Overstappen op andere grondstoffen. We doen het eigenlijk al sinds mensenheugenis. De steentijd werd bronstijd en vervolgens ijzertijd. De eerste fietsen waren compleet van hout, maar al snel hadden we een stalen ros met rubberen banden. Racefietsers stapten later over naar aluminium, en inmiddels zijn de snelste exemplaren van koolstofvezelcomposiet, kunststof dus.

In goede tijden is de reden voor deze ‘substitutie van materialen’ kostenbesparing of betere kwaliteit. Het nieuwe materiaal is even goed maar goedkoper. Of het is superieur. Koolstofvezels maken een racefiets niet goedkoper, maar wel nog lichter, en dus sneller. In tijden van tekorten vallen we soms terug in de tijd, en kwaliteit. In de Tweede Wereldoorlog kwamen er weer houten fietsbanden door het rubbertekort. Verre van comfortabel, maar nog altijd beter dan op kale velgen rijden. Terug hoeft overigens niet altijd achteruitgang te zijn. Hout wint in de bouw bijvoorbeeld weer terrein vanuit duurzaamheidsoogpunt.

Critical Raw Materials Act

Dit is het vijfde en tevens laatste deel van een serie artikelen over kritieke grondstoffen. Met de Critical Raw Materials Act (CRMA) wil de Europese Unie meer controle over grondstoffen krijgen. Dat moet komen van zelf meer grondstoffen mijnen, processen, recyclen en alternatieven zoeken.

Acute materiaalschaarste is gelukkig momenteel niet aan de orde. Maar door de logistieke problemen tijdens Covid19, de blokkade van het Suezkanaal en de oorlog met Oekraïne, weten we dat er plots een tekort kan ontstaan. Een steeds groter aantal grondstoffen wordt door Europa daarom aangeduid als ‘kritiek’ of ‘strategisch’. We zijn (te) sterk afhankelijk van anderen voor de aanvoer ervan en lopen daarom risico op tekorten. Voorbeelden zijn lithium voor batterijen, het magneetmateriaal neodymium voor elektromotoren of gallium voor transistoren. Daarom moedigt Europa de zoektocht naar alternatieven aan.

“Ik merk dat er duidelijk meer belangstelling voor is”, vertelt Bert Weckhuysen, hoogleraar Anorganische Chemie & Katalyse aan de Universiteit Utrecht. “Het optimale halen uit je grondstoffen is natuurlijk niets nieuws in de chemie. In mijn vakgebied, de katalyse, proberen we elk atoom edelmetaal te benutten. Dat doen we door zeer kleine metaaldeeltjes te maken, dragermaterialen te ontwikkelen om ze te stabiliseren en door promotoren toe te voegen die de activiteit verdere verhogen.”

In plaats van platina

Substitutie gaat nog een stapje verder. Weckhuysens collega Harry Bitter, hoogleraar Biobased chemistry and technology bij Wageningen UR, werkt er bijvoorbeeld aan. “Katalysatoren gebruik je in relatief kleine hoeveelheden in een proces. Maar vergis je niet. Tachtig procent van alle industriële processen gebruikt een katalysator. En het gaat om grootschalige processen, denk aan alle raffinages, maar bijvoorbeeld ook aan alle auto’s met katalysator. Al die kleine beetjes, tellen op tot relevante hoeveelheden.”

Iedereen weet dat edelmetalen als goud, platina en palladium kostbaar zijn. Toch was de prijs nooit de grootste drijfveer om alternatieven te zoeken, benadrukt Bitter. Want eenmaal aangeschaft gaan ze ‘oneindig’ lang mee dankzij recycling. De beperkte aardse reserves en geopolitieke ontwikkelingen zijn het grotere probleem.

Bitters onderzoek richt zich op molybdeen- en wolfraamcarbiden als alternatieven. Al sinds de jaren zeventig is bekend dat ze net als edelmetalen reacties katalyseren waarin waterstof geactiveerd moet worden. Een nadeel is echter dat de aanwezigheid van zuurstof en water tot deactivatie leidt, wat strengere eisen stelt aan de condities in het proces.

Maar Bitters onderzoeksgroep ontdekte ook juist een voordeel. Stikstof en zwavel zijn funest voor edelmetalen, maar niet voor de carbiden. Bitter: “Daardoor lijken ze geschikter voor de omzetting van de huidige kwaliteit aardolie of aardgas.” Die zijn namelijk meer vervuild dan voorheen. De beste kwaliteit is grotendeels opgebruikt. Maar nog belangrijker, het maakt de carbiden ook geschikt voor het omzetten van biomassastromen in chemicaliën, en daarmee voor de chemie van de toekomst. Bitter boekte in het laboratorium katalyserecords met carbiden. Bitter: “Dat wekt inderdaad belangstelling van de industrie, maar ook scepsis. We zullen moeten aantonen deze katalysator blijft werken, ook buiten het lab. We spelen nu met allerlei parameters. In basisch waterig milieu lijkt de stabiliteit op orde te blijven.”

Wolfraam, een van de ‘ingrediënten’ van de alternatieve katalysator, staat echter sinds vorig jaar ook op de lijst met kritieke materialen. Raken we zo niet van de regen in de drup met deze substitutie? Het ultieme ideaal, schetst Bitter, is natuurlijk elke chemische reactie katalyseren met het meest voorkomende metaal: ijzer. “Dan zijn we als onderzoekers ook klaar”, grapt hij. “Molybdeen is niet kritiek”, stelt hij. “En bedenk dat alle diversificatie een stap vooruit betekent. Je maakt jezelf minder kwetsbaar wanneer er meerdere opties zijn.”

Dubbel circulair

De Utrechtse onderzoeksgroep van Weckhuysen was betrokken bij zo’n Europees project. Het draaide om de valorisatie van kritieke metalen uit industriële afvalstromen zoals residuen, slib, slakken en as. Daaruit probeerden de onderzoekers onder andere katalysatoren te maken. “Dat is eigenlijk dubbel circulair”, betoogt Weckhuysen. “Afval benutten voor het vergroenen van chemische processen.” Weckhuysen ziet veel toekomst in het sluiten van cirkels. “We gooien nu veel weg, maar we leven op een planeet met eindige hoeveelheden materialen. We moeten leren zoveel mogelijk materialen opnieuw te benutten.”

Het lukte de Utrechtse onderzoekers om uit het mineralenresidu dat overblijft bij de vergassing van biomassa een katalysator te maken. Geen doorsnee kat omdat de nanodeeltjes niet uit één of twee elementen bestaan, maar wel vijftien verschillende elementen bevatten. Maar hoofdbestanddeel is een ijzercarbide-nanodeeltje dat een cruciale reactie in de transitie naar een fossielvrije chemie versnelt: de omzetting van syngas (koolmonoxide, kooldioxide en waterstofgas) in de veelgebruikte basischemicaliën ethyleen en propyleen. De ‘afvalkat’ bleek in het lab inderdaad in staat om nikkel of kobalt in deze reactie te vervangen.

Uit een afvalstroom van de koperwinning produceerden de onderzoekers ook een veelgebruikte zeoliet-katalysator (ZSM-5) om methanol om te zetten in basischemicaliën. De katalysator is wat ‘vervuild’ vergeleken met de klassiek geproduceerde zeoliet uit zuivere silica. Er zit wat meer ijzer, calcium en magnesium in. Maar die bleken de katalysator zelfs iets stabieler en actiever te maken. Uit het koperafval werd ook nog een katalysator gemaakt om koolstofdioxide elektrochemisch om te zetten. De Utrechtse onderzoekers willen vervolgonderzoek opstarten naar opschaling.

In plaats van lithium

Voor de industrie is directe substitutie van kritieke materialen het meest aantrekkelijk. De kritieke stof wordt vervangen door een stof die er in alle opzichten op lijkt. Dat vraagt de minste aanpassing van een bestaand proces of product. Het periodiek systeem biedt daarbij vaak aanwijzingen. Elementen met vergelijkbare eigenschappen staan namelijk onder of naast elkaar. Zo staat het edelmetaal-trio goud, platina en palladium naast elkaar, alternatieven als nikkel en ijzer staan er rond omheen.

Voor het belangrijke batterijmateriaal lithium is veel hoop voor directe substitutie gevestigd op natrium of mogelijk kalium. Die elementen staan in dezelfde kolom, maar zijn veel ruimer beschikbaar en veel goedkoper. Een onvermijdelijk nadeel is dat dergelijke batterijen zwaarder en groter zijn; de elementen zijn dat namelijk ook. Onder andere in Delft loopt onderzoek naar de ‘natriumionbatterij’.  De groep van hoogleraar Storage of Electrochemical Energy, Marnix Wagemaker, publiceerde onlangs een natriumbatterij die snel laadt en behalve geen lithium ook geen kobalt bevat. Dergelijke batterijen lijken interessant voor bijvoorbeeld dag/nachtopslag van elektriciteit of het overbruggen van pieken en dalen in zon- en windenergie.

Het Nederlandse bedrijf Elestor gooit het over een andere boeg met hetzelfde doel: grootschalige energieopslag. Ze ontwikkelen een heel ander type batterij: een flowbatterij op basis van waterstofbromide opgelost in water. CEO Guido Dalessi: “Ik zeg altijd we zijn niet hét alternatief voor lithium. Waterstofbromide is bijvoorbeeld niet geschikt voor een thuisbatterij of voor auto’s. Wij richten ons op grootschalige stroomopslag vooral voor industriegebieden. Geen noodstroom voor een paar uurtjes, maar echt langere periodes.” Elestor mikt op batterijen van circa 250 megawattuur. Dat is zo’n vier maal groter dan Nederlands huidige grootste (lithium)batterij Pollux in de haven van Vlissingen. Daarvoor werkt het bedrijf samen met Vopak, de grootste eigenaar van overslagtanks in havengebieden wereldwijd. Dalessi: “Door afbouw van de fossiele industrie zal de vraag naar tankopslag verminderen. Wij zoeken juist tanks voor onze batterij.” Elestors flowbatterij bestaat namelijk uit twee tanks met daartussen een omkeerbare brandstofcel. Bij stroomvraag zet deze zelfontwikkelde cel waterstof en bromide om in waterstofbromide; bij een stroomoverschot vindt de omgekeerde reactie plaats. Bromide ontstaat als bijproduct bij het ontzouten van zeewater, vertelt Dalessi. En dat maakt Elestors vinding aantrekkelijk: “Er is geen tekort, het is goedkoop en je bent niet afhankelijk van China. Er is zelfs geen mijnbouw nodig om bromide te winnen.”

Op dit moment legt het bedrijf de laatste hand aan een eerste 3 MWh flowbatterij die de technologie op grotere schaal moet bewijzen. Dalessi: “Het is een beetje een jongensboekavontuur. We begonnen tien jaar geleden met een goed idee, nu werken er zestig mensen aan een installatie ter grootte van een zeecontainer en aan het opschalingsproces voor de industriële flowbatterij.”

Toch bevat ook Elestors flowbatterij nog kritieke materialen. De waterstofelektrode is bedekt met een zeer dunne laag platina die de omzetting naar waterstofbromide katalyseert. Dalessi: “We volgen de ontwikkeling van alternatieven nauwgezet maar die zal er niet morgen zijn. Onze elektroden zijn overigens goed te recyclen.”

Speciaal Vertegenwoordiger Grondstoffenstrategie

Sinds eind maart heeft Nederland een Speciaal Vertegenwoordiger Grondstoffenstrategie: Allard Castelein. Castelein is opgeleid als chirurg, werkte lange tijd voor Shell en was bijna tien jaar president-directeur van de Rotterdamse Haven. De nieuwe vertegenwoordiger zal samen met gelijkgezinde landen binnen de EU optrekken om (inter)nationale samenwerking en partnerschappen te sluiten op het gebied van kritieke grondstoffen. Doel is de beschikbaarheid en leveringszekerheid van kritieke grondstoffen en halfproducten te vergroten. Het gaat om materialen die essentieel zijn voor de energietransitie, de digitalisering, de Nederlandse en Europese industrie en onze veiligheid, aldus het ministerie.

De aanstelling van Castelein door de minister Economische Zaken en Klimaat Micky Adriaansens is een uitvloeisel van de Critical Raw Materials Act. Doelstellingen van deze Europese wet zijn om in 2030 tien procent van de jaarlijkse Europese consumptie van strategische grondstoffen binnen de EU te winnen, veertig procent in de EU zelf op te werken en een kwart in de EU te recyclen. Bovendien mag de EU voor maximaal twee derde van de jaarlijkse consumptie afhankelijk zijn van één enkel land voor de toelevering.