zeldzame aardmetalen

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.

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