPEX a lo largo de la vida útil del proceso.

Innovaciones en este espacio

Se han dedicado grandes esfuerzos de investigación a comprender la formación de la capa de pasivación y a idear estrategias para mitigar su impacto. Algunos de los temas de innovación más destacados en este espacio son:

– Cepas de bacterias más resistentes que pueden ayudar a regenerar el oxidante, eliminar el azufre elemental en el mineral y generar ácido adicional.. La biolixiviación se aplica a la lixiviación del cobre desde la década de 1950, pero aún escasean los proyectos de biolixiviación de calcopirita a escala comercial debido al escaso avance de la cinética de reacción con este método. Algunos estudios han sugerido que el uso de sal de cloruro a temperatura elevada puede aumentar la tasa de recuperación de cobre, pero las bacterias luchan por sobrevivir en tales entornos. Por ello, los investigadores y las empresas están desarrollando cepas más resistentes para prosperar en esas condiciones de reacción más duras.

–Catalizadores que pueden acelerar la disolución del cobre o la ruptura de la capa de pasivación. Ciertos reactivos, como los que contienen grupos funcionales tiocarbonilo, tienen la capacidad de interrumpir el enlace de azufre responsable de la formación de la capa de pasivación. En consecuencia, la incorporación de estos reactivos en el lixiviante mezcla tiene el potencial de mejorar la tasa de recuperación del cobre.

– Tensioactivos que mejoran la difusión de la solución de lixiviación. A pesar de que los tensioactivos no pueden interrumpir la formación de la capa de pasivación, pueden desempeñar un papel en la mejora de la tasa de recuperación al facilitar la difusión de la solución de lixiviación a través de los poros presentes en la capa de pasivación. Algunas empresas como Locus Mining están desarrollando biosurfactantes para la lixiviación del cobre.

– Oxidantes alternativos. El sistema sulfato férrico-ácido sulfúrico es una mezcla bien estudiada y comúnmente adoptada para la lixiviación del cobre. Se están explorando oxidantes alternativos a los iones férricos, como el cloro, el nitrato, el dicromato, el peróxido de hidrógeno y muchos otros, pero la mayoría aún se están probando a escala de laboratorio.

¿Cómo es el rey de la colina en el espacio de la extracción del cobre?

– Compatibilidad con la infraestructura minera existente y requisitos mínimos para la obtención de permisos. La obtención de permisos es un proceso largo y laborioso, por lo que una empresa de tipo empresarial debe tratar de minimizar la necesidad de infraestructuras adicionales que requieran permisos. La mejor manera de evitar este reto es que la tecnología aproveche la infraestructura existente presente en el emplazamiento de la mina.

– CAPEX u OPEX comparables o inferiores a los de las soluciones convencionales. Para que una solución resulte atractiva para las partes interesadas del sector minero, las inversiones de capital y de explotación no pueden superar significativamente las asociadas a los métodos existentes.

– Aplicabilidad a diferentes leyes y composiciones químicas del mineral de cobre. Pueden existir variaciones significativas en la ley y la composición química del mineral incluso dentro de la misma mina. Para ser considerado realmente escalable, un enfoque debe ser capaz de ofrecer resultados fiables de forma consistente en diferentes yacimientos.

– Alto índice de recuperación del cobre. El método actual de lixiviación en pilas de calcopirita consigue alrededor de un 40-50% de recuperación de cobre con un plazo de 1-2 años. La nueva tecnología debería poder demostrar una mejora del 15-20% con respecto a esta línea de base.

– Bajo impacto medioambiental. El proceso presenta unas emisiones mínimas de gases de efecto invernadero (GEI), uso de agua y generación de residuos.

En TDK Ventures, creemos firmemente que la transición energética es una transición metalúrgica, y estamos comprometidos a apoyar a las empresas que contribuyen al avance de la producción eficiente y sostenible de cobre y minerales críticos. Dentro de nuestra cartera, apoyamos con orgullo a dos empresas excepcionales que abordan este mismo reto. pH7 Technologies se dedica a desarrollar soluciones para extraer cobre y metales preciosos tanto de minerales de baja calidad como de residuos electrónicos, todo ello minimizando el impacto sobre el medio ambiente. Elementos Ascend, por su parte, está especializada en desbloquear y reciclar el cobre y otros minerales de alto valor que se encuentran en las pilas con un enfoque sostenible y muy rentable.