Chips, transistors en zonnepanelen worden allemaal gemaakt met silicium. De vraag, en dus de productie, van dit mineraal is de afgelopen decennia sterk gestegen door de toename in de productie van zonnecellen en rekenkracht. Toch brengt de productie van silicium hoge milieukosten met zich mee. Per kilogram geproduceerd silicium wordt 7,5 kilogram CO2 in de atmosfeer uitgestoten.
- Silicium kan ons helpen bij de overgang naar een groenere toekomst, maar de productie ervan is erg vervuilend.
- In verschillende projecten verminderen aluminium en waterstof het steenkoolverbruik bij de productie van silicium.
- De EU lanceerde een project om de veerkracht van de toeleveringsketen van silicium te verbeteren.
Tegenwoordig wordt er wereldwijd ongeveer achtduizend ton silicium geproduceerd. China is veruit wereldleider met een productie van ongeveer zesduizend ton. Rusland staat op de tweede plaats, met minder dan tien procent van de Chinese leveringen – ongeveer 580 duizend ton. Noorwegen is het Europese land dat het meeste silicium produceert.
In de nabije toekomst zal de vraag naar silicium naar verwachting verder stijgen door de groei van zonne-energie-installaties en de uitbreiding van rekenkracht aangedreven door AI-modellen. De EU heeft silicium sinds 2014 geclassificeerd als een kritieke grondstof (CRM). De bereidheid van Europa om zich los te koppelen van de Aziatische supermacht geldt ook voor silicium, maar de weg naar zelfvoorziening is lang – en kronkelig. Met de klimaatdoelstellingen in het verschiet is het bereiken van zelfvoorzieningsdoelen op een groene manier de weg die Europa wil bewandelen. Er bestaan enkele Europese projecten om de siliciumproductie koolstofvrij te maken; hoe willen ze de voetafdruk van deze industrie verkleinen?
Zo gewoon, zo zeldzaam
Hoewel het het op één na meest voorkomende element op de aardkorst is, komt puur silicium bijna nooit voor in de natuur. Het wordt voornamelijk gevonden in rotsen of zand als siliciumdioxide, vaak gecombineerd met zuurstof. Kwarts – bestaande uit één siliciumatoom en twee waterstofatomen – is een van de meest gebruikte gesteenten voor de productie van zuiver silicium.
In het traditionele smeltproces worden kwarts en koolstof gebruikt om zuiver silicium te krijgen. In hoogtemperatuurovens wordt de binding tussen het siliciumatoom van kwarts en de waterstofatomen opgelost met behulp van vaste koolstof, zoals steenkool of cokes. De output van dit proces is puur silicium, koolmonoxide en kooldioxide, waardoor de productie van silicium zeer vervuilend is. Noorwegen, Europa’s grootste producent van aluminium en silicium, genereert tien procent van zijn emissies uit de metaalindustrie. Daarom zijn er nieuwe technologieën in opkomst om het proces koolstofvrij te maken en groen silicium te maken, waarbij koolstof wordt vervangen door groene alternatieven.
Aluminiumschroot ter vervanging van steenkool
De Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) heeft een industrieel proces ontwikkeld dat alle directe kooldioxide- en stikstofemissies uit het productieproces van silicium kan verwijderen. Deze nieuwe methode, SisAl genaamd, gebruikt aluminium in plaats van koolstof om de bindingen binnen kwartsatomen te verbreken. Dankzij deze methode ligt “groene siliciumproductie om de hoek”, vertelt Maria Wallin, materiaalonderzoeker aan NTNU, in het Noorse SciTech News.
Terwijl het conventionele siliciumsmeltproces endotherm is, wat betekent dat er energie wordt gebruikt om het kwarts te verkleinen, is SisAl exotherm, omdat bij de reactie tussen kwarts en aluminium energie vrijkomt. “SisAl gebruikt slechts een derde van het energieverbruik per ton afgewerkt silicium,” zegt Wallin. Bovendien gebruikt SisAl bijna al het kwarts dat in de oven wordt gebracht – de conventionele methode neemt 85 tot 92 procent ervan in beslag.
Bovendien kan het proces slakken en schroot uit de aluminiumindustrie gebruiken, evenals dun aluminium uit de voedingsindustrie. Het SisAl-proces genereert ook calciumoxide en aluminiumoxide als schroot, stoffen waar de staalindustrie om vraagt. In zekere zin is het model erop gericht om de kringloop te sluiten en een circulair bedrijfsmodel te creëren. Wallin gelooft ook dat de huidige smelterijen geen grote bedragen hoeven te investeren om de huidige productie aan te vullen of te vervangen. NTNU heeft patent gekregen op het SisAl-proces en bouwt een proeffabriek in Zuid-Afrika om het verder te testen.
De rol van waterstof
Uit buurland Zweden komt een andere technologie. Green14 bouwt een nieuwe reactor om groen silicium te produceren. De faciliteit is bedoeld om silicium op een innovatieve en milieuvriendelijke manier te produceren. De oven van de startup gebruikt waterstofplasma van 3000 graden Celsius om siliciumdioxide om te zetten in zuiver silicium. Na succesvolle experimenten besloot het bedrijf zijn proces op te schalen en bouwde de oven in de ovenhal van het KTH Royal Institute of Technology.
In plaats van vaste koolstof te gebruiken – namelijk steenkool of cokes – is het bedrijf van plan waterstofplasma te gebruiken, een materietoestand waarin waterstof is geïoniseerd tot plasma. Plasma is een van de vier fundamentele toestanden van materie – de meest voorkomende – en wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een deel geladen deeltjes in een willekeurige combinatie van ionen en elektronen. Daarom bestaat waterstofplasma uit vrije elektronen en protonen die elektriciteit geleiden en die gemanipuleerd kunnen worden door magnetische velden.
Het bijproduct van het door Green14 ontwikkelde proces is waterdamp. Een andere gegenereerde nevenstroom is silicaat, een verbinding die wordt gebruikt in accu’s van elektrische auto’s. Hoe veelbelovend het proces ook is, het brengt relevante uitdagingen met zich mee, zoals veiligheid. “De combinatie van hoge temperatuur en waterstofgas is altijd een risico,” zegt Björn Glaser, projectmanager bij de Zweedse startup. De proeffabriek zal Green14 helpen zijn technologie te verfijnen.
Waardeketen
In een poging om de afhankelijkheid van externe leveranciers te verminderen, lanceerde de EU het RESiLEX-project. Het initiatief maakt deel uit van Horizon Europe – het vlaggenschip van de EU op het gebied van onderzoek – en is bedoeld om de veerkracht en duurzaamheid van de gehele siliciumwaardeketen te vergroten. RESiLEX is medio 2022 van start gegaan en omvat de winning en transformatie van grondstoffen en de optimalisatie en recycling van fotovoltaïsche (PV) modules.
Het ontwikkelen van innovatieve oplossingen voor het terugwinnen van mijnafval is een van de initiatieven van het project, dat wordt geleid door Cetaqua – een wateronderzoeksbedrijf en een van de leden van het consortium dat 21 Europese partners omvat. NTNU sloot zich ook aan bij het programma met haar initiatief voor aluminiumraffinage. Tot 2026 heeft RESiLEX tijd en geld om dieper op het onderwerp in te gaan.
Met verschillende rollen zullen chips en zonnepanelen de maatschappij helpen bij de overgang naar groenere normen. Op dit moment hebben we nog geen volledig groene zonnepanelen en rekeneenheden. Maar naarmate het onderzoek vordert, zou groen silicium binnenkort realiteit kunnen worden en mogelijk een impact kunnen hebben op het geopolitieke landschap.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
