Dreigend metaaltekort voor duurzame energie
Juist metalen die nodig zijn voor de overstap naar groene energie worden schaars, volgens verschillende experts. Wat zijn de oorzaken en om welke metalen gaat het? Met een overzicht van oplossingen.
Auteur: Lydia Heida
De tijd dringt, dus hoe kun je de aarde nu zo snel mogelijk voorzien van duurzame energie? Daartoe stelde het tijdschrift Scientific American eind 2009 een plan op. Streefjaar: 2030. Benodigdheden: onder meer 3,8 miljoen windturbines en 90 duizend zonneparken.
“Een sympathiek plan”, meent André Diederen, senior onderzoeker bij TNO. “Alleen staat er niet bij hoe we aan de metalen kunnen komen om dit te realiseren. Het gaat hierbij om enorme hoeveelheden. Niemand die daar verder over nadenkt.”
Tot voor kort. René Kleijn, industrieel ecoloog aan de Leidse universiteit, heeft – bij zijn weten als eerste – alle onderdelen van een groen energiesysteem op een rijtje gezet en berekende hoeveel metalen nodig zijn. Met 2050 als opleverdatum.
Op zijn boodschappenlijstje staat onder meer silicium, indium, cadmium en telluur voor zonnecellen; staal, koper en neodymium voor windturbines; platina voor brandstofcellen; roestvrij staal (lees nikkel en chroom) voor pijpleidingen die waterstof vervoeren of koper, staal en lood voor de transmissie van elektra.
Volgens Kleijn kost de constructie van deze pijpleidingen bijna de helft van de huidige reserve base aan nikkel, dat zijn de voorraden nikkel die op dit moment nog niet te winnen zijn, terwijl een systeem dat volledig op elektra draait 57 keer de jaarlijkse productie van koper opneemt. Al met al betekent het ‘een dramatische toename van de hoeveelheid te produceren ijzer en koper’.
Oorzaken schaarste
Daarbij zijn ‘indium, cadmium, telluur, neodymium en platina essentieel voor bepaalde technologieën.’ Kleijn onderzocht bijvoorbeeld de beschikbare voorraad indium: die is net groot genoeg om maximaal 1 procent van de benodigde hoeveelheid zonnecellen mee te maken. Terwijl deze technologie nu juist – in de vorm van dunne film – erg gewild is geworden.
Veel van de metalen die nodig zijn voor groene energie komen alleen in zeer lage concentraties voor bij de winning van basismetalen. Een ton zink levert ongeveer 28 gram indium op. Er is maar liefst een ton koper nodig voor het verkrijgen van 18 gram telluur.
Veel van de metalen die nodig zijn voor groene energie komen alleen in zeer lage concentraties voor bij de winning van basismetalen.
Hoewel de prijs van telluur in de laatste tien jaar net zo vaak over de kop ging, leidde dit niet tot een toename in de productie. Mijnbouwbedrijven verdienen namelijk veel meer geld met de winning van het basismetaal.
“De financiële prikkel ontbreekt om de extractie van bijproducten op te voeren”, stelt metaalexpert Jack Lifton.
Sterker nog: ertsgraden worden steeds lager – dat van koper is in krap honderd jaar van 25 procent naar 0,6 procent gezakt – waardoor mijnbouwbedrijven overschakelen naar andere manieren om metalen te extraheren.
Voor koper betekent dit een verschuiving van zogenaamde electro-winning naar een techniek die solvent leach extractie heet, hoewel met deze laatste techniek geen telluur meer kan worden gewonnen.
Opraken reserves
“We baseren onze groene toekomst op bijproducten”, waarschuwt Lifton, “Metalen die misschien wel of misschien niet worden geproduceerd. Dat lijkt me nogal gevaarlijk.” Dit geldt zeker voor indium, gallium en germanium, aldus Lifton.
“Groene energie kun je met verschillende typen zonnecellen produceren, of op andere manieren, maar je hebt heel specifieke elektronica nodig om de opgewekte energie door te sturen.” Daarin zijn bovengenoemde metalen onmisbaar. Germanium is bijvoorbeeld essentieel voor het maken van verbindingen in het ‘smart grid’, een glasvezelnetwerk dat ook wel het ‘internet van de energie’ wordt genoemd.
“Een grootschalige uitrol van duurzame energie leidt tot decentraal opwekken van energie. Dat er overal windmolens en zonneparken staan”, legt Diederen uit. “Als er dan ergens een surplus aan stroom is, gaat het naar het net. Dat vereist veel communicatie, wat je natuurlijk onder meer met glasvezel wil doen.”
Belangrijke basismetalen als koper, zink, lood en nikkel dreigen schaars te worden, wat de hoeveelheid bijproducten ook doet krimpen.
Belangrijkste basismetalen zijn koper, zink, lood, aluminium, ijzer en nikkel. Op aluminium en ijzer na, dreigen al deze metalen schaars te worden, wat de hoeveelheid bijproducten ook doet krimpen. Daarmee is een oud debat − grenzen aan de groei − weer tot leven gekomen.
“In de jaren zeventig voorspelde de Club van Rome dat allerlei metalen op zouden raken. Maar telkens werden weer nieuwe voorraden ontdekt”, stelt Kleijn. “Dus wat was nu eigenlijk het probleem?”
Daar zet Diederen tegenover: “Voorheen werden bij dreigende schaarste van een metaal de resources, de geschatte hoeveelheid metaal in de aardkorst, opgewaardeerd tot reserves, werkelijk winbaar metaal.”
Goedkope energie
“Zolang energie ongelimiteerd en goedkoop voor handen was, kon je namelijk straffeloos lagere ertsgraden ontginnen of op moeilijk bereikbare plekken metalen winnen. Maar dat is nu niet meer zo. Het onderliggende probleem van metaalschaarste is dan ook energieschaarste.”
Vandaar dat Diederen onderzocht op wat voor termijn reserves van metalen uitgeput raken, bij 2 procent economische groei per jaar. Bij zink, lood, nikkel en koper gebeurt dit binnen dertig jaar, waarbij Diederen zich baseert op gegevens van de United States Geological Survey.
Daarna is de reserve base aan de beurt. Dan komt het er op aan hoeveel energie er nog beschikbaar is en tegen welke prijzen om uit deze moeilijk ontginbare ertsen metalen te winnen.
“Met als mogelijke consequentie ‘dat we niet meer in staat zijn de productie zodanig op te schroeven dat het de vraag kan bijhouden,” licht Diederen toe.
“Dat heeft ook weer zijn weerslag op het milieu”, stelt Armin Reller, chemicus aan de Universiteit van Augsburg en één van de weinig andere wetenschappers die onderzoek doet naar metaalschaarste.
Een tekort in aanbod zal het nog moeilijker maken gangbare misstanden in de mijnbouw aan te pakken, omdat het de financiële belangen van mijnbouwbedrijven vergroot.
Groeiende vraag
Het staat buiten kijf dat de vraag naar metalen de komende decennia hard gaat groeien. “Nu genieten 600 miljoen mensen van de vruchten van onze hightech beschaving. En 6 miljard staan in de rij om het feestje ook bij te mogen wonen”, stelt Lifton.
“Om al deze mensen van net zoveel spullen te voorzien, moet de productie van metalen met een factor tien worden verhoogd ten opzichte van 2008. Als onze samenleving zo dom zou zijn dit te proberen, zal blijken dat de hoeveelheid toegankelijke ertsen op is nog voordat we de productie met een factor twee of drie hebben vergroot.”
Op dit moment kost het winnen en extraheren van metalen ongeveer 7 procent van de wereldwijd beschikbare hoeveelheid energie, aldus Ester van der Voet, industrieel ecoloog aan de Leidse universiteit.
Stel nu dat er in 2050 een wereldbevolking is van 10 miljard − die allemaal net zoveel consumeren als de gemiddelde Amerikaan − dan schiet dit percentage opeens door naar 40 procent.
Door de snelle groei van de wereldbevolking, moet de productie van metalen met een factor tien worden verhoogd tegen 2050.
“Heel eng”, noemt Harald Sverdrup, chemicus aan de Universiteit van Lund, dit vooruitzicht. Deze wetenschapper onderzocht hoe lang het duurt totdat er nog maar 10 procent van de reserve base over is.
Bij koper blijft de teller dan hangen op 71 jaar, bij lood op 51 jaar, bij nikkel op 91 jaar en bij zink op 38 jaar.
“Ik heb deze periodes zo ruim mogelijk genomen omdat ze toch al zo kort bleken te zijn”, verklaart Sverdrup. “Maar als iedereen op Amerikaans niveau gaat consumeren, moet je deze termijnen met een derde terugbrengen. Dat zou een ramp zijn.”
Andere wetenschappers hebben zich in hun berekeningen gebaseerd op de resources, zoals Thomas Graedel, professor aan de universiteit van Yale. Dat ligt voor koper op 1.600 miljoen ton.
Maar je hebt minimaal 1.700 miljoen ton nodig om 10 miljard mensen (de verwachte wereldbevolking in 2050) van 170 kilo koper te voorzien (gemiddeld verbruik in de VS), aldus Graedel.
Terwijl het verbruik van koper per persoon jaarlijks nog steeds toeneemt. En er voor de overgang naar groene energie dus nog meer van nodig is.
Oplossingen
Matigen van consumptie is dus de meest voor de hand liggende oplossing en staat dan ook bovenaan de lijst met te nemen maatregelen van Diederen.
“Alleen is het de minst waarschijnlijke gezien het menselijke gedrag en de honderden miljoenen die nog een beter leven willen krijgen.”
Weten welke metalen er schaars worden, maakt het mogelijk om prioriteiten te stellen in het gebruik. Het heeft ook een signaalfunctie, aldus Reller. “Als iemand in het lab een nieuw materiaal ontwikkelt met schaarse metalen, dan is gelijk duidelijk dat die voor opschaling moeten worden vervangen door minder schaarse.”
Er valt nog meer te verbeteren op het gebied van productontwerp, om zo over de hele linie metalen uit te sparen. “Nu zijn apparaten zo gemaakt dat ze snel op de vuilnishoop belanden”, zegt Diederen. “Ook is repareren vaak duurder dan de aanschaf van iets nieuws. Dat moet veranderen.”
E-waste bevat meer zeldzame metalen dan ertsen, maar slechts een paar bedrijven ter wereld kunnen dit verantwoord recyclen.
Recycling is ook een veelgenoemde oplossing. “Metalen zijn geen confetti”, stelt Sverdrup. “Ze zijn veel te kostbaar om weg te gooien.”
Schroot zoals e-waste bevat tegenwoordig meer zeldzame metalen dan in ertsen zitten. Alleen zijn er nu nog maar een paar bedrijven in de wereld die dit verantwoord kunnen recyclen.
Het vervangen van schaarse metalen door minder schaarse kan ook verlichting brengen. Diederen heeft hier een systeem voor ontwikkeld, gebaseerd op de zogenoemde ‘elements of hope’. Dat zijn metalen waar ruim voldoende van is, zoals ijzer, aluminium en andere elementen zoals natrium, kalium en calcium.
“Er zijn allerlei hightech toepassingen te bedenken, zoals het vervangen van metalen constructies door organische, zoals koolstofvezels in een harsmatrix. Of calciumcarbonaat − wat slakken gebruiken om hun huisje mee te maken − in de vorm van ‘bakstenen’ met eiwit als ‘cement’.”
“Wij kunnen ook dit soort materialen gaan gebruiken als we daarvoor de techniek ontwikkelen. Er valt nog heel veel van de natuur te leren.”
Publicatie: september 2010 in Milieudefensie Magazine.