Zonder grondstoftransitie geen energietransitie

Vier voorbeelden van materiaaltransitie:

1. Elektrisch rijden met kobaltvrije batterijen
2. Slimmer grondstofverbruik voor smartphones
3. Doorbraak in opschaling waterstofproductie
4. Circulaire zonnepanelen zijn duurzamer

Green Deal en materiaaltransitie: Wat is er nodig om dat te halen?

Om de klimaatdoelen te halen en de opwarming van de aarde te beperken is een energietransitie nodig van een ongekende schaal. Maar om die fossielvrije toekomst mogelijk te maken, zijn grondstoffen nodig. Heel veel grondstoffen, concludeert ook de Belgische universiteit KU Leuven.

Als de Europese Unie in 2050 de Green Deal-doelstelling van klimaatneutraliteit wil halen, is bijvoorbeeld 35 keer meer lithium nodig dan er momenteel in Europa wordt verbruikt. Ook moet de aanvoer van aluminium, koper, silicium, nikkel en kobalt drastisch worden opgevoerd, voor de productie van elektrische voertuigen en batterijen, en technologieën voor hernieuwbare wind-, zonne-energie en waterstof.

Niet alleen zijn er zorgen over de beschikbare hoeveelheid grondstoffen, maar ook over de leveringszekerheid. Europa wordt afhankelijk van een klein aantal grondstofrijke landen. Omdat elke overheid haar energielevering wil veiligstellen, zal de concurrentie op het gebied van grondstoffen de geopolitieke verhoudingen op scherp zetten.

Materiaaltransitie in 4 voorbeelden

Om de energietransitie te laten slagen, kijken we bij TNO naar alle aspecten van grondstoffen. We achterhalen welke materialen essentieel zijn én hoe we die kunnen veiligstellen. Daarnaast ontwikkelen we duurzame technologieën op basis van alternatieve materialen, en productie- en recycletechnieken die nog efficiënter met schaarse grondstoffen omgaan. Met deze vier voorbeelden laten we zien hoe we bij TNO werken aan die materiaaltransitie.

1. Elektrisch rijden met kobaltvrije batterijen

Vanaf 2035 moeten alle nieuw verkochte auto's in Europa elektrisch zijn. Dit betekent dat de auto-industrie sterk afhankelijk wordt van de beschikbaarheid van lithium en kobalt dat nodig is voor het produceren van batterijen. Om die afhankelijkheid te verkleinen en in Nederland een kennisvoorsprong op te bouwen in duurzame batterijtechnologie, is het Battery Competence Center opgezet.

Kennisinstituten als TNO werken samen met technologiebedrijven aan innovatieve batterijmaterialen, zoals silicium anode, en vooruitstrevende dunne-film productietechnologieën. Ongeveer twee derde van het gewonnen kobalt komt uit Congo. Naast dat het delven veel inspanning vraagt van de mijnwerkers, zijn er misstanden bekend van kinderarbeid en milieuverontreiniging.

COBRA (Cobalt-free Batteries for FutuRe Automotive Applications) is een gezamenlijk onderzoeks- en innovatieproject dat zich richt op het ontwikkelen van een nieuwe generatie kobaltvrije lithium-ion batterijen. Als alternatief worden de veelvoorkomende metalen nikkel, ijzer en aluminium gebruikt, wat dit batterijsysteem en daarmee elektrisch rijden goedkoper maakt.

2. Slimmer grondstofverbruik voor smartphones

Wereldwijd worden er jaarlijks meer dan een miljard smartphones verkocht. Die zitten vol met allerlei metalen, waarvan sommige schaars zijn. Indium wordt gebruikt voor de aanraakschermen, neodymium is nodig voor de trilfunctie, en lithium zit in de batterij.

Vooral in de accu is veel winst te behalen, weten ze bij LionVolt. Deze spin-off van TNO bij Holst Centre werkt aan zogenaamde ‘3D solid-state’ batterijen. Met deze technologie wordt de volgende generatie batterijen op de markt gebracht, die intrinsiek veilig (solid-state ontploft niet) en licht in gewicht zijn, razendsnel opladen en een veel langere levensduur hebben.

Om ze te maken zijn er bovendien minder grondstoffen nodig. LionVolt gebruikt hiervoor namelijk dunne-filmprocessen die we kennen van de productie van platte beeldschermen.

Een van die gepatenteerde processen is spatial Atomic Layer Deposition (sALD), een technologie die is ontwikkeld door SparkNano, een andere spin-off van TNO bij Holst Centre. Met sALD kun je zeer dunne lagen materiaal met hoge precisie aanbrengen. Deze technologie draagt bij aan het efficiënter produceren van nog betere batterijen, en aan een veel beperkter gebruik van iridium bij elektrolyzers die groene waterstof produceren.

3. Doorbraak in opschaling waterstofproductie

De beschikbaarheid van grote hoeveelheden betaalbare groene waterstof is essentieel voor het slagen van de energietransitie. Het kan gebruikt worden om overschotten aan windenergie op te slaan, om de zware industrie te verduurzamen, en als buffer om in alle seizoenen leveringszekerheid van energie te bieden.

Voor het produceren van groene waterstof heb je een elektrolyser nodig. Die maakt gebruikt van een membraan bekleed met iridium of platina als katalysator om waterstof en zuurstof te scheiden. Die uiterst zeldzame grondstoffen vormen precies de bottleneck voor het opschalen van de productie van waterstof. Want om in 2050 aan de vraag naar waterstof te kunnen voldoen, moeten we wereldwijd de elektrolysecapaciteit met een factor 25.000 opvoeren.

Met de huidige techniek is die ambitie niet haalbaar. Daarom werkt TNO aan drie oplossingsrichtingen:

• Afhankelijkheid van kritieke grondstoffen verlagen;
• Het gebruik van de huidige elektrolyzers intensiveren;
• Kritieke grondstoffen recyclen: o.a. door te recyclen uit elektronische apparatuur.

4. Circulaire zonnepanelen zijn duurzamer

We halen steeds meer energie uit de zon. De meer dan 14 gigawattpiek (GWp) aan geïnstalleerd zonne-energievermogen voor elektriciteitsopwekking in Nederland zal naar verwachting oplopen richting 50 GWp in 2030 en 200 GWp in 2050.

Toch kan deze hernieuwbare energiebron een stuk duurzamer. Zo belanden zonnepanelen nog op grote schaal in de shredder om als vulmateriaal te dienen voor de (wegen)bouw. In 2050 zou het wereldwijd om 10 miljard zonnepanelen gaan met een gewicht van 60 miljoen ton.

Bovendien worden schaarse en waardevolle materialen als silicium, zilver en koper nog nauwelijks teruggewonnen. Daarom werkt TNO aan een circulair ontwerp voor recyclebare zonnepanelen, waarmee vrijwel alle materialen aan het einde van de levensduur terug te winnen zijn en herbruikbaar voor andere hoogwaardige toepassingen.

In het EU-Horizon project PILATUS werken 19 bedrijven en onderzoeksinstellingen samen om de hele keten, van ontwerp en productie tot afdank, demontage en recycling, circulair te organiseren. Daarnaast werkt TNO samen met partners aan alternatieve materialen die minder schadelijk en beter beschikbaar zijn.