Kritieke metalen voor de transitie naar een koolstofarme ... · 49 Koen Binnemans, Lessen voor de 21ste eeuw, 19/02/2018 “Het is een paradox dat juist degenen die erg milieubewust

Kritieke metalen voor de transitie naar een koolstofarme economie

Prof. Dr. Koen Binnemans

Departement Chemie

Koen Binnemans, Lessen voor de 21ste eeuw, 19/02/20182


• Inleiding

• Kritieke grondstoffen

• Zeldzame aarden

• Kritieke metalen in energietoepassingen

• Geraken grondstofvoorraden binnenkort uitgeput?

• Industriële procesresidu’s als bron kritieke metalen?

• Sociale dimensie van mijnbouw & NIMBY

Overzicht

Inleiding



CO2 emissie

Bron: http://ec.europa.eu

Bron: www.ucsusa.org


Transitie naar een klimaatvriendelijkeeconomie

Bron: www.arnoldclark.com

Bron: www.telegraph.co.uk Bron: phys.org

Bron: www.lithiumion-batteries.comBron: www.fietsenpagina.nl


Transitie vereist gebruik van velemetalen

Bron: B. Achzet, A. Reller, V. Zepf, Materials critical to the energy industry. An introduction (2011)

Kritieke grondstoffen



• Van groot economisch belang voor EU & onderhevig

aan diverse bevoorradingsrisico’s:

• Monopolie van één land in productie van grondstof

• Belangrijkste voorraden in politiek-onstabiele landen of

conflictzones

• Europese Commissie heeft in 2011 lijst opgesteld van

kritieke grondstoffen (critical raw materials):

• Updates in 2014 en 2017

• 27 grondstoffen zijn kritiek in 2017

• Niet enkel metalen, ook niet-metalen

• Lijst is belangrijk beleidsinstrument (Horizon2020 calls)

Wat zijn kritieke grondstoffen?


Lijst met kritieke grondstoffen (2017)

Bron: Europese Commissie


Lijst met kritieke grondstoffen (2017)

Bron: Europese Commissie (credits figuur: Paul McGuiness)


Landen met grootste aandeel in productie kritieke grondstoffen

Bron: Europese Commissie


• Link met industrie: niet-energetische grondstoffen zijn

verbonden met alle industriële sectoren op alle niveaus

van de bevoorradingsketen

• Moderne technologie: technologische vooruitgang en

levenskwaliteit zijn afhankelijk van een groeiend aantal

grondstoffen

• Milieu: kritieke grondstoffen zijn nauw verbonden met

schone technologieën (cleantech)

Waarom zijn kritieke grondstoffenbelangrijk?


http://ec.europa.eu/growth/sectors/raw-materials/specific-interest/critical_nl

http://ec.europa.eu/growth/sectors/raw-materials/specific-interest/critical_nl


• Positie in lijst is afhankelijk van gebruikte

methodologie

• Kritiekheid kan betrekking hebben op het globale of

regionale niveau (meestal regionaal, bijv. EU)

• Te veel gericht op kortetermijnbelang van industrie

• Grondstoffen worden als kritiek beschouwd omwille van

geopolitieke schaarste en niet omwille van

geologische schaarste

Beperkingen lijst kritieke grondstoffen


• Magnesium als kritiek metaal beschouwd, zink niet

• China: 94% van de bevoorrading magnesium van EU

• Veel meer magnesium beschikbaar dan zink

• Magnesium: 0,05% van aardkorst

• Zink: 0,0032% van aardkorst

• Opname van magnesium in lijst kan leiden tot foutieve

reflex om zoveel mogelijk in toepassingen magnesium

door zink te vervangen: slechte langetermijnsvisie

Magnesium versus zink

Zeldzame aarden(REE)



Zeldzame aarden in periodiek systeem

Lanthaniden = reeks van elementen LaLu

Zeldzame aarden = lanthaniden + Y + Sc

REE = rare-earth elements

LREE = LaSm HREE = Eu Lu, YBron: www.tre-ag.com


Namen en symbolen


Abundantie van zeldzame aarden

Bron: US Geological Survey


Toepassingen van zeldzame aarden

Geoxideerde toestand

Metaaltoestand

Bron: www.eurare.eu


Consumptie van REE per sector

Bron: ERECON report (2015)

Totale REO productie: 120.000 ton/jaar


• Samarium-kobalt legeringen: SmCo5 en Sm2Co17

• Maximaal energieproduct (BH)max: 80 tot 260 kJ/m3

• Goede weerstand tegen corrosie

• Bruikbaar bij hoge temperaturen (> 250 °C)

• Duur (kobalt)

• Klein deel van REE-magneetmarkt (2-5%): niche-toepassingen

• Neodymium-ijzer-boor legeringen: Nd2Fe14B

• Sterkste commerciële permanente magneten

• Maximaal energieproduct (BH)max: 512 kJ/m3

• Slechte weerstand tegen corrosie (oppervlaktecoating vereist)

• Lagere maximale gebruikstemperatuur (80 °C) (met toevoeging dysprosium: tot 200 °C)

REE in permanente magneten


Evolutie van permanente magneten

Bron: http://www.magnetnrg.com


Sterke NdFeB magneten

Kritieke metalen in energietoepassingen




• Hybride elektrische wagens (HEVs), plug-in hybride

elektrische wagens (PHEVs) en zuivere elektrische

wagens (EVs) maken gebruik van NdFeB magneten:

• Elektrische motor (1 tot 1,5 kg NdFeB)

• Stuurbekrachtiging (100 gram NdFeB)

• Start-stopsysteem (200 gram NdFeB)

• Systeem voor recuperatief remmen (700 gram NdFeB)

• Hoog dysprosiumgehalte (10-12 gew.%)

• Doet vraag naar REE >10%/jaar stijgen

• Ook Tesla stapt over van inductiemotor naar REE motor

Elektrische wagens


• Snel groeiende markt voor NdFeB magneten

• Compacte, lichtgewicht elektromotoren

• Gemiddeld 350 gram NdFeB per fiets

• 50% van fietsen verkocht in België zijn elektrisch

• Elektrische fietsen zijn hét succesverhaal van de

elektrificatie van de mobiliteit

Elektrische fietsen

Bron: www.fietsenpagina.nl


• Oudere typen windturbines maken gebruik van inductiegeneratoren met tandwielkast

• Tandwielkast werkt alsversnellingsbak om rotatiesnelheidte verhogen:

• Rotor: 1012 rpm

• Generator: > 1800 rpm verhouding 1:170

• Tandwielkasten zijn duur, zwaar, lawaaierig en vereisen frequent onderhoud

• Bevatten geen REE

Windturbines met tandwielkast

Bron: http://www.daviddarling.info/images/wind_turbine.gif


• Nieuwe generaties van windturbines hebben geen

tandwielkast en maken gebruik van NdFeB magneten

• 650 kg NdFeB magneten per MW vermogen

• Hogere efficiëntie, eenvoudiger

onderhoud, lager gewicht van

generator

• Vooral voor off-shore

windturbines

Direct drive windturbines

Bron: MTorres

Gerakengrondstofvoorradenbinnenkort uitgeput?



Club van Rome (1972)

• Waardevolle bijdrage tot

milieubewustzijn

• Projecties (in de toekomst)

over voorraden grondstoffen

kloppen helemaal niet• Koper zou tegen 1993 schaars

worden

• Anno 2017 staat koper niet op

lijst van kritieke grondstoffen

• Geen schaarste voor 2053

• Grens schuift steeds op


• Minerale reserves: hoeveelheden metaal die effectief zijn

aangetoond en die vandaag economisch ontginbaar zijn met

bestaande technologieën in mijnbouw.

• Minerale rijkdommen: hoevelheden metaal die toegankelijk

zijn in bovenste lagen van de aardkorst; zowel over de

ontdekte afzettingen als nog niet ontdekte afzettingen.

• Auteurs rapport Club van Rome hebben enkel goedgekende,

conventionele afzettingen in rekening gebracht.

• Mijnbouwbedrijven hebben voldoende aan voorraden voor

20-30 jaar.

Minerale reserves vs minerale rijkdommen


• Koper

• Tot op heden 500 miljoen ton ontgonnen

(slechts 10-5 deel van het beschikbare koper)

• Conventionele voorraden nog voor enkele duizenden jaren

voldoende

• Maar:

• Nieuwe ertsafzettingen moeten worden ontdekt

• Nieuwe mijnen moeten worden geopend

• Nieuwe ontginningsmethoden vereist

• Aantal ertsafzettingen is een eindig getal

Voorraden zijn nog lang niet uitgeput


• Zeldzame aarden

• Geen gebrek aan zeldzame aarden, zelfs niet aan meest

kritieke, neodymium

• Gekende voorraden volstaan voor 21ste eeuw

• Gigantische afzettingen beschikbaar in Groenland

(Kringlerne en Kvanefjeld)

• Kritiek omwille van geopolitieke redenen (China)

Voorraden zijn nog lang niet uitgeput


Gastheermetalen en begeleidende metalen

Bron: N. T. Nassar et al. Sci Adv 2015;1:e1400180


• Afhankelijk van productie van de gastheermetalen

• Worden vaak niet gerecupeerd uit ertsen (te duur)

• Productie kan moeilijk snel worden opgedreven

• Cyclische prijsfluctuaties

• Minder gebruik van gastheer kan tot tekorten leiden(bijv. antimoon en bismut in geval van lood)

• Recyclage van basismetalen (e.g. koper) heeft negatief effect op beschikbaarheid van begeleidende metalen

• Ontwikkel nieuwe materialen met zo laag mogelijkgehalte aan begeleidende metalen

Begeleidende metalen (nevenproducten)

Industriële procesresidu’s als bron van kritieke metalen?



• Europa: niet rijk aan ertsafzettingen, wel grotehoeveelheden industriële procesresidu’s

• Flows: residu’s die vandaag in Europa worden geproduceerd (flows)

• Stocks: residu’s die afgelopen 100150 jaar gestort werden in stortplaatsen (landfills) of bezinkingsbekkens (tailing ponds)

• Interessantste residu’s:• Bauxietresidu van aluminium-industrie

• Fosfogips van fosfaatverwerkende industrie

• Ijzerrijk slib van zinkindustrie

Alternatieve bronnen van grondstoffen


• Geproduceerd door het roost-uitloog-elektrowinnings-

proces van de zinkindustrie (jarosiet en goethiet)

• Samenstelling (goethiet):

• Matrix: 30-40 Fetot, 4-8 SiO2, 1-6 CaO, 6-12 Zn, 1-4 Pb (%)

• Kritieke metalen: indium (max. 500 g/ton), germanium (max.

180 g/ton)

• Ontwikkeld door Union Minière (nu Nyrstar)

• Geproduceerd in België, Nederland, Duitsland,

Frankrijk, Finland, Spanje, Italië, Bulgarije

• 500.000 ton/jaar (>10 miljoen ton in stortplaatsen)

Ijzerrijk slib van de zinkindustrie


Goethietbekken Nyrstar (Balen)

Bron: www.deme-group.com


• Metaalcentrische benadering:

• Enkel kritieke metalen worden uit de afvalstroom geëxtraheerd

• Suboptimaal omdat kritieke metalen <1% van materiaal

vormen

• Productcentrische benadering:

• (Bijna) alle componenten in het residu worden gevaloriseerd

• Voor elke afvalstroom moet specifiek proces worden

ontwikkeld om kritieke en basismetalen te recuperen,

terwijl gelijktijdig een oplossing moet gevonden worden

voor de vaste matrix die overblijft na metaalextractie.

Concept van afvalloze valorisatie(zero-waste valorisation)


Flowsheet MSCA-ETN REDMUD

Bron: etn.redmud.org

Sociale dimensie van mijnbouw & NIMBY



• Recyclage/recuperatie van kritieke metalen uit afgedankte

producten en industriële residu’s is essentieel maar kan niet

tegemoetkomen aan (stijgende) vraag (bv. Nd)

• Grootste bedreiging voor voldoende bevoorrading aan

kritieke metalen is niet uitputting van natuurlijke rijkdommen

maar wel de moeilijkheden om nieuwe mijnen te openen

• NIMBY-syndroom ("not in my back yard ")

• Verkrijgen en behouden van Social License to Operate

vereist een aangehouden multi-actor samenwerking met alle

stakeholders (incl. lokale gemeenschappen)

Social License to Operate


REE-afzetting Norra Kärr (Zweden)


Zinkmijn in Plombières (België)


“Het is een paradox dat juist degenen die erg milieubewust zijn en streven naar een snelle transitie naar een koolstofarme economie door hun protesten tegen de opening van nieuwe mijnen de bevoorrading van de grondstoffen die nodig zijn voor deze transitie net in gevaar kunnen brengen. Een open, transparante dialoog over deze paradox dringt zich op, zodat de transitie naar een klimaatvriendelijke economie, en de cruciale rol hierin van de toevoer van kritieke metalen, bespoedigd wordt.”

(Binnemans & Jones, Lessen XXI Eeuw, 2018)

De paradox!

Registreren via:https://www.artefactsymposium.com/


Meer info: www.sim².be

http://www.sim2.be/

Documents

Kritieke metalen voor de transitie naar een koolstofarme ... · 49 Koen Binnemans, Lessen voor de 21ste eeuw, 19/02/2018 “Het is een paradox dat juist degenen die erg milieubewust