Два тематических исследования инноваций в области переработки никеля.
автор: Райан Алименто
Тяжелая промышленность, капитальные затраты которой в среднем составляют сотни миллионов долларов, а итерационные циклы длятся десятилетия, обладает своего рода технологической инерцией, что делает ее крайне устойчивой к прорывным инновациям, которые часто наблюдаются в потребительских товарах и программном обеспечении. Для многих химических и металлургических товаров изменение действующего производственного процесса является беспрецедентным в современной истории. Все алюминиевые заводы в мире работают по технологии Hall-Héroult, и мы полагаемся на технологию Haber-Bosch для создания наших глобальных запасов аммиака, несмотря на то, что эти два процесса были изобретены в 1886 и 1913 годах соответственно.
Вместо этого большинство промышленных инноваций позволяют повысить эффективность на минимальном уровне. Установка нового типа поддонов в ректификационной колонне или иное управление электролизером расплавленной соли могут повысить эффективность системы на 0,1%, но при этом сэкономить сотни тысяч долларов в год. Относительно небольшие инновации, накопленные с течением времени, позволяют сегодняшним алюминиевым заводам потреблять примерно на 60% меньше энергии на килограмм, чем в начале 1900–х годов, а современные заводы Haber-Bosch могут похвастаться примерно в 4 раза более высокой энергоэффективностью, чем заводы 1930 года.
Но постепенные инновации могут привести нас только к определенному результату. В соответствии с законами термодинамики повышение эффективности в ближайшие десятилетия может начать асимптотически снижаться по мере приближения производственных процессов к их теоретическому максимуму. Энергоемкость процесса выплавки алюминия
Очевидная логарифмическая зависимость расхода электроэнергии при выплавке алюминия с течением времени. Данные Металлургического общества и Международного института алюминия.
Странам, стремящимся поддержать прорывные инновации для достижения целей декарбонизации, реиндустриализации и экономического роста, придется преодолеть высокие барьеры на пути промышленных инноваций. Для достижения успеха может потребоваться новая стратегия, учитывающая уникальные экономические и технические риски, связанные с крупными промышленными проектами. Более детальный анализ нескольких редких случаев массового внедрения нового производственного процесса поможет выработать такое политическое мышление. Два таких случая недавно произошли в никелевой промышленности, превратив Индонезию в мировую столицу никелевой промышленности. История этих процессов показывает, что устойчивый к риску капитал, ясность регулирования и практический технический опыт могут быть тремя основополагающими элементами промышленных инноваций, которые лежат в основе изобретений, масштабирования и коммерциализации.
Как Индонезия стала мировым лидером по переработке никеля?
За последние 20 лет Индонезия пережила стремительный взлет в цепочке создания стоимости никеля. После того, как в 2006 году Индонезия стала крупнейшим экспортером никелевых руд и концентратов, уступив Филиппинам, в 2013 году Индонезия увеличила свой экспорт с 4,4 млн тонн до 58 млн тонн, что в тринадцать раз больше, чем в 2013 году. К 2020 году индонезийский экспорт никелевой руды сократился до нуля, но Индонезия обогнала Китай по производству никелевых полуфабрикатов, прочно став мировым лидером в производстве никелевой продукции среднего назначения. Экспорт никелевой руды и концентратов% от мирового экспорта в массовом выражении
Экспорт никелевых руд и концентратов (HS2604) тремя крупнейшими экспортерами за всю историю, выраженный в процентах от мирового экспорта в массовом выражении. Тысяча метрических тонн никеля, ферроникеля и никелевого передельного чугуна
Производство ферроникеля и никелевого передельного чугуна в Индонезии и Китае — данные из ежегодников Геологической службы США по минералам, таблица 12.
В основе стремительного роста экономики Индонезии лежат два вида сырья: никелевый чугун (NPI) и смешанный осадок гидроксида никеля и кобальта (MHP), которые производятся из низкосортных никелевых латеритных руд, которые считались нерентабельными при старых способах переработки. Технология NPI снижает роль ферроникеля как основного сырья для производства нержавеющей стали, предлагая более дешевую альтернативу, которая содержит меньше никеля, но по химическому составу все еще “достаточно хороша” для сталелитейных предприятий (NPI содержит 4-15% Ni, в то время как ферроникель содержит 20-40% Ni). Аналогичным образом, процесс кислотного выщелачивания под высоким давлением (HPAL) позволяет производителям аккумуляторов приобретать MHP и перерабатывать его в химикаты для производства аккумуляторов на месте, что является более дешевой и оптимизированной цепочкой поставок, чем раздельная покупка никеля и кобальта для производства аккумуляторов у сторонних поставщиков.
Технологии NPI smelting и HPAL превратились в прорывные инновации в современной Индонезии, но их коммерциализация происходила в других странах на протяжении многих десятилетий. Таким образом, опыт Индонезии напрямую связан с условиями, необходимыми для масштабирования и внедрения, а не с отдельной проблемой, связанной с изобретением новых производственных процессов. Чтобы сформировать по-настоящему целостную промышленную стратегию, необходимо вместо этого уменьшить масштаб и извлечь выводы из гораздо более широкой временной и географической области.
Когда летают никелевые чушки: Происхождение никелевого чугуна
Познакомьтесь с Лю Гуанхуо: он бросил среднюю школу и в 1984 году уволился с работы в государственном энергетическом бюро Китая, чтобы посвятить себя металлургии. Лю, который был самоучкой по учебникам металлургии, которые он читал в свободное время, на решение резко сменить профессию его вдохновила блестящая груда никелевой руды десятилетней давности; в 2014 году он сказал Bloomberg, что всегда считал блестящие вещи ценными. После более чем десятилетних экспериментов методом проб и ошибок в старой доменной печи (ДП), оставшейся после «Большого скачка» Китая, в 1997 году Лю преуспел в переработке низкосортных латеритов в NPI. В ближайшие годы он будет совершенствовать и расширять маршрут BF NPI.
Время было выбрано удачно. Лю вывел свою технологию на рынок в 2005-2006 годах, как раз вовремя, чтобы воспользоваться стремительно растущим спросом на нержавеющую сталь, вызванным строительным бумом в Китае. Его компания Huaguang Smelt Group быстро вошла в топ-100 самых прибыльных компаний Китая. Мировые цены на никель в долларах США, 1990-2024 гг.
Цены на никель резко выросли в 2005-06 годах, главным образом из-за строительного бума в Китае.
Лю взял учебники и груду руды, которую Албания продавала Китаю в 1950-х годах, и стал мультимиллионером. На мгновение показалось, что он воплотит в жизнь квинтэссенцию истории о Золушке. Но ранний успех Huaguang также способствовал его вытеснению.
Компания Huaguang не только подвергла сомнению техническую целесообразность переработки латерита, но и выявила четкий рынок сбыта для NPI и продемонстрировала другим потенциальным участникам, что производство может приносить прибыль. Ее зависимость от никелевого пузыря привела к снижению цен и ослаблению спроса после того, как пузырь лопнул в 2007 году, и во время последовавшего за ним финансового кризиса 2008 года. А использование обычных доменных печей ограничивало возможности Huaguang по снижению издержек и приводило к тому, что на предприятия с высоким уровнем выбросов в атмосферу распространялись все более строгие экологические нормы. Лю был пионером в разработке NPI, но его компания не располагала достаточными возможностями для производства продукции дешево и в больших масштабах. Циншань, китайский металлургический гигант, был таким.
Компания Tsingshan начала изучать свой собственный подход к переработке латерита в 2006 году, почувствовав, что NPI “стала основным процессом производства никелевого сырья”. К 2008 году компания Tsingshan построила производственную линию NPI, в которой вместо доменных печей использовались вращающиеся электропечи (RKEFs), и которая была полностью интегрирована с последующим производством нержавеющей стали.
Одиночный RKEF на самом деле представляет собой двухэтапный процесс, при котором руда сначала проходит через вращающуюся печь — большой вращающийся стальной цилиндр с подогревом — для предварительной обработки перед плавкой руды при температуре 1500℃ в плавильной электропечи. На рисунке выше показаны только вращающиеся печи [Источник]
В отличие от Huaguang, которая производила NPI как самостоятельный полуфабрикат для продажи на открытом рынке, Tsingshan обратилась к NPI как к известному производителю нержавеющей стали, заинтересованному в расширении производства. Большинству других фирм, включая Huaguang, было бы трудно оправдать высокие первоначальные затраты и технологические риски, связанные со строительством новой производственной линии RKEF, для реализации потенциально неосуществимого процесса. Но у Tsingshan был устойчивый внутренний спрос на NPI, большой опыт работы с технологией RKEF и явный стимул сократить свое присутствие на рынке после недавнего лопнувшего пузыря и финансового кризиса. В этом уникальном положении анализ затрат и выгод способствовал принятию мер.
Вертикально интегрированный процесс RKEF станет еще более ценным, поскольку Индонезия начнет продвигаться вверх по цепочке создания стоимости никеля. Но изначально компания Tsingshan не планировала строить в Индонезии полноценный трубопровод от добычи до производства металла. Когда индонезийский закон о добыче полезных ископаемых 2009 года вынудил иностранные компании перерабатывать полезные ископаемые на местном уровне, Циншань объявил только о планах строительства латеритного рудника и завода по переработке никеля — без RKEF или выплавки стали — в провинции Моровали. Компания Tsingshan продолжала эксплуатировать свой RKEF в Китае на импортируемых индонезийских латеритах. Но эта схема быстро показала свою неэффективность. Из-за низкого содержания никеля в латеритах большая часть средств, которые компания Tsingshan платила за перевозку за рубеж, была потрачена впустую. Это, в дополнение к надвигающейся тени индонезийского экспортного контроля, переходу производства нержавеющей стали RKEF из руды в металлолом и подписанию Си Цзиньпином важного Меморандума о взаимопонимании в 2013 году, чтобы превратить территорию Моровали в гораздо более крупный промышленный парк, Циншань убедил компанию полностью посвятить себя строительству будущего в Индонезии. За 6 миллиардов долларов и 5 лет интенсивного строительства Циншань превратился, по их словам, из “бесплодного острова”, на котором не было “электричества, сигналов мобильной связи и даже дорог с твердым покрытием”, в промышленную экосистему с портом, взлетно-посадочной полосой, автономными угольными электростанциями, коксохимическим заводом, известковым заводом, кислотный завод и даже отели, больницы и школы.
История создания NPI — это не единичный, решающий момент прорывных инноваций. Скорее, это была серия препятствий на пути внедрения, которые преодолевал тот, кто лучше всех подходил для решения стоящих перед ним задач. Первое препятствие, с которым сталкивается NPI, связано с общим принципом: разработка промышленного процесса требует работы с промышленным оборудованием, достаточно большим, чтобы воспроизводить физику и операционные проблемы реального, полноразмерного производства. К счастью, у Лю был бесплатный доступ к доменной печи, которую он использовал в качестве важнейшего элемента исследовательской инфраструктуры для создания плавильного производства NPI. Позже компания Tsingshan столкнулась с тем же препятствием при внедрении комплексного подхода RKEF. Своим успехом компания обязана не существующей ранее исследовательской инфраструктуре, а уверенности в том, что создание собственной исследовательской инфраструктуры окупит себя в долгосрочной перспективе. После завершения исследований и разработок основной задачей стало масштабирование. Здесь истории Huaguang и Tsingshan разделились. Tsingshan продвинулась вперед, потому что обладала крупными промышленными активами и опытом в области технологических процессов; Huaguang отстала, потому что у нее этого не было. Наконец, Индонезия обеспечила безопасную инвестиционную среду, в которой были снижены риски масштабирования и затраты.
В совокупности пример NPI указывает на менее романтичную модель промышленных инноваций. Новые процессы требуют идей, но они также требуют большой и дорогостоящей исследовательской инфраструктуры, накопленных знаний о процессах, финансовой поддержки, готовой взять на себя риски масштабирования, а также доступа к источникам энергии, портам, транспорту и рабочей силе. Лю создал техническую базу и открыл рынок, Циншань расширил ее, а Индонезия предоставила ей место для коммерциализации.
Происхождение кислотного выщелачивания под высоким давлением
Технология кислотного выщелачивания под высоким давлением (HPAL) для производства МХП разрабатывалась постепенно на протяжении 80 лет.
Первые эксперименты с HPAL были проведены во время Второй мировой войны компанией Freeport, американской горнодобывающей компанией, заинтересованной в переработке кубинских никелевых руд. Промышленная документация 1960 года описывает HPAL как один из многих методов, опробованных в конце 1930—х и 1940—х годах, но в руде было достаточно магния, который действует как губка для серной кислоты, поэтому исследователи отказались от HPAL в пользу метода на основе аммиака.
Возобновившаяся в США озабоченность по поводу поставок никеля, вызванная Корейской войной, дала HPAL новую жизнь. В 1950 году Конгресс принял Закон об оборонном производстве (DPA), который был введен в действие два года спустя, чтобы стимулировать разведку новых никелевых рудников. Компания Freeport обнаружила, что латериты в заливе Моа на Кубе имеют достаточно низкое содержание магния, чтобы потенциально работать с HPAL. Дальнейшие лабораторные испытания подтвердили эту гипотезу, что привело к строительству опытного завода в Луизиане. В 1957 году система DPA была вновь введена в действие на первом в своем роде заводе HPAL в Моа-Бей, построенном по проекту пилота. Сделка включала в себя первоначальное государственное финансирование в размере 100 миллионов долларов и пятилетнее соглашение о выкупе в размере 248 миллионов долларов на общую сумму около 4,2 миллиарда долларов в 2026 году. Но всего через год после того, как в 1959 году Моа-Бей был введен в эксплуатацию, Фидель Кастро национализировал его вместе со всеми другими промышленными объектами на Кубе, принадлежащими иностранцам.
Компания Moa Bay продолжила свою деятельность после национализации и по сей день перерабатывает кубинские латериты. Но в течение десятилетий из-за кубинского эмбарго знания о технологиях HPAL были в основном доступны не западным промышленным сетям, а кубинским операторам и случайным командам советских техников.
Ситуация изменилась после распада Советского Союза в 1991 году. Куба потеряла своего главного торгового партнера, и «Моа Бей» выжила, создав совместное предприятие с канадской горнодобывающей компанией и поставляя смешанный сульфидный осадок (MSP) на нефтеперерабатывающий завод в Альберте. В последующие годы это соглашение продемонстрировало мировым горнодобывающим компаниям, что HPAL может быть коммерчески жизнеспособной за пределами торговой системы Советского блока. Это высмеивало рыночный потенциал HPAL во многом так же, как Хуагуан позже высмеял NPI.
Другие горнодобывающие компании обратили на это внимание, и в конце 1990—х годов три австралийских проекта — Murrin; Bulong и Cawse — решили попробовать свои силы в HPAL. Все три проекта потерпели неудачу во многих аспектах. Среди многих других технических ошибок разработчики не учли высокое содержание магния в австралийских латеритах и стали жертвой ограничения, которое исследователи HPAL выявили сразу. Магний потребляет так много серной кислоты, что, как известно, компания Bulong исчерпала все имеющиеся запасы в Западной Австралии. К списку трудностей добавились и нетехнические проблемы. Например, проекты планировали продавать никель на открытых рынках, что оказывало давление на высшее руководство сократить капитальные затраты за счет сокращения инженерных затрат и ускорения строительства, чтобы быстро выйти на рынок. Из трех первоначальных проектов HPAL в Австралии только Murrin Murrin остается активным на сегодняшний день. Четвертый проект — Ravensthorpe, был построен много лет спустя, оглядываясь назад, но все равно повторил многие из тех же ошибок.
Крупная японская металлургическая компания Sumitomo Metal Mining придерживается иного подхода. В 2000 году она начала технико-экономическое обоснование строительства своего завода в Корал-Бэй на Филиппинах, договорившись о закупке всей продукции для нефтеперерабатывающего завода Sumitomo в Ниихаме, Япония. Избавленные от долгосрочной неопределенности на рынке, инженеры Sumitomo смогли поставить во главу угла усердие и точность, а не соблюдение произвольного графика. Компания Sumitomo также предприняла целенаправленные действия по содействию передаче знаний, доставив филиппинских рабочих в Ниихаму до начала строительства, а затем используя ветеранов Coral Bay в качестве наставников на втором филиппинском заводе в Таганито. Эти действия способствовали достижению выдающихся результатов. И Coral Bay, и Taganito уже через год работали с более чем 85%-ной производительностью, указанной в паспортной табличке; наращивание мощности на всех остальных проектах HPAL, построенных примерно в то же время, заняло вдвое больше времени, и большинство из них даже не приблизились к прежним уровням производства. Единственным исключением является завод Ramu HPAL в Папуа — Новой Гвинее.
Тенденции увеличения мощности установок HPAL, построенных до 2020 года, выраженные в процентах от мощности, указанной на паспортной табличке [Источник]
Завод в Раму был запущен австралийской горнодобывающей компанией, которая примерно через пять лет после начала разработки поняла, что ей не хватает необходимого капитала для завершения проекта. Компания решила продать большую часть акций Ramu Китайской металлургической корпорации (MCC), которая в партнерстве с тремя крупнейшими китайскими предприятиями по производству никеля и стали профинансировала строительство завода стоимостью 2,1 миллиарда долларов и контролировала его работу. Поддержка со стороны этой коалиции обеспечила Раму терпеливый капитал и прочные технические корни, необходимые для достижения успеха.
Китайские инженеры, работавшие над Ramu, изучили тонкости HPAL и хотели перенести этот опыт в Индонезию точно так же, как инженеры Sumitomo перенесли опыт из Ниихамы в Корал-Бэй, а затем в Таганито. MCC руководил технической работой по двум из трех индонезийских проектов HPAL, Obi и QMB. Третий проект, HNC, осуществлялся под руководством GEM, мирового лидера в области переработки аккумуляторных батарей, и включал партнерские отношения с Tsingshan и CATL — крупнейшим в мире производителем аккумуляторов для электромобилей. Все три индонезийских проекта начались с заключения твердых соглашений о поставках с китайскими предприятиями, занимающимися переработкой. У них также было дополнительное преимущество в том, что они использовали готовую инфраструктуру, доступную в растущих индустриальных парках Индонезии, исключив такие важные направления, как разработка месторождений и энергетика. В этих благоприятных условиях Obi, QMB и HNC потребовалось всего три года, чтобы перейти от технико-экономического обоснования к коммерческому производству. По прогнозам, к середине 2026 года несколько предприятий HPAL начнут производство к концу года, что потенциально удвоение мощностей МХП в Индонезии.
Сроки реализации проектов HPAL 21-го века [Источник]
Богатая история компании HPAL подтверждает, что долгосрочное финансирование, гарантированный доход и техническая экспертиза в реальных условиях являются абсолютно необходимыми для успешного промышленного проекта, инновационного или нет. Австралийский HPAL столкнулся с трудностями из-за отсутствия одной или нескольких из этих переменных, которые были четко определены для HPAL в Сумитомо и MCC/Индонезия. Даже Моа-Бей был полностью осмеян благодаря активной поддержке DPA и построен компанией Freeport, которая использовала свой богатый опыт в производстве серы. После десятилетий неудачных стартов и перерасхода средств на миллиарды долларов индустриальные парки Индонезии заработали точно по плану, обеспечив основу для коммерциализации HPAL.
Могут ли другие страны повторить успех Индонезии?
В некотором смысле, история предпринимательского успеха Лю контрастирует с долгим и извилистым путем HPAL к массовому внедрению. В одном случае речь идет о металлурге-самоучке, экспериментирующем в заброшенной доменной печи; в другом — о международной передаче технологий и многомиллиардных компаниях. Но кажущийся контраст лишь поверхностен. В обоих случаях прорывные инновации появились только после согласования одних и тех же ключевых возможностей и многолетней предварительной работы.
Как NPI, так и HPAL были сформированы под влиянием многих факторов, которые здесь подробно не обсуждались: индустриализация Китая, геополитика, соблюдение нормативных требований и, конечно же, удача. Но основная закономерность по-прежнему ясна. Долгосрочная стабильность — будь то благодаря устойчивому развитию рынка или прямым контрактам с переработчиками — дала инвесторам уверенность в том, что они могут делать ставки на миллиарды долларов, а инженерам — время для преодоления технических препятствий.
Вклад Индонезии был небольшим, но неоценимым — она не финансировала ранние эксперименты Лю или экспериментальную установку Freeport, а также не создавала техническую рабочую силу, которую Циншань и MCC привлекли к своим проектам. Скорее, Индонезия создала условия, необходимые для коммерциализации. Активное введение экспортного контроля дало четкий сигнал о том, что переработка никеля все чаще будет осуществляться на суше, в то время как промышленные парки, ставшие надежными благодаря совместной международной инициативе, позволили снизить стоимость и сложность проектов, требующих значительных капиталовложений. Эти условия сделали Индонезию естественным направлением для развития технологий, разработанных в других странах, и способствовали успешному завоеванию Индонезией рынков NPI и HPAL, несмотря на то, что страна решила не проводить собственную программу исследований и разработок внутри страны.
Тематические исследования NPI и HPAL не предполагают, что какая-либо страна может повторить промышленную стратегию Индонезии, особенно при отсутствии сопоставимых ресурсов, зависимости от собственной угольной энергетики и благоприятных рыночных условий. Тем не менее, решающая роль Индонезии в общей истории производства этих двух никелевых полупродуктов демонстрирует, насколько трудными будут прорывные промышленные инновации, если поддерживающие промышленные и инвестиционные экосистемы останутся в дефиците. Без эмпирического знания процессов, устойчивого к риску капитала, стабильного спроса, развитой инфраструктуры и надежных политических сигналов даже самые перспективные технологии на ранних стадиях могут по-прежнему не соответствовать своим коммерческим амбициям.