Schaarste aan onmisbare aardmetalen dreigt
Tekst: Marga van Zundert
In 2008 maakte industrieel ecoloog René Kleijn (Universiteit Leiden) een sommetje ‘achter op een bierviltje’ en schrok. “Ik wilde een idee krijgen hoeveel metalen zoals kobalt en lithium er nodig zouden zijn om alle auto’s op batterijen te laten rijden zoals in 2050 de bedoeling is. Maar dat was tien- tot honderdmalen meer dan wat de mijnen toen konden leveren.” Ook een grondige berekening bevestigde dat beeld.
En wat voor batterijen geldt, geldt ook voor andere duurzame technologie. Windturbines en zonnecellen die duurzame energie moeten leveren vragen om schaarse metalen en zeldzame aardmetalen zoals neodymium. Maar ook voor een andere belangrijke energiedrager van de toekomst, waterstof, zijn metalen onmisbaar. Veel elektrolyse-apparaten waarmee waterstof wordt geproduceerd bevatten iridium.
Europees voorzitter Ursula von der Leyen sprak dit jaar in de State of the European Union: “Lithium en zeldzame aarden zullen spoedig belangrijker zijn dan olie en gas. De vraag naar zeldzame aarden zal vervijfvoudigd zijn in 2030. We moeten voorkomen dat Europa afhankelijk wordt zoals dat gebeurd is bij olie en gas”.
Het probleem is niet dat de aarde niet genoeg van deze metalen biedt, benadrukt Kleijn. Lithium is bijvoorbeeld een van de meest voorkomende elementen. De makke is dat de energietransitie vraagt om ze in korte tijd te delven. “Vanaf 2030 mogen er geen benzineauto’s meer worden verkocht in de EU. Al vele jaren ervoor stoppen autoproducenten met de ontwikkeling van benzineauto’s.” Kleijns berekeningen laten zien dat het lastig is om alle auto’s tijdig te vervangen.
Tenzij er nu elk jaar twee grote nieuwe mijnen open zouden gaan. “Het delven van metalen wordt traditioneel aan de markt overgelaten. Bij genoeg vraag komt de investering vanzelf rond, was het heersende idee. Maar voor de energietransitie gaat het om grote hoeveelheden in korte tijd, terwijl het doorgaans vijftien tot twintig jaar duurt voordat een nieuwe mijn open is en produceert. Die tijd is er nu niet.”
Mensenrechten
Een tweede probleem is dat China en Rusland als belangrijke metaal-producerende landen systematisch mensenrechten schenden en grondstoffen als machtsmiddel inzetten. Kleijn: “Ik ben al meer dan vijftien jaar bezig met deze problematiek, maar pas sinds kort heb ik het idee dat ook de politiek en het bedrijfsleven er echt mee bezig zijn. Door de lockdowns en de oorlog in Oekraïne zijn we bruut wakker geschud.”
Om de energietransitie geen vertraging te laten oplopen door schaarste aan aardmetalen en de geopolitieke situatie, zijn innovatieve, creatieve ideeën nodig. Maar ook de circulaire economie zelf vereist nieuwe technologieën, want beschikbare metalen moeten zo goed en lang mogelijk worden benut en daarna gerecycled. Kleijn steekt het probleem optimistisch in: “Mensen blijken telkens weer flexibel en creatief onder druk. Tijdens corona is snel een infrastructuur opgezet om in eigen land mondmaskers te maken. En door de oorlog in Oekraïne is Europa snel omgeschakeld naar meer LNG. Met de opgeblazen Nordstream-pijplijn lijkt die omschakeling definitief.”
Reshoring en friendshoring
Schaarste heeft twee oplossingskanten: het aanbod vergroten en de vraag verminderen. Allereerst de aanbodkant. Nu verbruikt Europa bijna een kwart van alle wereldwijd gemijnde metalen, maar produceert zelf maar een paar procent. Om minder afhankelijk te zijn van geopolitiek, overweegt de EU om nieuwe mijnen op eigen grondgebied te openen en zelf dus een grotere producent te worden, reshoring. Met name Scandinavië herbergt winbare voorraden lithium en zeldzame aardmetalen, maar exploitatie van bodemschatten stuit vaak op verzet. Zo is een geplande lithiummijn in Servië voorlopig van de baan na wekenlange demonstraties van omwonenden. De Vlaamse industrieel ecoloog Peter Tom Jones (KU Leuven) maakte onlangs de documentaire Responsible Mining in Europe, waarin hij mijnen in Scandinavië bezoekt en toont dat mijnbouw ook duurzaam kan. Hij noemt het “extreem hypocriet” dat Europeanen in Tesla’s willen rijden maar geen mijnen in hun ‘achtertuin’ willen. Het aanbod aan metalen kan ook worden vergroot via urban mining: het terugwinnen van kostbare metalen uit afgedankte apparaten (zie kader).
Overigens maakt de schaarste aan aardmetalen door prijsstijgingen ook duurdere winningsmethoden mogelijk. Kleijn: “In principe zouden we in Nederland zelfs lithium kunnen winnen uit zeewater, maar dat is nu tienmaal duurder dan de marktprijs.” Een optie met meer toekomstperspectief is de combinatie van geothermie (aardwarmte) en lithiumwinning. In Frankrijk en Duitsland zijn locaties waar water dat wordt opgepompt voor warmte relatief hoge concentraties lithium bevat. In Zweden wil staatsmijnbouwbedrijf LKAB zeldzame aardmetalen en fosfor gaan winnen uit het afval van zijn ijzermijnen. Kleijn: “Er hangt vaak een prijskaartje aan deze initiatieven, maar dat is wellicht beduidend lager dan de economische schade wanneer er straks geen windturbines of elektrische auto’s meer gemaakt kunnen worden door batterij- of chiptekort.”
Een andere optie voor meer leveringszekerheid van aardmetalen is goede relaties aangaan en behouden met niet-omstreden mijnbouwlanden zoals Australië en Canada, het zogeheten friendshoring. En tenslotte is er nog de optie om na onderhandelingen alsnog in zee te gaan met omstreden landen, uiteraard onder garanties voor duurzaamheid en mensenrechten. “Dat is echter risicovol, weten we”, stelt Kleijn.
Efficiënter benutten
De vraag verminderen is de andere manier om schaarste op te vangen. Allereerst door waar mogelijk gebruik te vermijden, al is dat voor de energietransitie haast onmogelijk. Kleijn: “Alle auto’s die nu rijden tijdig vervangen door elektrische is misschien niet de beste optie. We zullen dus ook serieus investeren in deelauto’s en openbaar vervoer.”
De vraag verminderen kan ook door de schaarse aardmetalen efficiënter te benutten, de levensduur van toepassingen te verlengen, en door technologieën te ontwikkelen die alternatieven materialen gebruiken. Zo ontwikkelde Tesla batterijen die nog maar een ‘snufje’ kobalt en nikkel vragen, de meest schaarse metalen op dit moment. Ze werken vooral op basis van lithium, ijzer en fosfor. De batterijen hebben een iets lagere capaciteit, wat de actieradius van auto’s vermindert. Maar niet dusdanig dat grotere afstanden een probleem worden.
TNO presenteerde onlangs een elektrolysetechnologie die weliswaar de helft minder waterstof produceert dan de huidige electrolysers, maar ook tweehonderdmaal minder van het schaarse iridium vereist. Een welkome vondst, want binnen tien jaar zal de vraag naar iridium de beschikbare hoeveelheid al ver overtreffen, is de verwachting. Door een extreem dunne laag iridium te gebruiken lukte het TNO met veel minder materiaal toch waterstof te produceren. Het gaat nog om een laboratoriumversie, maar het proces blijkt stabiel.
Zonder versnellingsbak
Ook hier geldt: hoe schaarser, hoe duurder en hoe nadrukkelijker alternatieven in beeld komen. De enorme windturbines op zee bevatten nu vaak een slordige drieduizend kilo van de zeldzame neodymium en dysprosium (komen vrijwel allemaal uit China). Ze vormen de basis van de sterkste permanente elektromagneten die er bestaan, en die maken het mogelijk dat een turbine kan draaien zonder versnellingsbak. Dat scheelt in kwetsbare onderdelen en onderhoud, een extreem dure kostenpost op zee. “Maar windenergie opwekken kán ook zonder”, stelt Kleijn. De meeste windmolens op land hebben ‘gewoon’ een versnellingsbak.
Een ander voorbeeld zijn de batterijen die de onvermijdelijke fluctuaties in vraag en aanbod van duurzame energie moeten opvangen. Lichtgewicht of omvang zijn voor deze batterijen niet doorslaggevend, daarom wordt er geëxperimenteerd met alternatieven voor de traditionele aardmetalen. Energie kan bijvoorbeeld als warmte worden opgeslagen in gesmolten zout. Denemarken heeft het plan om fossiele centrales om te bouwen tot grote ‘zoutbatterijen’, ze beschikken namelijk al over belangrijke infrastructuur hiervoor zoals transformatoren en stoomturbines om de warmte weer om te zetten in elektriciteit.
En voor zonnepanelen geldt iets vergelijkbaars. In de huidige cellen zit kostbaar en schaars zilver. Voor toekomstige cellen wordt nadrukkelijk gekeken naar perovskiet, een mineraal dat weinig schaarse metalen bevat. Kleijn: “Vanwege de instabiliteit zijn perovskieten-zonnecellen vooralsnog slechts een grote belofte. Maar schaarste stuurt innovatie nadrukkelijk richting dergelijke alternatieven.”
Urban mining
Urban mining is het terugwinnen van kostbare metalen uit afgedankte apparaten. Uit de naar schatting 1,4 miljard mobiele telefoons die in laden liggen te verstoffen kan bijvoorbeeld 28.000 kilo goud worden gewonnen. En onderzoekers schatten dat de EU elk jaar 20.000 kilo goud ‘kwijtraakt’ door export van gebruikte auto’s. Het Europese wagenpark bevat meer dan 400.000 kilo goud.

Goed recyclen brengt de schaarse metalen weer op de markt. Die zitten bij elektrische auto’s in de batterijen, maar ook in de magneten van de elektromotor. Kleijn: “Probleem is dat het haast onmogelijk is die magneten er snel uit te halen. Dat is nu handwerk en daardoor prijzig. Het is dus ook belangrijk dat motoren zo ontworpen worden dat dit wel eenvoudig is. Design for recycling moet de norm zijn.”
Het hergebruik van metalen uit batterijen komt inmiddels wel op stoom, aldus Kleijn. “Ik merk dat iedereen in de industrie, de politiek en de wetenschap recycling van batterijen ziet als een stabiele goede grondstofbron.” Maar ook daar moet de EU bijbenen, nu wordt nog tachtig procent van alle afgedankte batterijen gerecycled in China. Positief nieuws is dat het Belgische bedrijf Umicore onlangs een eerste ‘gigafabriek’ voor het recyclen van batterijen uit voertuigen opende in het Poolse Nysa. Het bedrijf wil geleidelijk uitgroeien naar het jaarlijks terugwinnen van batterijmaterialen uit drie miljoen voertuigen.
EU: weerbaarder door innovatie
Dit voorjaar riep de Europese Raad op meer te investeren in onderzoek en innovatie om schaarste van grondstoffen tegen te gaan. In september kondigde commissievoorzitter Ursula Von der Leyen vervolgens de Critical Raw Materials Act aan “want grondstoffen zoals lithium zijn essentieel voor het succes van de groene- en digitale transitie, en de strategische autonomie van de EU”. Maar Europa toont zich al langer bezorgd over metalen en andere grondstoffen. In 2014 startte het EIT Raw Materials (European Institute of Innovation and Technology) een groot Europees consortium van EU-onderzoeksinstellingen dat ‘grondstofafhankelijkheid via innovatie moet ombuigen in een strategisch voordeel’. Een voorbeeld van lopend onderzoek zijn initiatieven om de afhankelijkheid van China te verminderen van zeldzame aardmetalen zoals neodymium. Projecten richten zich op recyclen, de zoektocht naar alternatieven en zelf mijnen binnen Europa.
Nederlandse onderzoekers en bedrijven zijn betrokken bij zeker vier programma’s: ValoMAG, SusMagPro, REEsilience en SusCritMat. ValoMag (Valorisation of Magnets) richt zich bijvoorbeeld op technieken voor het ontmantelen van afgedankte harddisks en andere elektronica en terugwinningsmethoden voor de zeldzame aarden daarin. REEsilience richt zich op de totale keten van gebruikers en recyclers en nieuwe businessmodellen.