Energietransitie vreet metalen

Windmolenpark Teesside. Foto door Paul Howzey. CC BY-NC-ND 2.0

Grotere steden, meer welvaart en complexere producten vereisen meer metalen. Dat geldt ook voor de overgang naar duurzame energie. Daardoor worden de metalen schaarser, terwijl voor hun winning meer energie nodig is. Het probleem bijt in zijn eigen staart.

De komende veertig jaar zal het aantal mensen dat in steden woont naar verwachting verdubbelen. Dat betekent dat we alle steden die we nu kennen nóg een keer zullen moeten bouwen. Steden zoals Parijs, New York en Tokyo, maar ook Chongqing, Guangzhou en Chengdu. We zullen veel materialen nodig hebben voor de gebouwen, (spoor)wegen en metrosystemen van deze miljoenensteden. In diezelfde periode zal het inkomen van de gemiddelde wereldburger naar schatting verdrievoudigen. Dat betekent dat er aanzienlijk meer auto’s, koelkasten, tv’s, computers en andere luxegoederen zullen worden geproduceerd. Ook daardoor zal de vraag naar materialen in de toekomst sterk toenemen.

Tegelijkertijd worden de producten die we gebruiken steeds complexer van samenstelling. Volgens het periodiek systeem, bekend uit de scheikundelessen, hebben we de beschikking over ongeveer negentig elementen die in de natuur voorkomen. Daaruit maken we de materialen die we in alle producten gebruiken. Konden we in de jaren negentig nog volstaan met zestien elementen uit het periodiek systeem om een computerchip te bouwen, tegenwoordig gebruiken we daar meer dan zestig elementen voor. Was de techniek in een auto een aantal decennia geleden vooral mechanisch van aard, gebaseerd op staal, rubber en plastic, tegenwoordig heeft zelfs de meest eenvoudige auto tientallen computers en elektromotoren aan boord. Eenzelfde trend is zichtbaar bij witgoed zoals koelkasten en wasmachines, die bijvoorbeeld steeds vaker verbonden zijn met het internet. De ontwikkeling van steeds complexere producten zorgt voor een sterke toename in de vraag naar specifieke metalen met specifieke eigenschappen.

Naast de toenemende vraag als gevolg van de verstedelijking, welvaartsgroei en het complexer worden van producten is er nog een trend die ervoor zorgt dat de vraag naar met name metalen in de toekomst zal stijgen. Dat is de transitie naar een duurzaam energiesysteem.

Zon en wind

Vooropgesteld moet worden dat er geen alternatief is: als we serieus iets aan klimaatverandering willen doen, zullen we de komende vier decennia moeten overschakelen op een koolstofarme energievoorziening. Die kan gebaseerd worden op fossiele brandstoffen, waarbij de geproduceerde CO2 onder de grond wordt opgeslagen, maar ook daarvoor is extra materiaal nodig in de vorm van afvanginstallaties, pijpleidingen en injectieputten. (Bij stroomopwekking uit gas is circa dertig procent meer staal nodig om de CO2 op te slaan, bij stroomopwekking uit kolen circa zestig procent.) Gezien de discussies over de veiligheid van ondergrondse CO2-opslag, de bijkomende voordelen van bronnen als zon en wind en de snel dalende prijzen voor energie uit deze bronnen is het niet erg aannemelijk dat ondergrondse opslag een reële optie is voor de grootschalige energievoorziening.

Zon en wind beginnen echter met een belangrijke achterstand ten aanzien van fossiele energiebronnen: ze putten uit een bron met een veel lagere intensiteit (exergie). Om een substantiële hoeveelheid energie te verkrijgen uit zon en wind is relatief veel oppervlakte nodig. Voor het vervangen van een grote kolencentrale van duizend Megawatt (MW) zijn rond de vijfhonderd grote windmolens nodig. (Moderne molens op land met een piekvermogen van vijf MW leveren gemiddeld twee MW.) Optimaal geplaatste zonnecellen leveren in Nederland ongeveer 120 kilowattuur per vierkante meter per jaar. Een kleine rekensom wijst uit dat we dan 66 vierkante kilometer aan zonnecellen nodig zouden hebben om dezelfde hoeveelheid elektriciteit te produceren als een grote kolencentrale van duizend MW die gemiddeld op negentig procent van haar vermogen draait. Dit nog afgezien van systemen die nodig zijn om de variatie in de productie als gevolg van variabele wind- en zonintensiteit op te vangen. Zelfs als de zonnecellen uiterst efficiënt worden gemaakt en slechts een paar millimeter dik zijn, is er nog steeds heel veel materiaal nodig voor de cellen en, in geval van plaatsing op land, ook voor de frames die nodig zijn om de cellen in de optimale stand te zetten.

Zeldzame aardmetalen

Een omschakeling naar een duurzaam energiesysteem betekent ook rijden op elektriciteit of misschien waterstof. Dat vergt vervoermiddelen met een andere aandrijving en een batterij of waterstoftank in plaats van een benzinetank. Batterijen staan bekend om het gebruik van schaarsere metalen. Zo zit er in nikkelmetaalhydride-batterijen uiteraard nikkel maar ook lanthaan. Lithiumbatterijen, die je vindt in vrijwel alle laptops, tablets en smartphones, bevatten naast lithium vaak een relatief grote hoeveelheid kobalt. Ook een auto als de Tesla model S (de nieuwe Schipholtaxi) heeft een groot aantal lithiumbatterijen aan boord, ongeveer het equivalent van duizend moderne laptops. Daarnaast zijn er de elektromotoren, waarvan sommige varianten (niet die van Tesla) permanente magneten bevatten die gemaakt worden op basis van neodymium en een kleinere hoeveelheid dysprosium. Beide zijn zeldzame aardmetalen waarvan de productie vrijwel geheel in China plaatsvindt.

Het is dus belangrijk om de bij de keuze van duurzame energietechnologieën niet alleen te mikken op de meest efficiënte technologie maar ook rekening te houden met de beschikbaarheid van materialen. Uiteindelijk zijn we op zoek naar technologieën die een substantiële bijdrage kunnen leveren aan een wereldwijd duurzaam energiesysteem. Dat betekent dat kostprijs en opschaalbaarheid de twee belangrijkste criteria zijn voor de uiteindelijke keuze.

Zelfs als we ervoor zorgen dat de benodigde hoeveelheid schaarse metalen beperkt blijft, zullen we veel materiaal nodig hebben om al deze windmolens en zonnecellen te bouwen. Het gaat dan om bulkmaterialen als staal, beton en aluminium, vrij gangbare metalen als nikkel, koper en tin, maar toch ook om een aantal schaarsere metalen zoals zilver, zeldzame aardmetalen en indium. Tegelijkertijd leren we van klimaatwetenschappers dat de omschakeling naar een duurzaam energiesysteem op korte termijn zal moeten plaatsvinden om klimaatverandering binnen redelijke perken te houden. Binnen dezelfde periode dus als waarin al die nieuwe steden gebouwd gaan worden.

De vraag die dan opdoemt is: kunnen we in die relatief korte periode van enkele decennia de metalen produceren die we nodig hebben om de groei van de vraag bij te houden?

Voorraad

Er wordt op dit moment veel geschreven over schaarse en/of kritieke materialen. Daarbij wordt de uitputting van geologische voorraden vaak gebruikt als criterium voor de schaarste van een metaal. Als je de voorraden in de aardkorst deelt door de jaarlijkse productie, krijg je een getal dat het aantal jaar aangeeft dat deze voorraad nog mee gaat, de zogenaamde R/P ratio. In de praktijk zegt deze maat eigenlijk niet veel, althans niet over de schaarste van een grondstof. Over het algemeen gaat genoemde berekening uit van de economisch winbare voorraad. Deze is echter sterk afhankelijk van technologische vooruitgang en de mate waarin er wordt gezocht naar bepaalde grondstoffen (exploratie). Wanneer de R/P ratio boven de twintig à dertig jaar komt, is er voor mijnbouwbedrijven weinig reden om verder te zoeken.

Daarnaast wordt bij metalen, anders dan bij fossiele brandstoffen, de voorraad beschikbaar materiaal niet kleiner door de winning. Wanneer we een schip maken van ijzer, gemaakt uit ijzererts, raakt het ijzer daarmee niet op. Sterker nog, het ijzer is na afdanking van het schip beschikbaar in een vorm die eigenlijk nog makkelijker is om te zetten in een nieuw product. Er zijn wel verliezen, vooral in de vorm van roest of het verlies van onderdelen. Maar over het algemeen zijn de geologische voorraden, wanneer we wat verder kijken dan de economisch winbare voorraden, zelden zo klein dat we van schaarste moeten spreken.

Eigenlijk moeten we terug naar de basis van de economie: schaarste treedt op wanneer de vraag groter is dan het aanbod. Schaarste is dus veel meer gerelateerd aan de stromen (vraag en aanbod) dan aan de voorraad (geologisch beschikbaar materiaal). De vraag is dan ook niet zozeer of er genoeg metaal in de aardkorst zit, maar of we het aanbod van die metalen snel genoeg kunnen opschalen om de sterk groeiende vraag bij te benen.

Nieuwe mijnen

Het aanbod van metalen komt deels uit de voorraden in de economie (recycling) en deels uit nieuwe productie uit de mijnen. Recycling is mooi en de circulaire economie een belofte die ervoor kan zorgen dat we veel efficiënter omgaan met de beschikbare materialen. Er zijn veel doorgaans goedlopende initiatieven op dit gebied. Maar de hoeveelheid materiaal die beschikbaar komt uit recycling zal in een groeiende economie met duurzame producten altijd sterk achterblijven bij de stijgende vraag. Er zullen dus veel nieuwe mijnen bij moeten komen om aan die vraag te voldoen. Mijnbouwbedrijven willen daar best op inspelen, maar alleen als ze er vrij zeker van zijn dat de vraag daadwerkelijk zal stijgen. Verstedelijking is een vrij constante factor, maar de verdrievoudiging van het gemiddelde inkomen van de wereldburger is al een stuk onzekerder, gezien de huidige ontwikkeling van de wereldeconomie. De snelheid, of eerder het gebrek daaraan, van de transitie naar een duurzame energievoorziening zal voor de mijnbouwbedrijven geen reden zijn om de productie op te voeren. Het klimaatbeleid is daarvoor nog veel te slap. Er is meer nodig om aandeelhouders en geldschieters te overtuigen van de noodzaak van het investeren in nieuwe mijnen.

Zelfs als het mijnbouwbedrijven zou lukken om de handen op elkaar te krijgen voor de bouw van nieuwe mijnen, duurt het zo’n tien jaar voordat deze operationeel zijn. Daarbij komt dat de ertskwaliteit steeds lager wordt, deels omdat de rijkste ertsen in het verleden al zijn ontgonnen en deels omdat, met de huidige grootschalige dagbouw, het ontginnen van grote ertsvoorraden van lagere kwaliteit vaak goedkoper is dan het ontginnen van kleinere voorraden van hoge kwaliteit. Het gebruik van laagwaardiger ertsen zorgt voor meer mijnbouwafval en een groter verbruik van water en energie per kilogram geproduceerd metaal. Op dit moment wordt meer dan zeven procent van de totale hoeveelheid energie die we wereldwijd consumeren gebruikt voor de productie van primaire materialen. Als de ertskwaliteit daalt zal deze hoeveelheid in absolute termen stijgen. Je zou kunnen stellen dat het probleem hier in zijn eigen staart bijt: er zijn meer metalen nodig voor de energietransitie en er is meer energie nodig om die metalen te winnen.

Fysieke wereld

We leven in interessante tijden, met alle ambivalentie die daarbij hoort. Er is veel hoop te putten uit de snelle groei van duurzame energiebronnen. Tegelijkertijd zullen we de materialen die nodig zijn voor een echte energietransitie beschikbaar moeten maken. Een slimme keuze van technologieën kan ons daarbij helpen, maar zeker ook het voorkomen van verspilling en het werken aan een circulaire economie. Uiteindelijk is iedere economie, hoe geavanceerd of virtueel ook, gebaseerd op het fundament van de fysieke wereld die bestaat uit materialen en energie.

 

Dit artikel staat in De Helling, herfst 2015: Grondstoffenpolitiek

 

Industrieel ecoloog aan de Rijksuniversiteit Leiden.
Alle artikelen