Binnemans presentatie

(1)

Kritieke metalen voor de transitie

naar een koolstofarme economie

(2)

(3)

• 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

(4)

(5)

CO

₂

emissie

(6)

Transitie naar een klimaatvriendelijke

economie

Bron: www.arnoldclark.com

Bron: www.telegraph.co.uk _{Bron: phys.org}

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

(7)

Transitie vereist gebruik van vele

metalen

(8)

(9)

• 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

(10)

Lijst met kritieke grondstoffen (2017)

(11)

(12)

Landen met grootste aandeel in

productie kritieke grondstoffen

(13)

• 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 grondstoffen

belangrijk?

(14)

(15)

• 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

(16)

• 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

(17)

Zeldzame aarden

(REE)

(18)

Zeldzame aarden in periodiek systeem

Lanthaniden = reeks van elementen LaLu Zeldzame aarden = lanthaniden + Y + Sc REE = rare-earth elements

LREE = LaSm HREE = Eu  Lu, Y

(19)

(20)

Abundantie van zeldzame aarden

(21)

Toepassingen van zeldzame aarden

(22)

Consumptie van REE per sector

Bron: ERECON report (2015)

(23)

• 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)

(24)

Evolutie van permanente magneten

(25)

(26)

Kritieke metalen in

energietoepassingen

(27)

(28)

• 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

(29)

• 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

(30)

• Oudere typen windturbines maken gebruik van inductiegeneratoren met tandwielkast

• Tandwielkast werkt als

versnellingsbak om rotatiesnelheid te verhogen:

• Rotor: 1012 rpm

• Generator: > 1800 rpm verhouding 1:170

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

• Bevatten geen REE

Windturbines met tandwielkast

Bron:

(31)

• 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

(32)

Geraken

grondstofvoorraden

binnenkort uitgeput?

(33)

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

(34)

• 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.

(35)

• 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

(36)

• 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)

(37)

Gastheermetalen en begeleidende

metalen

(38)

• 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 mogelijk

gehalte aan begeleidende metalen

(39)

Industriële

procesresidu’s als

bron van kritieke

metalen?

(40)

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

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

• Stocks: residu’s die afgelopen 100150 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

(41)

• Geproduceerd door het roost-uitloog-elektrowinnings-proces van de zinkindustrie (jarosiet en goethiet)

• Samenstelling (goethiet):

• Matrix: 30-40 Fe_tot, 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,

(42)

Goethietbekken Nyrstar (Balen)

(43)

• 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

Concept van afvalloze valorisatie

(zero-waste valorisation)

(44)

Flowsheet MSCA-ETN REDMUD

(45)

Sociale dimensie

van mijnbouw &

NIMBY

(46)

• 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)

(47)

(48)

(49)

“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 paradox!

Registreren via:

(50)