Go to top

Duurzaam of desastreus, de invloed van metaal op onze energievoorziening

Wie aan groene energie denkt, denkt zelden aan metaal. Staal en aluminium spelen weliswaar een belangrijke ondersteunende rol als constructiemateriaal, maar andere materialen zoals biomassa en siliconen zijn de echte sterren van de show. Toch zijn er ten minste zeven metalen die onmisbaar zijn voor het opwekken van groene energie. Lithium en zes van de zogenaamde zeldzame aarden spelen essentiële rollen in accu’s, windmolens en zonnepanelen. Maar hoe duurzaam zijn deze metalen precies? En is een verslaving aan zeldzame aardmetalen niet veel gevaarlijker dan onze huidige verslaving aan fossiele brandstoffen?


Door: Matthijs Schornagel





Afbeelding 1. Infographic Lynas Malaysia Van I.M. Magazine


Wie aan groene energie denkt, denkt zelden aan metaal. Staal en aluminium spelen weliswaar een belangrijke ondersteunende rol als constructiemateriaal, maar andere materialen zoals biomassa en siliconen zijn de echte sterren van de show. Toch zijn er ten minste zeven metalen die onmisbaar zijn voor het opwekken van groene energie. Lithium en zes van de zogenaamde zeldzame aarden spelen essentiële rollen in accu’s, windmolens en zonnepanelen. Maar hoe duurzaam zijn deze metalen precies? En is een verslaving aan zeldzame aardmetalen niet veel gevaarlijker dan onze huidige verslaving aan fossiele brandstoffen? Het belang van lithium voor batterijen en accu’s is bekend, maar dat van zeldzame aarden veel minder. Zeldzame aarden zijn tegenwoordig overal. Bijna ieder westers mens bevindt zich op elk willekeurig moment op steenworpafstand van enkele kilo’s zeldzame aarden. Smartphones, flatscreens, computers, DVD spelers, stereo’s, auto’s etc. Vrijwel alle moderne elektronica bevat wel een paar gram.

 

In totaal zijn er zeventien zeldzame aarden. Daarvan zijn er zes van belang voor groene energie. Spaar- en LED-lampen bevatten terbium, europium en yttrium. De nieuwste generatie zonnepanelen werkt met behulp van indium en gallium. En lanthanum vergroot de opslagcapaciteit van accu’s. De accu’s van een Toyota Prius bevatten inmiddels anderhalve kilo lanthaan en de elektrische motor bevat nog eens een kilo neodymium.
De windturbine is de laatste en grootste verbruiker van zeldzame aardmetalen. De nieuwste windturbines werken met behulp van een supermagneet van een neodymium-ijzer-borium legering (NdFeB).




Baotou afvalmeer 2 - David Gray, Reuters

Van schaarste tot regelrecht tekort


De term zeldzaam aardmetaal is misleidend. Zeldzame aardmetalen zijn inderdaad zeldzaam in verhouding tot een metaal zoals ijzer, maar in werkelijkheid zijn ze ruim voorradig. Naar schatting is er genoeg zeldzaam aardmetaal op aarde om meer dan honderd jaar te voorzien in de huidige vraag. Tot nog toe is de vraag dus overzichtelijk en voor de meeste elektronica zal dat ook zo blijven, want de verhouding van zeldzame aardmetalen in relatie tot ander materiaal is meestal klein. Dat geldt echter niet voor de groene energiesector. De opbrengst uit wind- en zonne-energie is relatief laag en dat is al sinds jaar en dag een veelgehoord argument tegen groene energie. Met de introductie van zeldzame aardmetalen maakte de groene industrie een flinke sprong voorwaarts, maar die sprong heeft een keerzijde. De hoeveelheid zeldzame aarden in groene technologie neemt rap toe. Sommige zeldzame aarden kunnen daardoor toch schaars worden. Neem neodymium. Een moderne windmolen heeft 200 kilo NdFeB nodig per megawatt productie. Dat komt neer op 70 kilo neodymium per megawatt. Op basis van de totale energieproductie in 2011 (5360 gigawatt) volstaat 375.200 ton neodymium om de hele wereld van windenergie te voorzien.


Met een geschatte wereldvoorraad van maar liefst 8 miljoen ton is dat geen enkel probleem. Er is dus geen gevaar voor een fundamenteel tekort, maar het is minder zeker of de productie de scherpe toename in de vraag kan bijbenen. Toonaangevende mijnbouwbedrijven als Molycorp en Lynas verwachten productietekorten voor een aantal zeldzame aarden met toepassingen in de groene industrie. Een rapport van het Amerikaanse Department of Energy noemt het risico op een productietekort van neodymium en samarium het grootst van alle metalen. Ook producten met relatief kleine hoeveelheden zeldzaam aardmetaal krijgen hier last van. Een spaarlamp werkt op basis van rood, blauw en groen fosfor. Het rode fosfor bestaat bijna helemaal uit zeldzaam metaal, maar de groene en blauwe fosfaten, bevatten respectievelijk maar tien en vijf procent. Desondanks schat het Amerikaanse Department of Energy dat de Verenigde Staten 11% van de jaarlijkse wereldproductie terbium, europium en yttrium nodig hebben om in de vraag naar spaarlampen te voorzien wanneer het verbod op gloeilampen ingaat. Hoewel dit onderzoek uit 2009 nog geen rekening hield met de exploitatie van recent ontdekte afzettingen zal er schaarste ontstaan wanneer het verbod op gloeilampen zich over de rest van de wereld uitbreidt. En vooralsnog biedt LED verlichting ook geen uitkomst, want LEDs maken gebruik van dezelfde zeldzame aarden als spaarlampen.



Gevaar van hogere productie


Opvoeren van de productie van zeldzame aarden lijkt een voor de hand liggende oplossing. Er is immers voldoende. Jammer genoeg is de werkelijkheid anders. De opening van een nieuwe mijn vereist een grote investering en een stabiele markt. De zeldzame-aardindustrie maakt echter woelige tijden door sinds de belangrijkste producent, China, tussen 2009 en 2012 een serie exportquota introduceerde. Aanvankelijk zorgde dit voor wereldwijde tekorten en enorme prijsstijgingen. Ondernemingen buiten China speelden hierop in en investeerden in exploratie en de (her)opening van mijnen. Als gevolg van deze impuls zakten de prijzen voor zeldzame aarden halverwege 2012 weer in. Deze prijsdaling was zo scherp dat een aantal mijnen die pas in het afgelopen jaar openden meteen rode cijfers noteerden. Onlangs schroefde China de productie terug om verdere prijsdalingen tegen te gaan. Sindsdien dalen de prijzen minder snel, maar de bodem is nog niet in zicht. Daardoor verkeren we nu in de merkwaardige situatie waarin zowel de productie als de prijzen dalen terwijl het merendeel van de marktanalisten in de loop van 2014 een tekort aan zeldzame aardmetalen verwacht. 


Afgezien van de onstuimige prijsontwikkeling is er nog een belangrijk probleem dat productiegroei in de weg staat. Milieuvervuiling is een onontkoombaar gevolg van mijnbouw, maar vervuiling door extractie van lithium en zeldzame aarden is een geval apart. Mijnbouw vereist grote hoeveelheden water om de grond open te breken en om het erts uit te spoelen. Dat is een groot probleem voor de productie van lithium, dat vooral op zeer droge plaatsen voorkomt. De grootste afzettingen bevinden zich in het Andesgebergte, waar water buitengewoon schaars is. Zo is de Atacamawoestijn in Chili, Bolivia en Peru de droogste plaats op aarde. Het hele gebied vangt gemiddeld slechts één centimeter regen per eeuw.  Het is er zo droog dat er geen leven is, zelfs geen bacteriën. Dergelijke waterschaarste maakt mijnbouw niet alleen moeilijk, het is ook gevaarlijk. Langdurige en grootschalige productie van lithium kan grote delen van de Andes onleefbaar maken. Bolivia exploiteert zijn lithiumreserves daarom niet, ondanks dat het de grootste afzettingen op aarde bezit. De milieuschade die gepaard gaat met het winnen van zeldzame aarden is van heel andere aard, maar niet minder schadelijk. Dat geldt zeker voor China’s zeldzame aardindustrie in Baotou. Verscholen in de smog staat een enorm industrieel complex en even verderop ligt een gigantisch afvalmeer. Het is 8 kilometer breed, 30 meter diep en het dijt almaar verder uit. Gewapende beveiligers houden pottenkijkers op afstand.


De weinige reporters die er zijn geweest beschrijven een apocalyptisch landschap. Hun ogen traanden en de vervuilde lucht stak in hun longen. Hoofdpijn en misselijkheid plaagden hen de rest van de dag. Voor de lokale bevolking zijn de gevolgen nog veel erger. Een rapport van het Chinese ministerie voor gezondheid wees in 2007 uit dat kanker buitengewoon vaak voor komt in Baotou, net als huidziekten, longaandoeningen, uitvallend haar en zachte botten. Het afvalmeer vormt ook een gevaar voor de nabijgelegen Gele Rivier. Via het grondwater vergiftigt het de toch al zwaar vervuilde rivier die 155 miljoen Chinezen voorziet van drinkwater en 15 procent van China’s landbouwgrond irrigeert. De reden voor al deze vervuiling is het spoelproces dat de zeldzame aarden van hun erts scheidt. Dat gaat met behulp van geconcentreerd zwavelzuur of natriumhydroxide. Het resulterende afvalwater is niet alleen zuur of basisch, maar ook radioactief. Verschillende zeldzame aarden zitten namelijk verborgen in hetzelfde erts. Een van de metalen, thorium, is van nature radioactief. Aan de vervuiling is op zichzelf weinig te doen, maar aan de opslag van het afval des te meer. In westerse landen gelden daarom strenge milieuregels. Deze regels beschermen onze directe omgeving, maar brengen de natuur elders op aarde juist in gevaar.



Solar Panels en Turbines


Om kosten te besparen opende het Australische mijnbouwbedrijf Lynas in 2012 een verwerkingsfabriek in Maleisië. Lynas verscheept erts uit haar Australische mijnen en verwerkt die in Maleisië, waar de milieuregels soepeler zijn. Afbeelding 1 geeft een overzicht van de problemen met het complex en de gevolgen voor het milieu. De fabriek loost afvalwater in de nabijgelegen Balokrivier die uitmondt in de Zuid Chinese Zee. De gevolgen voor de natuur en de 700.000 omwonenden zijn desastreus. De problemen in China, Maleisië en de Andes bewijzen dat de productie van metaal voor de groene industrie een hoop milieuschade kan aanrichten. En er zijn geen aanwijzingen dat verwerkingsfabrieken die nu in aanbouw zijn in Rusland, India en Afrika beter zullen omspringen met het milieu. Gelukkig zijn er ook lichtpunten in de duisternis.



Oplossingen


Op dit moment geldt dat een grotere hoeveelheid zeldzame aardmetalen in een accu of een windturbine zorgt voor een hoger rendement, maar dat kan veranderen. De eerste tekenen zijn al daar. In maart van dit jaar presenteerde IBM, samen met Solar Frontier, Tokyo Ohka Kogyo en DelSolar, een prototype zonnecel die vrij is van zeldzame aarden. De nieuwe cel bestaat uit koper, zink, zwavel en tin. Stuk voor stuk materialen met goed ontwikkelde infrastructuren die in staat zijn om een toenemende vraag bij te houden zonder extreme gevolgen voor het milieu. Toch kan de zonnecelindustrie niet onmiddellijk overstappen. Het prototype is veelbelovend, maar is nog niet gereed voor massaproductie. De nieuwe cel is weliswaar goedkoper, maar met een rendement van 11,1 procent tegenover 15 procent van een reguliere zonnecel is het prototype nog niet competitief. Dat is hij pas met een rendement tussen de 12 en 14 procent. Voorlopig blijven indium en gallium dus cruciaal voor de zonnecelindustrie.




REE smelting - David Gray, Reuters


Een supermagneet zonder zeldzame aardmetalen is nog onvoorstelbaar, maar de opkomst van nanotechnologie kan het verbruik ervan reduceren. Professor George C. Hadjipanayis, van het Amerikaanse Advanced Research Projects Agency-Energy, ontwikkelt momenteel een supermagneet die twee keer zo sterk is als huidige generatie supermagneten, terwijl hij 30 tot 40 procent minder zeldzame aardmetalen gebruikt. Professor Hadjipanayis denkt dat dat kan door de zeldzame en niet-zeldzame metalen op nanoschaal met elkaar te vermengen. De reductie van zeldzaam aardmetaal komt dus voort uit de manier van legeren. In een gewone legering is het legeringsmetaal ongelijk verspreid. Om zeker te zijn van een goede magneet wordt daarom meer zeldzaam aardmetaal toegevoegd dan theoretisch noodzakelijk is. Wanneer de metalen op nanoniveau met elkaar worden vermengd ontstaat er een gelijkmatiger spreiding. Daarnaast zijn de atomen op nanoniveau sterker met elkaar verbonden zodat magnetische herstructurering (magnetic realignment) op dat niveau beter is. De theorie achter dit idee is goed, maar er zijn nog tal van praktische obstakels. Het kan nog jaren duren voordat de technologie bruikbaar is. In de tussentijd is er maar één proces dat vervuiling als gevolg van toenemende vraag naar zeldzaam metaal tegen gaat: recycling. Rhodia en Umicore recyclen oude batterijen en winnen daarmee lithium en lanthaan terug. Helaas gaan veel andere metalen nog steeds verloren.


Op dit moment is recycling goed voor 1 procent van de totale productie van zeldzame aarden. Volgens deskundigen kan dat uitgroeien tot 20 procent. De universiteit van Leuven draagt hier al aan bij. Daar scheiden onderzoekers sinds kort neodymium en samarium van basismetalen in een vloeistof-vloeistofextractie met ionische vloeistof. Elementen, waaronder ijzer, kobalt, mangaan, koper en zink, worden uitgeloogd in de ionische oplossing, terwijl de zeldzame aardmetalen achterblijven in de waterige oplossing. Vloeistof-vloeistofextractie met ionische vloeistof is aanzienlijk milieuvriendelijker dan extractie met traditionele oplosmiddelen zoals kerosine en diethylether. Bovendien kan de ionische vloeistof keer op keer worden gebruikt. Tezamen kunnen nieuwe technologie en recycling de behoefte aan hogere mijnproductie terugdringen, maar ze kunnen de mijnbouw niet vervangen. En dat brengt ons terug bij de hoofdvraag van dit artikel. Hoe duurzaam is de huidige groene energie? En is het wel te verkiezen boven energie uit fossiele brandstoffen? De groene industrie is duurzaam in de zin dat er voldoende lithium en zeldzaam metaal op aarde is om de hele wereld te voorzien van energie uit windmolens en zonnecellen. Daar staat tegenover dat lithium en zeldzame aarden verantwoordelijk zijn voor milieuproblemen die honderden miljoenen mensen in gevaar brengen. Toch is dit een kleiner kwaad vergeleken met de gevolgen van vergaande klimaatverandering. Daar zullen miljarden mensen onder lijden. Dat geeft de groene industrie en de mijnbouwbedrijven nog geen vrijbrief. Vervuiling als in China en Maleisië is onverantwoord en onnodig.







 




 

Nieuwsbrief

Schrijf je hier in voor de wekelijkse Nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium Roestvast en Staal branche!

Velden met een * zijn verplicht