‘We kunnen niet zonder.’ TU Delft onderzoekt nieuwe manieren om kritieke grondstoffen te verkrijgen

By Mauro Mereu

Koper, lithium, kobalt, of beter: windturbines, zonnepanelen, batterijen, computers, schermen en allerlei apparaten. Tientallen grondstoffen liggen aan de basis van elke sleuteltechnologie die de groene transitie voedt en vormen het middelpunt van geopolitieke spanningen. David Peck, hoogleraar kritische materialen en productontwerp aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft), vergelijkt de huidige tijden met de situatie na de Tweede Wereldoorlog. Toen begrepen de zes Europese landen achter de Europese Gemeenschap voor Kolen en Staal dat er geen toekomst was zonder metalen en energie. “Tegenwoordig is de situatie niet veel anders; we kunnen niet zonder”, benadrukt hij.

De Materials Week van de TU Delft is in volle gang. Met dit initiatief toont de universiteit haar inspanningen op een van de cruciale gebieden in de komende decennia. Vorig jaar publiceerde de Europese Commissie een onderzoek naar kritieke grondstoffen (CRM) waarin de aanhoudende vraag naar deze grondstoffen werd onderstreept, de lijst met CRM werd geactualiseerd en de afhankelijkheid van de EU van derde landen voor de meeste van deze grondstoffen werd geschetst.

Afgelopen maart nam de EU de wet Kritieke Grondstoffen aan, waarin nieuwe normen voor bevoorrading, recycling en mijnbouw zijn vastgelegd, met als doel een gediversifieerde, betaalbare en duurzame aanvoer tegen 2030. De verordening definieerde deze materialen als onmisbaar voor een aantal strategische sectoren, waaronder lucht- en ruimtevaart, net-nul-industrie en defensie. Een van de uitgangspunten van de richtlijn is dat 10% van het jaarlijkse verbruik van mineralen in de EU in Europa moet worden gewonnen.

Europa wil zich met Wet Kritische Grondstoffen bevrijden van ongewenste afhankelijkheden

Wanneer 98% van de grondstoffen voor permanente magneten – die bijvoorbeeld essentieel zijn in windturbines – uit één land (China) komt, begrijpt iedereen dat die afhankelijkheid problematisch is. De European Critical Raw Materials Act moet aan deze situatie een einde te maken. EU-voorzitter Ursula von der Leyen verwacht dat de wet Europa dichter bij haar klimaatambities zal brengen. “Het zal de raffinage, verwerking en recycling van kritieke grondstoffen hier in Europa aanzienlijk verbeteren.”

Nieuwe manieren van mijnbouw

Mijnbouw is de belangrijkste manier om materialen te winnen, en de TU Delft onderzoekt ook minder vervuilende manieren om materialen te winnen. Het terugwinnen van materialen uit afvalstromen is één optie. Bij het winnen van koper is slechts 1% daadwerkelijk koper, omdat het bindt met andere mineralen. De overige 99% wordt weggegooid. Mijnen lozen ook afvalwater in het milieu dat nog waardevolle metalen bevat, zoals zink in het geval van koper.

Lot van der Graaf, onderzoeker bij de afdeling Resource Engineering, kijkt naar het gebruik van micro-organismen om mineralen terug te winnen uit de afvalstromen van mijnen. In zekere zin is ze mijnbouw met bacteriën. “Als microbiotechnoloog vind ik deze bacteriën fascinerend. Ze leven in extreme omstandigheden, waar bijna geen leven is, en ze kunnen worden gebruikt om mineralen terug te winnen die nu verloren gaan,” legt ze uit. Haar collega Tobias Schmiedel bestudeert andere potentiële mineraalbronnen. Geothermisch water bevat bijvoorbeeld lithiumconcentraties. Interessant genoeg heeft een deel van zijn onderzoek ook betrekking op de asfaltafvalstroom, waar een mineraal als platina – dat uit de uitlaten van auto’s komt – kan worden gevonden. Platina – ook aangemerkt als CRM – wordt veel gebruikt in de elektronica- en auto-industrie.

Recycling

Een andere doelstelling van de Wet Kritische Grondstoffen is het verhogen van de hoeveelheid gerecyclede materialen. Tegen 2030 moet 25% van de grondstoffen die jaarlijks in de EU worden verbruikt, worden gerecycled. In het hydrometallurgielab van de TU Delft – een techniek waarbij een oplossing op waterbasis wordt gebruikt om metalen te extraheren – experimenteren wetenschappers met chemische recycling van elektronische componenten. Door onderzoek te doen naar manieren om materialen en componenten efficiënt te scheiden, effenen ze het pad naar volledig circulaire elektronica.

Daarnaast onderzoeken de wetenschappers ook manieren om lithium-ionbatterijen te recyclen. Uitgaande van de zogenaamde zwarte massa – het poedermengsel dat ontstaat na het versnipperen van batterijen – werken ze aan het vinden van de meest efficiënte manieren om herbruikbaar nikkel, kobalt of lithium te krijgen. “Stap voor stap werken we aan het scheiden en terugwinnen van alle mineralen, te beginnen met aluminium en koper en vervolgens mangaan, nikkel, kobalt en zelfs lithium. Deze processen zijn echter nog niet optimaal en we moeten nog verder onderzoek doen,” legt Shoshan Abrahami, professor aan de faculteit Werktuigbouwkunde, uit.

Grondstoffen traceren

Vanaf 2027 gaat het Digitale Productpaspoort (DPP) van de EU van start. Dit initiatief, dat van start gaat met metalen, textiel en batterijen, heeft als doel gegevens over de hele levenscyclus van een bepaald materiaal transparant te maken. Bedrijven moeten zich aan de regels houden en gegevens delen over de grondstoffen en herkomst van een bepaald product, waardoor consumenten uiteindelijk meer transparantie krijgen over de goederen die ze kopen. “Het delen van alle informatie over producten en hun herkomst is essentieel om recycling en hergebruik van dergelijke materialen aan het einde van hun levenscyclus te bevorderen,” aldus Jolien Ubacht, professor aan de faculteit Beleid en Technologiemanagement.

EIT InnoEnergy en Demeter lanceren fonds van €500 miljoen voor batterijgrondstoffen om Europese strategische autonomie te stimuleren

EIT InnoEnergy, de Europese innovatiemotor op het gebied van duurzame energie, en Demeter Investment Managers, een grote private equity- en durfkapitaalonderneming, lanceren een fonds dat zich richt op een veerkrachtige en diverse toeleveringsketen van batterijgrondstoffen voor Europa.

Wat komt hierna?

Met het oog op de toekomst voeren Delftse wetenschappers simulaties uit van de werkelijke hoeveelheid grondstoffen die de komende decennia nodig zijn. Willem Auping van de faculteit Beleid en Technologie Management werkt aan verschillende modellen om te berekenen hoeveel CRM’s er nodig zullen zijn in verschillende scenario’s. En zulke scenario’s kunnen sterk variëren, afhankelijk van de technologische en strategische keuzes en de doorbraak in de toekomst. En zulke scenario’s kunnen sterk variëren, afhankelijk van de technologische en strategische keuzes en de doorbraken in de ene of de andere sector.

Op dezelfde manier heeft Benjamin Sprecher, professor aan de faculteit Industrieel Ontwerpen, onderzocht hoe de Nederlandse elektriciteit er de komende jaren uit zal zien, op basis van de gegevens van netbeheerder Tennet. Hij ziet veel fluctuaties in productieketens. Hij noemde het voorbeeld van de productie van lithium-ijzerfosfaatbatterijen in China en liet zien hoe de productie in drie jaar tijd daalde van 70% naar 32% en in de drie jaar daarna weer steeg met 30%. Daarom is het moeilijk voor landen en bedrijven om investeringen in mijnbouw te plannen. “Wat het verschil maakt, is staatssteun, die in China zeker aanwezig is,” zei hij.

Ondanks alle zorgen kijkt Peck positief naar de toekomst. “We kunnen niet naar de toekomst kijken zonder achterom te kijken. In het verleden hebben we slechte tijden gekend. Hebben we die door vindingrijkheid, gedrevenheid en samenwerking opgelost? Ja, dat hebben we. Kunnen we het opnieuw doen? Ja, dat kunnen we.”