USGS、機械学習でアーカンソーの大規模リチウム潜在量を発表
(usgs.gov)- 電気自動車バッテリー需要が拡大するなか、USGS主導の研究はアーカンソー州南西部の Smackover 層の塩水に500万〜1,900万トンのリチウムが存在する可能性を推定した
- 商業的な回収が可能であれば、この量は2030年の自動車用バッテリー向け世界リチウム需要予測を9倍以上満たす規模である
- 研究チームは水試料の分析と機械学習を組み合わせ、既存試料のない地域まで含めたリチウム分布マップを作成した
- 今回の数値は原位置資源量評価であり、最新の塩水リチウム抽出技術で実際にどれだけ回収できるかはまだ評価していない
- 石油・ガス生産過程における塩水廃棄物流からリチウムを得られるなら、米国の輸入依存度やバッテリー供給網を巡る議論に直接影響を与える可能性がある
アーカンソーの Smackover 層のリチウム潜在量
- USGS主導の研究は、アーカンソー州南西部地下の Smackover 層の塩水に500万〜1,900万トンのリチウムが存在すると推定した
- 商業的に回収できれば、2030年の自動車用バッテリー向け世界リチウム需要予測を9倍以上満たせる可能性がある
- アーカンソー州南部で石油および塩水廃棄物流とともに地表へ上がるリチウムだけでも、現在推定される米国のリチウム消費量を賄えるとUSGSは見積もっている
- 低位推定の500万トンであっても、International Energy Agency の2030年電気自動車向け世界リチウム需要予測を9倍以上上回る水準である
研究手法とデータ
- 研究はUSGSと Arkansas Department of Energy and Environment 傘下のOffice of the State Geologistが協力して実施した
- USGS Brine Research Instrumentation and Experimental lab はアーカンソー州の試料を分析し、これを炭化水素生産過程で得られた過去の水試料データと比較した
- 比較対象には USGS Produced Waters Database のデータが用いられた
- 機械学習モデルは塩水のリチウム濃度と地質データを組み合わせ、地域全体の総リチウム濃度を予測するマップを作成した
- リチウム試料のない地域も予測対象に含まれる
- 研究結果は Science Advances に掲載されており、論文は https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp8149 で確認できる
地質学的背景と回収可能性の限界
- Smackover 層は古代の海の痕跡であり、多孔質・高浸透性の石灰岩地質ユニットがアーカンソー、ルイジアナ、テキサス、アラバマ、ミシシッピ、フロリダの一部の地下に広がっている
- この地層はジュラ紀に形成され、石油と臭素の埋蔵で知られている
- 近年は、深い塩の堆積層に関連する高塩分の水である塩水に含まれるリチウム潜在力でも注目されている
- 今回の推定は、アーカンソー州南西部の Smackover 層に存在する総溶存リチウムを初めて算定したものである
- 研究者の Katherine Knierim は、今回の数値は原位置資源量評価であり、塩水からリチウムを抽出する最新手法によって技術的に回収可能な量は算定していないと述べた
米国のリチウム供給と重要鉱物の文脈
- リチウムはバッテリー生産に不可欠な重要鉱物であり、電気自動車およびハイブリッド車への移行が進むなかで需要増加が続くと見込まれている
- 米国はリチウムの25%以上を輸入に依存している
- USGS Director の David Applegate は、リチウムはエネルギー転換の中核鉱物であり、米国内生産の拡大は輸入代替、雇用、製造、供給網のレジリエンスに関わる含意を持つと述べた
- USGSは1879年から地質、エネルギー、鉱物資源に関する科学情報を提供しており、Energy Act of 2020 に基づく政府のList of Critical Minerals維持の一環として、米国のリチウム生産、需要、輸入を追跡している
1件のコメント
Hacker News の意見
論文の方法論の部分を見ると、どの機械学習アルゴリズムを使ったのかがもう少し詳しく書かれている
アーカンソー州南部全域の Smackover Formation の塩水におけるリチウム濃度を予測するために RF 機械学習モデルを作成し、井戸から採取した塩水サンプルに説明変数を付与し、井戸単位の予測と性能評価のために RF をチューニングしたうえで、Smackover Formation の Reynolds oolite ユニット全体にわたる空間的に連続したリチウム濃度マップを作成し、変数の重要度と影響を調べたとのこと
初期チューニングでは R の tidymodels フレームワークで XGBoost、k近傍法、ランダムフォレストを試したが、ランダムフォレストが一貫してより高い精度と低いバイアスを示したため、最終モデルに使われたという。きちんとチューニングしていれば XGBoost も似たような結果を出したはずだと思うので、ランダムフォレストのほうが良い結果になった点は興味深い
この分野では長い歴史があり、空間的異方性のようなハイパーパラメータのため、クリギング/コクリギング、つまりガウス過程のほうがより一般的に使われる。ただしクリギングは不連続な入力を扱うのがかなり難しく、ランダムフォレストははるかに許容度が高い。離散値に対する共分散モデルや、入力変数間の関係に対する共分散モデルを作る必要がない
数日前にも「Why do Random Forests Work? Understanding Tree Ensembles as Self-Regularizing Adaptive Smoothers」について話していた
https://arxiv.org/abs/2402.01502
https://news.ycombinator.com/item?id=41873968
https://en.wikipedia.org/wiki/Random_forest
それでも実際には、小さくノイズの多いデータでもたいていそういう傾向があるように見える。もっと適切にチューニングしていれば、XGBoost がやはり勝っていたと思う。論文には、著者らが過学習を懸念して最適ではないハイパーパラメータの組み合わせを選んだとあるが、同じ理屈で最適ではないモデルの種類を選んだということかもしれない
ネバダ州にも大きなリチウム鉱床があり、採掘準備が進んでいる
General Motors は Thacker Mine の生産物への保証されたアクセス権のために6億5000万ドルを投じた。ここは I-80 がネバダ州 Winnemuca を通るために迂回している山中のカルデラにあり、最寄りの町はネバダ州 Mill City だが、I-80 と主要鉄道路線の脇にあるにもかかわらずゴーストタウンとして掲載されている
鉱山用地は、Google Street View に映らない未舗装道路沿いに Mill City から約12km離れたところにある。Google Earth では Mill City 近くに開発の痕跡が見え、トレーラーパークとトラックストップのように見える。鉱山へ向かう道路は最近整地されたようだが、鉱山用地にはまだ何もない
鉱山の場所としては悪くない。少なくとも10km以内に隣人はおらず、15km以内には良好な道路と鉄道へのアクセスがある
https://en.wikipedia.org/wiki/Thacker_Pass_lithium_mine
「タールサンドを止めるには実際にタールサンドを止めなければならず、別の場所の山を爆破して、それがタールサンドの終わりにつながることを願うべきではない」
https://maxwilbert.substack.com/p/the-long-shadow-of-the-tar-sands
Google Maps で Thacker Mine を探すと 40.58448942010599, -117.8912129833345 が出てきて、言われたとおり I-80 と Mill City の近くで、何もない。しかし Wikipedia は McDermitt Caldera の 41.70850912415866, -118.05475061324945 だとしており、Mill City や I-80 とはまったく近くない。今回については Google を信じないほうがよさそう
短期的なエネルギーインフラには良い成果だろうが、原料を得るために広大な土地を掘り返す代償が伴うなら、いつも複雑な気持ちになる。
この地域のほかの産業の廃水塩水データを基に、どれだけの部分をモデル化できたのかも興味深いし、実際にリチウムを採掘することになれば、機械学習の予測が正しいかどうかが多くを示すはずだ。
元論文を読む時間が限られていて把握できなかったのは、推定埋蔵量の大半を取り出すにはどんな方法が必要なのかという点だ。塩水処理で十分なら、露天掘りでまず被覆層をすべて取り除くよりも、外部性の制御はしやすいかもしれない。
だから再生可能エネルギーと電池へ移行すれば、純採掘量はむしろ減る可能性がある。もちろん、リチウム採掘をクリーンかつ責任ある形で行うことは重要で、とくに人が住む場所の近くならなおさらだ。しかし、すでにはるかに大規模に掘っているほかの物質と比べれば、今後どれだけリチウムを掘っても大海の一滴にすぎない。
しかも採掘されたリチウムは繰り返し使え、リサイクルできる。いったん循環に入れば、継続的に再利用される。電池技術と生産工程の改善まで考えると、現在循環している量も、将来リサイクルされる頃には、より大きな電池容量を支えられる可能性が高い。リサイクル中の不可避な損失を考慮してもそうだ。
リチウムのリサイクル工程はすでにうまく機能しているが、現在使われているリチウム電池の大半はまだ非常に新しく、リサイクル時期には遠いため、大規模なリサイクルがほとんどないだけだ。むしろ電池寿命の改善によって、大規模リサイクルが必要になる時期はどんどん後ろ倒しになっている。
抽出方法は、鉱床の組成、塩水なのか別の形態なのか、ほかにどんな物質があるのかに大きく依存する。少しずつリチウムを含む塩水、岩石組成、粘土などは非常に多様だ。
塩水採掘であり、つまり「鉱山」は基本的に深い水井戸だ。石灰岩そのものにリチウムがあるのではなく、石灰岩の孔隙中の水にリチウムが比較的濃縮されている。
ほとんどの場合、既存の石油・ガス生産過程ですでにSmackover Formationの塩水を産出しているが、油を分離した後で塩水を再注入している。発想としては、その塩水を保管して蒸発させ、リチウム生産に使ったほうがよいというものだ。
一般に大きな蒸発池は必要になるが、露天掘りではない。
アルミニウム、鉄、食器用洗剤、食卓塩についても同じ恐れを感じるのか気になる。規模で見れば、既存および提案中のすべてのリチウム鉱山は、鉱山の基準ではごく小さい。
リチウムがそもそも重要視されるほど希少なのか分からない。Salton Seaにも数年分の需要を供給できるだけのリチウムがあるかもしれないと読んだ。
見る限り重要なのはリチウムの有無ではなく、それをどう安く商業製品にできるかだ。大半の目的では、結局は環境規制のない場所で採掘することに行き着く。
この業界、正確には硬岩採掘の側で働いている。
リチウム供給そのものは問題ではない。オーストラリアには多く、市場には過剰供給もある。現在のリチウム価格を見ればよい。
ただし変換工程が問題だ。工場の大半は中国にある。炭酸リチウムへ変える精製施設を建てれば、オーストラリアが供給してくれるはずだ。
あれだけの鉱物と日光があれば、素晴らしい組み合わせだ。Saul Griffithに感謝を。
Mobile Basinで採掘が行われないことを願う。あそこは北米で最も生物多様性の高い生態系の1つだ。
https://www.youtube.com/watch?v=8j9coyJeB4Q
世界的な再森林化は、ほぼ全面的に20世紀に家庭が木材から石炭へ切り替えた結果だ。
Pax Americanaは私たちが失いかねない時代なのだと今こそ認識し、採掘と開発を再開すべき時だ。
ああ、空間自己相関、古き友よ。
とても良い仕事だが、通常、有望性モデルをこのような方法で作ることはない。より正確には、今ではこのような方法では検証しない。それでもUSGSが再びこの分野に足を踏み入れ始めたのは良いことだ。USGSとGSCは長らくこの分野の先頭に立っていたが、この5〜7年は手を引いていた。
リチウムがあまりにも大量に見つかって事実上無料になるとしたら、バッテリーコストは大きく下がるのだろうか？ 現在、リチウム供給が生産を制約しているのか？
Chinaがこの分野の先頭にいるのは、資源が豊富だからでも技術が非常に優れているからでもなく、全工程に投入される発電の外部効果まで含め、環境外部性を完全に無視する意思があるからだ。そのため中国産リチウムの価格は低く、同じような「利点」や新しく印象的な技術を持たない国は、事実上競争が難しい
米国では、環境規制、発電コスト、人件費のすべてが最終製品の価格を押し上げ、まったく競争力のないものにしてしまうだろう。そのため米国や一部の国々は、海底でリチウムなどを探す別の方法にも投資している。抽出コストがより低いことを期待しているからだ。もちろん海底環境への脅威は懸念され、それによって規制が生まれれば、価格は再び上がる可能性がある
その証拠に、今は市場にナトリウムイオン電池があるが、おおむね同じインフラを使っているにもかかわらず、まだ価格競争力がない。潜在力はある。重要な利点として、保管・輸送のためにナトリウムイオン電池を0Vまで安全に放電できる
輸送、保管、精製のコストを忘れてはいけない
正直なところ、エネルギー問題は現在ある技術でほぼ解決済みに近い問題だ。化石燃料を強く押し戻すために、採用の速度を上げさえすればよい。ドイツは例外として。発電所を動かすのに必要な量が少ないウランにもすでに大きな埋蔵量があり、電力を蓄えるリチウム電池技術もあり、隙間を埋める太陽光パネルも大量生産・導入が進んでいる。必要なのは、これらの点をつなぎ、資源同士がうまく噛み合って回るようにすることだ
関連記事
https://news.ycombinator.com/item?id=41910918
https://news.ycombinator.com/item?id=41907144
Canadaでも同様の取り組みがあった: https://www.juniorminingnetwork.com/junior-miner-news/press-releases/1940-tsx-venture/lmr/106571-bourier-lithium-project-update-lomiko-metals-and-critical-elements-report-discoveries-and-identify-lithium-targets-for-exploration-using-goldspot-discoveries-artificial-intelligence-methods.html