zeldzame aardmetalen

Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden.

Rapport: hernieuwbare energie leidt tot schaarste metalen

Olie is vervuilend en wordt schaars en duur. Overschakelen op alternatieve energiebronnen stuit volgens een MIT-onderzoek echter op een andere bottle neck: de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor bijvoorbeeld permanente magneten.

Zeldzame metalen voor wind
Windenergie is na waterkracht (die al bijna volledig benut wordt), althans op dit moment nog, de alternatieve energiebron met de hoogste EROEI. Dat wil zeggen, dat als je een joule energie in windenergie stopt, je er twintig joule voor terugkrijgt. Geen wonder dat je dus vooral in gematigde streken met veel wind, steeds meer windmolenparken vindt. Helaas is een onmisbaar onderdeel van windturbines, een permanente magneet met het zeldzame aardmetaal neodymium. Het element dysprosium is een essentieel element voor veel typen elektromotoren, zoals in sommige elektrische auto’s. Beide elementen zijn afkomstig uit zeer milieuonvriendelijke mijnbouwoperaties in China en lijken komende jaren schaars te worden. Analisten hopen overigens dat een grote mijn in Canada die nu wordt aangelegd soelaas kan bieden.

Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden.
Er zal een klein wonder moeten gebeuren wil de productie van zeldzame aardmetalen de exploderende vraag bijhouden

Zware tekorten
In de studie werd gekeken naar tien “zeldzame aarden”, die op zich overigens niet heel erg zeldzaam zijn. De zeventien “zeldzame aarden” behoren tot dezelfde chemische groep, de zogeheten lanthaniden – die raadselachtige lange reeks vreemde elementnamen onderaan de periodieke systeemtabel -en worden gebruikt in bepaalde high-tech apparatuur, onder meer voor duurzame energievormen. Van deze tien zullen de twee genoemde, dysprosium en neodymium – ernstige tekorten vertonen. Dysprosium gaat de grootste problemen opleveren: de vraag gaat naat schatting met factor 26 toenemen in de komende kwart eeuw. De vraag naar neodymium zal met zevenhonderd procent stijgen. De reden: de buitengewone magnetische eigenschappen van beide materialen, waardoor er sterke lichtgewicht permanente magneten en batterijen mee kunnen worden geproduceerd. Een grote 3,5 MW windturbine bevat ongeveer 600 kg zeldzame aarden. Een benzineauto gebruikt ongeveer een halve kilogram aan zeldzame aarden, voornamelijk in de kleine elektrische motoren die bewegende onderdelen aandrijven, maar een elektrische auto met zijn accu’s en zware elektronotor factor tien meer.

Chinees monopolie
China produceert 98 procent van alle zeldzame aarden. Voor geen enkele andere commerciële grondstof is de aanvoer zo geconcentreerd. Historisch gezien groeide de productie nooit meer dan met twaalf procent per jaar, maar willen we snel op grote schaal over op elektrisch vervoer, dan is een veelvoud van deze groei nodig, zie grafiek. China beschikt over ongeveer de helft van de wereldreserves, ook de VS beschikt over aanzienlijke voorraden. Door de strenge milieu-eisen in de VS stopte de mijnbouw hier. In China is, zoals bekend, voor het regime het milieu niet echt een belangrijke overweging  – waarvoor de Chinese bevolking een afschuwelijke tol betaalt – wat China in staat stelde met goedkope, milieuonvriendelijke mijnbouwmethoden de Amerikaanse concurrentie van de markt te drukken. Door de schaarste en verbeterde mijnbouwtechnieken zal hier nu toch verandering in komen. Wat de zaak compliceert is dat zeldzame aarden doorgaans bijproducten zijn van andere metaalwinning. De productie is dan ook laag – van dysprosium bijvoorbeeld honderd ton per jaar.

Meer recycling
Wie het nieuws een beetje volgt, weet dat koper in bijvoorbeeld standbeelden nu al in hoog tempo wordt gerecycled door criminelen. De onderzoekers denken dat dit ook met de zeldzame aarden moet gebeuren. Op dit moment is recycling van zeldzame aardmetalen eerder uitzondering dan de regel. Deze luxe kunnen we ons niet meer permitteren, aldus de schrijvers van het rapport. Ook zullen we op zoek moeten gaan naar nieuwe bronnen voor het metaal. Op zich zit er voldoende erts in de grond voor decennia. De kunst is alleen de mijnbouwoperaties zo op te schalen dat we op tijd over dit metaal kunnen beschikken. Dat kost veel tijd, rond een jaar of tien, en veel energie. Dan kunnen we bijvoorbeeld minder energie aan ambtenaren, bonussen voor Goldman Sachs managers en bedenkers van slimme lease-constructies besteden. De beste oplossing is uiteraard een compacte vervanger te vinden voor de zeldzame aarden. Wellicht kan door een slimme rangschikking van atomen uit alledaagse materialen een vervanger voor dysprosiummagneten worden ontwikkeld.

Lees ook
Vervangers zeldzame aarden gevonden
Afschaffen fossiel kan al over twintig jaar

Bron:
Clean energy could lead to scarce materials, MIT News (2012)
Elisa Alonso et al., Evaluating Rare Earth Element Availability: A Case with Revolutionary Demand from Clean Technologies, Environ. Sci. Technol., 2012, DOI: 10.1021/es203518d

Rapport: hernieuwbare energie leidt tot schaarste metalen Meer lezen »

Arbeiders in Chinese mijnen werken onder erbarmelijke omstandigheden.

Vervangers zeldzame aarden gevonden

China heeft een bijna-monopolie op zeldzame aardmetalen (voor de techneuten onder u: lanthaniden, scandium en ytttrium). Dit doordat in China wat minder nauw om wordt gesprongen met milieuregels, waardoor de goedkope Chinese mijnen de rest van de wereld van de markt drukten. Vervelend nieuws, want elektromotoren (en de dynamo’s in windturbines) werken vaak met sterke permanente magneten waar deze zeldzame aardmetalen een essentieel onderdeel van vormen. Tot voor kort geen probleem, maar China heeft de export van de zeldzame aarden nu aan banden gelegd om zo buitenlandse fabrikanten te dwingen hun fabrieken naar China te verplaatsen. Gelukkig heeft GE Global Research nu een doorbraak bereikt: een sterke natuurlijke magneet bestaande uit veel voorkomende elementen.

Arbeiders in Chinese mijnen werken onder erbarmelijke omstandigheden.
Arbeiders in Chinese mijnen werken onder erbarmelijke omstandigheden.

Vooral essentieel is het metaal neodymium dat met ijzer en boor in permanente magneten wordt verwerkt. Andere zeldzame aarden, waaronder dysprosium en terbium worden gebruikt om nog sterkere magnetische mengsels van te bakken. Op alle drie elementen heeft China een wurggreep. In de nieuwe materialen wordt gebruik gemaakt van nanostructuren: op zeer kleine schaal verandert de structuur van het materiaal de magnetische eigenschappen totaal. Hierdoor worden de magneten veel sterker. Op dit moment experimenteert de groep met verschillende combinaties van neodymium (toch), ijzer en kobalt. Alhoewel de onderzoekers niet verder zijn gekomen dan een dun laagje van het nieuwe nanomateriaal, zou dit wel eens de technische doorbraak kunnen zijn waardoor de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen wordt doorbroken – en hiermee de opmars van alternatieve energie door kan gaan. Ook buiten China…

Bron: Technology Review

Vervangers zeldzame aarden gevonden Meer lezen »