Đất hiếm là một nhóm gồm 17 kim loại có đặc tính từ tính, điện tử và hóa học độc đáo, đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu. Bài viết này tập trung phân tích bốn nguyên tố đất hiếm chính được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu: neodymium (Nd), praseodymium (Pr), dysprosium (Dy) và terbium (Tb). Nhu cầu về các nguyên tố này đang tăng mạnh, chủ yếu do sự phát triển của xe điện và điện gió, trong khi nguồn cung chủ yếu tập trung tại Trung Quốc. Bài viết phân tích các thách thức hiện tại, xu hướng phát triển, và đề xuất các giải pháp nhằm đảm bảo nguồn cung đất hiếm đa dạng, bền vững và có trách nhiệm để đáp ứng mục tiêu chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu.
1. Giới thiệu về đất hiếm
Đất hiếm (Rare Earth Elements – REEs) là một nhóm gồm 17 kim loại mềm màu trắng bạc có đặc tính từ tính, điện tử và hóa học độc đáo. Mặc dù có tên gọi là “đất hiếm”, các nguyên tố này không thực sự hiếm trong vỏ Trái đất, nhưng chúng hiếm khi được tìm thấy ở dạng tinh khiết và thường phân tán trong các khoáng chất khác, khiến việc khai thác và tinh luyện trở nên phức tạp và tốn kém (International Energy Agency [IEA], 2023). Đất hiếm thường được chia thành hai nhóm: đất hiếm nhẹ (LREE) và đất hiếm nặng (HREE), với các đặc tính và ứng dụng khác nhau.
Bốn nguyên tố đất hiếm chính được sử dụng trong nam châm vĩnh cửu là neodymium (Nd), praseodymium (Pr), dysprosium (Dy) và terbium (Tb). Nam châm đất hiếm neodymium-sắt-boron (NdFeB) có khả năng tạo ra từ trường mạnh gấp 1,5-2 lần so với nam châm ferrite truyền thống, giúp giảm kích thước và trọng lượng của động cơ điện đồng thời tăng hiệu suất năng lượng (Goodenough et al., 2022). Chính nhờ đặc tính này mà đất hiếm trở thành thành phần không thể thiếu trong nhiều công nghệ xanh hiện đại.
2. Nhu cầu tăng mạnh từ xe điện và điện gió
Nhu cầu đất hiếm nam châm toàn cầu đạt khoảng 93.000 tấn vào năm 2023, tăng đáng kể so với những năm trước. Theo kịch bản cam kết khí hậu (APS) của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, nhu cầu sẽ tăng lên 134.000 tấn vào năm 2030 và 169.000 tấn vào năm 2040. Trong kịch bản tham vọng hơn như Net Zero Emissions (NZE), nhu cầu đất hiếm nam châm có thể đạt 148.000 tấn vào năm 2030 và 176.000 tấn vào năm 2040 (IEA, 2023).
Đáng chú ý, tỷ trọng sử dụng đất hiếm trong các công nghệ năng lượng sạch đã tăng từ 14% năm 2021 lên 18% năm 2023, và dự kiến sẽ đạt 35% vào năm 2030 trong kịch bản APS và 42% trong kịch bản NZE. Đến năm 2050, tỷ lệ này tăng lên khoảng 40% (Adamas Intelligence, 2023). Sự tăng trưởng mạnh mẽ này phản ánh vai trò ngày càng quan trọng của đất hiếm trong quá trình chuyển đổi năng lượng xanh.
Động cơ điện cho xe điện (EVs) là lĩnh vực có mức tăng trưởng mạnh nhất, với tỷ trọng dự kiến tăng từ 7% hiện nay lên gần 30% tổng nhu cầu vào năm 2050. Một chiếc xe điện tiêu chuẩn sử dụng khoảng 1-2 kg nam châm neodymium, tạo ra từ trường mạnh giúp tăng hiệu suất và phạm vi hoạt động (Zhou et al., 2023). Tuabin gió, đặc biệt là các hệ thống truyền động trực tiếp không hộp số, cũng đóng góp đáng kể vào nhu cầu đất hiếm, chiếm khoảng 15-20% tổng nhu cầu. Một tuabin gió 3 MW có thể chứa tới 600 kg nam châm đất hiếm trong bộ phận phát điện (Goodenough et al., 2022).
Ngoài xe điện và tuabin gió, đất hiếm cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác như thiết bị điện tử, máy nén, động cơ công nghiệp và cáp quang. Nhu cầu từ các lĩnh vực này tuy không tăng nhanh như xe điện và năng lượng gió, nhưng vẫn đóng góp đáng kể vào tổng nhu cầu đất hiếm toàn cầu.
3. Nguồn cung: Sự thống trị của Trung Quốc
Sản lượng đất hiếm khai thác đạt khoảng 75.000 tấn vào năm 2023, với Trung Quốc chiếm 62% sản lượng toàn cầu, tiếp theo là Myanmar (14%) và Mỹ (9%). Dựa trên các dự án đã công bố, sản lượng đất hiếm khai thác dự kiến sẽ tăng lên 107.000 tấn vào năm 2030 và 114.000 tấn vào năm 2040 trong trường hợp cơ sở (U.S. Geological Survey [USGS], 2024).
Về tinh luyện, sự tập trung còn cao hơn nhiều, với Trung Quốc chiếm 92% sản lượng đất hiếm tinh luyện toàn cầu, Malaysia và Mỹ chiếm phần còn lại. Sản lượng tinh luyện dự kiến tăng lên 106.000 tấn vào năm 2030 và 110.000 tấn vào năm 2040, với Trung Quốc vẫn duy trì vị thế thống trị với 77% thị phần (Adamas Intelligence, 2023). Sự thống trị này của Trung Quốc không chỉ ở khâu khai thác mà còn ở toàn bộ chuỗi giá trị, từ tinh luyện đến sản xuất nam châm và các sản phẩm cuối cùng.
Nguồn cung đất hiếm đối mặt với nhiều thách thức độc đáo. Khai thác đất hiếm thường tạo ra các phụ phẩm phóng xạ như uranium và thorium, đòi hỏi cơ sở hạ tầng và quy định nghiêm ngặt để xử lý an toàn (Paulick & Machacek, 2023). Ngoài ra, có sự mất cân đối giữa nhu cầu và nguồn cung đối với các loại đất hiếm khác nhau.
Đất hiếm nhẹ (LREE) như neodymium và praseodymium chủ yếu được khai thác từ mỏ Bayan Obo ở Nội Mông (Trung Quốc), nguồn cung lớn nhất thế giới cho hai nguyên tố này. Trong khi đó, đất hiếm nặng (HREE) như dysprosium và terbium chủ yếu từ các mỏ sét hấp phụ ion ở miền nam Trung Quốc, Myanmar và Lào (IEA, 2023). Sự khác biệt trong phân bố địa chất này làm tăng thêm độ phức tạp cho việc đa dạng hóa nguồn cung đất hiếm.
4. Thách thức chính
Tập trung nguồn cung cực cao là thách thức lớn nhất đối với thị trường đất hiếm. Đất hiếm nam châm là khoáng sản có mức độ tập trung tinh luyện cao nhất trong số các khoáng sản quan trọng, với Trung Quốc dự kiến sẽ chiếm 77% thị phần vào năm 2030 (IEA, 2023). Sự tập trung này tạo ra rủi ro địa chính trị đáng kể cho chuỗi cung ứng toàn cầu.
Rủi ro địa chính trị đặc biệt đáng quan tâm trong trường hợp của đất hiếm. Trung Quốc đã nhiều lần sử dụng vị thế thống trị trong thị trường đất hiếm làm công cụ ngoại giao, như trong tranh chấp với Nhật Bản năm 2010 và gần đây là các biện pháp kiểm soát xuất khẩu năm 2022 (King & Wills, 2023). Các động thái này gây lo ngại về an ninh cung ứng và thúc đẩy nhiều nước tìm kiếm nguồn cung thay thế.
Quản lý chất thải phóng xạ từ quá trình khai thác đất hiếm cũng là một thách thức lớn. Theo báo cáo của tổ chức Mining Watch, chỉ có khoảng 17% các hoạt động khai thác đất hiếm toàn cầu tuân thủ Tiêu chuẩn Công nghiệp Toàn cầu về Quản lý Đuôi quặng (GISTM) (Paulick & Machacek, 2023). Việc xử lý không đúng cách các chất thải này có thể gây ô nhiễm môi trường và các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.
Thiếu minh bạch về giá là một rào cản khác trong thị trường đất hiếm. Không giống như nhiều kim loại khác được giao dịch trên sàn giao dịch hàng hóa, thị trường đất hiếm thiếu cơ chế phát hiện giá minh bạch và có thanh khoản thấp. Điều này gây khó khăn cho việc đánh giá dự án và thu hút đầu tư vào các dự án mới (Zhou et al., 2023).
5. Xu hướng phát triển
Một xu hướng đáng chú ý là hoạt động khai thác đất hiếm ở Myanmar. Mặc dù có thông báo về việc đình chỉ khai thác đất hiếm ở bang Kachin từ tháng 9/2023, nhưng thực tế hoạt động khai thác vẫn diễn ra, và lượng xuất khẩu sang Trung Quốc đã tăng 76% so với cùng kỳ năm trước (Adamas Intelligence, 2023). Điều này cho thấy tầm quan trọng ngày càng tăng của Myanmar trong chuỗi cung ứng đất hiếm toàn cầu, đặc biệt là đất hiếm nặng.
Các dự án mới đang được phát triển ở nhiều quốc gia như Australia, Mỹ, Việt Nam và Brazil nhằm đa dạng hóa nguồn cung. Tuy nhiên, các dự án này đối mặt với thách thức về thời gian thực hiện dài (trung bình 8 năm từ khám phá đến sản xuất) và khó khăn trong việc thu hút vốn (King & Wills, 2023). Dự án Nechalacho ở Canada và Mount Weld ở Australia là ví dụ về các dự án đang được đẩy nhanh tiến độ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.
Phát triển năng lực tinh luyện ngoài Trung Quốc cũng là một xu hướng quan trọng. Malaysia đang mở rộng nhà máy tinh luyện Lynas, dự kiến sẽ tăng thị phần từ 5% hiện tại lên 12% vào năm 2030 (IEA, 2023). Tương tự, MP Materials ở Mỹ đang xây dựng cơ sở tinh luyện tại California để xử lý quặng từ mỏ Mountain Pass của họ, thay vì xuất khẩu sang Trung Quốc như hiện nay.
Công nghệ tái chế đất hiếm đang được phát triển nhanh chóng. Các công nghệ mới như Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS) đang được phát triển ở Anh và Pháp, cho phép tái chế nam châm đất hiếm với phát thải CO2 và tiêu thụ nước thấp hơn so với khai thác mới (Goodenough et al., 2022). Công ty Urban Mining ở Mỹ và Less Common Metals ở Anh là những ví dụ về các công ty tiên phong trong lĩnh vực này.
6. Giải pháp đa dạng hóa và bền vững
Đầu tư vào các dự án ngoài Trung Quốc là một giải pháp quan trọng để đa dạng hóa nguồn cung. Các chính phủ đang hỗ trợ tài chính cho các dự án đất hiếm, như khoản vay 600 triệu USD từ Ngân hàng Xuất nhập khẩu Mỹ cho Meteoric Resources và Australian Strategic Minerals (U.S. Department of Energy, 2023). Các hình thức hỗ trợ này giúp giảm rủi ro đầu tư và thúc đẩy phát triển các dự án mới.
Phát triển công nghệ khai thác mới cũng đóng vai trò quan trọng. Khai thác từ đất sét hấp phụ ion (IAC) bên ngoài Trung Quốc đang được nghiên cứu, với các phát hiện đáng kể ở Australia, Brazil và Uganda (Paulick & Machacek, 2023). Các công nghệ khai thác và xử lý này có thể mở ra nguồn cung mới cho đất hiếm nặng, vốn đang thiếu hụt nghiêm trọng nhất.
Cải thiện tỷ lệ tái chế là một hướng đi đầy triển vọng. Trong kịch bản Net Zero Emissions, tỷ lệ tái chế đất hiếm dự kiến tăng lên đáng kể, đạt 30% vào năm 2040 (IEA, 2023). Việc cải thiện thiết kế sản phẩm để dễ tháo rời và thu hồi nam châm, cùng với các cơ chế thu gom hiệu quả, có thể thúc đẩy tỷ lệ tái chế đất hiếm trong tương lai.
Phát triển công nghệ nam châm thay thế cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các công nghệ mới như nam châm nitride sắt (Niron Magnetics’ Clean Earth Magnet) đang được phát triển, mặc dù vẫn đối mặt với thách thức về hiệu suất so với nam châm đất hiếm truyền thống (Zhou et al., 2023). Việc phát triển thành công các nam châm không đất hiếm hoặc giảm hàm lượng đất hiếm có thể làm giảm áp lực lên nguồn cung trong tương lai.
Hợp tác quốc tế ngày càng được coi trọng trong việc đảm bảo an ninh cung ứng đất hiếm. Các sáng kiến như Minerals Security Partnership (MSP) tập hợp 14 quốc gia và EU để phát triển các dự án khoáng sản chiến lược, bao gồm đất hiếm (King & Wills, 2023). Những nỗ lực hợp tác này có thể tạo ra sức mạnh tổng hợp và chia sẻ rủi ro trong việc phát triển nguồn cung mới.
7. Kết luận
Đất hiếm là ví dụ điển hình về cách các nguyên tố có thể đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất công nghệ năng lượng sạch mặc dù được sử dụng với số lượng nhỏ. Nam châm đất hiếm trong động cơ xe điện và tuabin gió giúp tăng hiệu suất năng lượng 20-40% so với động cơ thông thường (Goodenough et al., 2022). Điều này giải thích tại sao các nguyên tố này trở nên quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu.
Tuy nhiên, sự tập trung cao độ trong chuỗi cung ứng đất hiếm đặt ra thách thức đáng kể cho an ninh năng lượng toàn cầu. Việc Trung Quốc kiểm soát phần lớn chuỗi giá trị đất hiếm, từ khai thác đến tinh luyện và sản xuất nam châm, tạo ra rủi ro gián đoạn cung ứng và biến động giá. Các biện pháp kiểm soát xuất khẩu gần đây của Trung Quốc đối với một số loại đất hiếm càng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đa dạng hóa nguồn cung.
Để đạt được mục tiêu khí hậu, việc đảm bảo nguồn cung đất hiếm đa dạng, bền vững và có trách nhiệm là nhiệm vụ cấp thiết đối với các nhà hoạch định chính sách, nhà đầu tư và ngành công nghiệp. Các giải pháp như phát triển các dự án mới ngoài Trung Quốc, cải thiện công nghệ tái chế, phát triển vật liệu thay thế và tăng cường hợp tác quốc tế đều đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng chuỗi cung ứng đất hiếm bền vững.
Cần có sự phối hợp giữa các chính sách công và đầu tư tư nhân để vượt qua các rào cản về chi phí và rủi ro trong việc phát triển nguồn cung mới. Đồng thời, cần chú trọng đến các tác động môi trường và xã hội của việc khai thác đất hiếm, đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi sang năng lượng xanh không chỉ giảm phát thải carbon mà còn bền vững về mọi mặt.
Tài liệu tham khảo
Adamas Intelligence. (2023). Rare earth elements market outlook 2023-2030. Adamas Intelligence.
Goodenough, K. M., Wall, F., & Merriman, D. (2022). The rare earth elements: Demand, global resources, and challenges for resourcing future generations. Natural Resources Research, 31(4), 1451-1477.
International Energy Agency (IEA). (2023). Critical minerals market review 2023. https://www.iea.org/reports/critical-minerals-market-review-2023
King, A., & Wills, S. (2023). Geopolitics of critical minerals: Rare earth elements supply security in the energy transition. Energy Research & Social Science, 96, 102952.
Paulick, H., & Machacek, E. (2023). Environmental impacts of rare earth mining and processing: Challenges and opportunities for improvement. Resources, Conservation and Recycling, 189, 106697.
U.S. Department of Energy. (2023). Critical materials assessment 2023: Supply chains for clean energy transition. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.
U.S. Geological Survey (USGS). (2024). Mineral commodity summaries 2024: Rare earths. U.S. Geological Survey.
Zhou, B., Li, Z., & Chen, C. (2023). Global transition to clean energy: Challenges and opportunities for rare earth supply chains. Nature Sustainability, 6(4), 383-393.
