Raw critical materials in energy transition

Olivier Ledent
Persbericht

Energietransitie: zijn er voldoende specifieke grondstoffen voor een betrouwbare ontplooiing ?

Om het netto nul-emissiescenario te bereiken en de temperatuurstijging tegen 2050 onder de 1,5°C te houden, wordt het dringend noodzakelijk de energietransitie te versnellen en de beperkte en sterk verkoolde energiebronnen te vervangen door hernieuwbare energiebronnen. Dit moet gepaard gaan met een grootschalige toepassing van technologieën voor energieopslag, zoals waterstof en batterijen. Deze technologieën zijn echter zeer materiaalintensief, wat in de wetenschappelijke wereld tot grote bezorgdheid leidt over de beschikbaarheid van grondstoffen. Zijn de hulpbronnen voldoende om aan de vraag te voldoen? Welke materialen worden als kritiek beschouwd ? Kan het tekort aan risico's leiden tot de volgende energiecrisis?

image-20221002232239-11

 

Methodologie:

Om die vragen te beantwoorden werden de belangrijkste technologieën om de energietransitie te verwezenlijken onder de loep genomen. Aan de ene kant zon en wind als productiesystemen, aan de andere kant waterstof en batterijen als aanvullende opslagbronnen. Voor elke industrie richt de analyse zich op de evaluatie van de toekomstige dominante technologie, de marktomvang en de vraag naar specifieke materialen in vergelijking met de huidige jaarlijkse productie. Wetenschappelijke artikelen, interviews met energiedeskundigen en industriële actoren waren de belangrijkste informatiebronnen en op basis waarvan het mogelijk was de volgende rangorde van schaarste op te stellen : beperkt, gematigd of kritiek[1]

Zonnepanelen industrie:

De zonne-energiesector vertoont de meest indrukwekkende groei dankzij de drastische verlaging van de prijs van zonnecellen en de ontwikkeling van enorme zonneparken. De capaciteit heeft onlangs een cumulatief geïnstalleerd vermogen van 1 TW bereikt, maar zal naar verwachting in 2050 met factor 15 zijn vermenigvuldigd. Bovendien wordt het rendabel om overal zonnecellen te installeren. Bijvoorbeeld bovenop gewassen die op deze manier tegen de zon beschermd worden terwijl ze elektriciteit produceren, drijvend op de meren, of zelfs op autodaken om de accu van elektrische auto's rechtstreeks op te laden. De huidige toonaangevende technologie is gebaseerd op silicium-chips en zou in de toekomst dominant moeten blijven, ondanks de komst van verschillende andere soorten cellen op de markt. Het feit dat China meer dan 95% van de productie van silicium chips voor zijn rekening neemt, vormt een aanzienlijke kwetsbaarheid voor de gehele waardeketen. Daarnaast werd gewezen op een kritiek risico van tekorten voor zilver en koper, essentiële metalen in de samenstelling van zonnepanelen. Het probleem voor zilver vloeit voornamelijk voort uit de lage jaarlijkse productie van dit edelmetaal, terwijl koper op grote schaal wordt gebruikt in alle technologieën die verband houden met de energietransitie (off-shore windenergie, elektrische voertuigen, netwerkontwikkeling), waardoor het aanbod onder druk komt te staan. 

 

image-20221002232239-12

 

Windturbines-industrie:

Net als voor zonne-energie wordt verwacht dat de windindustrie met factor 10 zal worden vermenigvuldigd om tegen 2050 een vermogen van 8 TW te bereiken, afkomstig van zowel onshore- als offshore-turbines. Bovendien kan windenergie dankzij grotere turbineafmetingen die de efficiëntie verhogen, samen met de schaalvoordelen van de productie, kostenconcurrerend worden in bepaalde delen van de wereld waar deze industrie voorheen een dochteronderneming was. In de komende jaren zal de opkomst van drijvende turbines nieuwe toegang bieden tot nog meer zeegebied, waardoor de offshore-industrie een impuls zal krijgen. De materiële risico's van deze industrie zijn voornamelijk toe te schrijven aan de zeldzame aardelementen (neodymium, praseodynium, dysprosium en terbium) die in China sterk geconcentreerd zijn en ook nodig zijn voor de productie van elektromotoren. Bovendien is de enorme hoeveelheid koper die nodig is voor de zeekabels een ware uitdaging.

 

image-20221002232239-13

 

Batterijen-industrie:

Tegenwoordig zijn batterijen de meest gebruikelijke manier om energie op te slaan. De industrie, die voorheen werd aangedreven door elektronica, evolueert om tegemoet te komen aan de vraag van stijgende markten zoals elektrische voertuigen en voor stationaire opslag batterijen. Ondanks de aankondiging van revolutionaire solid-state batterijen zal de conventionele lithium-ion-technologie waarschijnlijk de dominante speler blijven. Bijgevolg is het kritieke risico van een verstoring van de toeleveringsketen afkomstig van enkele van de belangrijkste componenten: lithium, nikkel, kobalt en koper. Anderzijds wordt verwacht dat het gebruik van kobalt zal afnemen wegens ethische bezwaren in de mijnen in de Democratische Republiek Congo.

 

image-20221002232239-14

 

Waterstof-industrie:

De waterstofindustrie is waarschijnlijk de minst geanalyseerde technologie. Het is belangrijk in gedachte te houden dat waterstofmoleculen geen energiebron zijn, maar een energiedrager die zou kunnen helpen om industrieën zoals de moeilijk te reduceren luchtvaart industrie koolstofvrij te maken. Het bepalen van de kritieke grondstoffen is een hele uitdaging, aangezien dit afhangt van de intense concurrentie tussen de elektrolysetechnologieën die worden gebruikt om water in waterstof om te zetten. Eén ervan bevat echter edele metalen (iridium, platina, palladium) die geografisch zeer geconcentreerd en beperkt aanwezig zijn op de aardkorst en daardoor kritisch zijn.

 

image-20221002232239-15

 

Conclusie:

Alle geselecteerde technologieën houden ernstige risico's in met betrekking tot sommige van de grondstoffen in hun activa, als gevolg van natuurlijke beperking of geografische concentratie. Dit kan dramatische gevolgen hebben voor de toeleveringsketens en leiden tot verstoringen en vertraging van de invoering van de energietransitie. Er bestaan echter oplossingen om de druk op de materiaalvoorziening te verminderen en zo de risico's van tekorten en sterk schommelende prijzen te beperken. Daartoe behoort zowel de technologische verbetering die leidt tot een betere energieproductie-efficiëntie als de ontwikkeling van ecodesign waarbij minder schadelijke materialen worden gebruikt of die leidt tot een gemakkelijkere ontmanteling, alsook de toename van recycling die secundaire materiaalbronnen oplevert. Daarnaast moeten andere oplossingen worden overwogen, zoals grote investeringen en stimuleringsbeleid om de duurzaamheid van de energie-industrie te vergroten. Dat kan door de 5 regels van duurzaamheid in acht te nemen: weigeren, verminderen, hergebruiken, opnieuw toewijzen en recyclen, of door een materialenpaspoort te ontwikkelen dat de traceerbaarheid en de kennis van de samenstelling vergroot, hetgeen leidt tot een optimale recycling. Een aspect waarmee in deze analyse geen rekening is gehouden is de impact van het milieu op de productie van mineralen. De winning van grondstoffen vereist energie-intensieve processen die kunnen leiden tot water- en bodemverontreiniging, geopolitieke spanningen, gevaren voor de volksgezondheid of kinderarbeid. Vandaag moeten die factoren in de fase van de projectontwikkeling in beschouwing worden genomen bij de installatie van nieuwe energiebronnen of energieopslaginstallaties.

 

Ten slotte blijft energiezuinigheid de beste manier om de opwarming van de aarde te bestrijden, want de groenste energie is ongetwijfeld diegene die niet wordt verbruikt.

[1] Limited, moderate, critical

Bibliografie

[1] IPCC. Sixth Assessment Report, 2022.
[2] Max Roser Hannah Ritchie and Pablo Rosado. Co2 and greenhouse gas emissions.
Our World in Data, 2020. https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gasemissions.
[3] IEA. Net Zero by 2050 A Roadmap for the Global Energy Sector, 2021.
[4] IEA. The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, 2021.
[5] IEA. World Energy Outlook 2019, 2019.
[6] Max Roser Hannah Ritchie and Pablo Rosado. Energy. Our World in Data, 2020.
https://ourworldindata.org/energy.
[7] George Dowson. Carbon intensity of power generation, 2019.
[8] IRENA. RENEWABLE ENERGY IN DISTRICT HEATING AND COOLING - A SECTOR
ROADMAP FOR REMAP, 2017.
[9] IRENA. Renewables 2022 Global Status Report, 2022.
[10] Lazard. Lazard’s levelized cost of energy analysis - Version 12.0, 2018.
[11] Tractebel. Towards a 100% RES European power system in 2050 Utopic or Plausible,
2018.
[12] Jie Deng & all. Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges, 2021.
[13] Newsy. Human Rights Violations On The Rise In Democratic Republic Of Congo, 2021.
[14] Argonne National Laboratory Energy Systems Division. Assessment of Light-Duty Plugin
Electric Vehicles in the United States, 2010 – 2020, 2021.
[15] S&P global. TotalEnergies expands France’s commitment to battery storage, 2022.
[16] Transport and environment. Battery electric cars climbed to 9% of sales in 2021, driven
by EU targets, 2022.
[17] Virta global. Here’s how EU legislation accelerates the EV revolution, 2022.
[18] Engie Laborelec. SMATCH project, 2022.
[19] Tom DiChristopher. Hydrogen technology faces efficiency disadvantage in power storage
race, 2021.
[20] International Renewable Energy Agency. Green Hydrogen: A guide to policy making,
2020.
[21] Fraunhofer Institute. PHOTOVOLTAICS REPORT, 2022.
[22] JOHN FITZGERALD WEAVER. The world has installed 1TW of solar capacity, 2022.
[23] IEA. state of renewable energy, 2022.
[24] Kenu Sarah. A review of solar photovoltaic technologies. International Journal of Engineering
Research and, V9, 07 2020.
[25] Reddy K Pranavamshu. Status of bipv and bapv system for less energy-hungry building
in india-a review. Applied Sciences, 10:2337, 03 2020.
[26] Lars Oberbeck Katherine Alvino Baljeet Goraya Marie Jubault. IPVF’s PV technology
vision for 2030, 2020.
[27] Feng Zhao Joyce Lee. GWEC GLOBAL WIND REPORT 2021, 2021.
[28] IEA. Wind TCP Annual Report, 2020.
[29] US department of energy. Land-Based Wind Market Report, 2021.
[30] Irena. Deployment, investment, technology, grid integration and socio-economic aspects,
2019.
[31] Plexim. DFIG Wind Turbine System, 2022.
[32] H. Ohsaki L. Qu´eval. Back-to-back converter design and control for synchronous
generator-based wind turbines, 2012.
[33] Seifeddine Benelghali, Mohamed El Hachemi Benbouzid, and Jean Frédéric Charpentier.
DFIG versus PMSG for marine current turbine applications, 2012.
[34] B. Pavel C. Carrara, S. Alves Dias P. Plazzotta. Raw materials demand for wind and
solar PV technologies in the transition towards a decarbonised energy system, 2020.
[35] IEA. Innovation in Batteries and Electricity Storage, 2020.
[36] Kyle Bradbury. Energy Storage Technology Review, 2010.
[37] INRS. Charge des batteries d’accumulateurs au plomb, 2018.
[38] Robert Zalosh, Pravinray Gandhi, and Adam Barowy. Lithium-ion energy storage battery
explosion incidents. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 72:104560, 2021.
[39] Sybille Hess, Amelia Wenger, Tracy Ainsworth, and Jodie Rummer. Hess et al 2015, 02
2016.
[40] T Placke. Lithium ion, lithium metal, and alternative rechargeable battery technologies:
the odyssey for high energy density, 2017.
[41] Jianmin Ma, Yutao Li, Nicholas S Grundish, John B Goodenough, Yuhui Chen, Limin
Guo, Zhangquan Peng, Xiaoqun Qi, Fengyi Yang, Long Qie, Chang-An Wang, Bing
Huang, Zeya Huang, Linhui Chen, Dawei Su, Guoxiu Wang, Xinwen Peng, Zehong Chen,
Junliang Yang, Shiman He, Xu Zhang, Haijun Yu, Chaopeng Fu, Min Jiang, Wenzhuo
Deng, Chuan-Fu Sun, Qingguang Pan, Yongbing Tang, Xianfeng Li, Xiulei Ji, Fang Wan,
Zhiqiang Niu, Fang Lian, Caiyun Wang, Gordon G Wallace, Min Fan, Qinghai Meng, Sen
Xin, Yu-Guo Guo, and Li-Jun Wan. The 2021 battery technology roadmap. Journal of
Physics D: Applied Physics, 54(18):183001, feb 2021.
[42] Bloomberg. New Energy Outlook, 2021.
[43] Tesla. Tesla Gigafactory, 2014.
[44] Ding Y. Cano Z.P. Yu A. et al. Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future
Perspectives, 2019.
[45] Bellona Europa aisbl. Hydrogen use in industry, 2020.
[46] IEA. The Future of Hydrogen, 2019.
[47] https://www.youtube.com/watch?v=aYBGSfzaa4c. What Is Green Hydrogen And Will
It Power The Future?, 2020.
[48] BloombergNEF. Hydrogen Economy Outlook, 2020.
[49] Kurt R. Mikeska, Meijun Lu, andWeilin Liao. Tellurium-based screen-printable conductor
metallizations for crystalline silicon solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and
Applications, 27(12):1071–1080, 2019.
[50] Michael Kempe. Encapsulant Materials for PV Modules, chapter 10.2, pages 478–490.
John Wiley and Sons, Ltd, 2016.
[51] IEA. Special Report on Solar PV Global Supply Chains, 2022.
[52] Statistica. Total copper mine production worldwide from 2010 to 2021, 2021.
[53] Statistica. Mine production of silver worldwide from 2005 to 2021, 2021.
[54] Statistica. Production of silicon worldwide from 2010 to 2021, 2021.
[55] Institute for sustainable futures. Responsible minerals sourcing for renewable energy,
2019.
[56] Glass 2022. Towards an International Year of Glass in 2022, 2022.
[57] World population review. country rankings steel production by country, 2020.
[58] Jonathan Hilburg. Concrete production produces eight percent of the world’s carbon dioxide
emissions, 2019.
[59] Veolia. World premiere in recycling photovoltaic panels, 2018.
[60] PV Cycle. PV CYCLE offers collective and tailor-made waste management, 2022.
[61] Horizon project. Advanced and sustainable recycling processes and value chains for plasticbased
multi-materials, 2020.
[62] Solar Apollo. New Industrial Cell Encapsulation (N.I.C.E, 2021.
[63] M. Aleman P. Macé, E. Bosch. Terawatt Scale PV by 2050 and Competition for Minerals:
The Case of Silver and Copper, 2022.
[64] Chen Li a. Future material requirements for global sustainable offshore wind energy development,
2022.
[65] By Lucas Podmore. What Materials are Used to Make Wind Turbines?, 2022.
[66] U.S. Department of Energy. Rare Earth Permanent Magnets - Supply Chain Deep Dive
Assessment, 2022.
[67] Engie. Can wind turbines be recycled?, 2021.
[68] WindEurope. Accelerating Wind Turbine Blade Circularity, 2020.
[69] Engie. The blades of the future, 100% recyclable! - ZEBRA Project, 2020.
[70] Shayan Khakmardan, Raoul Schmitt, and Gülsah Tas. Recycling Processes for the Recovery
of Rare-Earth Magnets of Wind Turbines, 04 2020.
[71] KUL. Metals for Clean Energy:Pathways to solving Europe’s raw materials challenge,
2022.
[72] Agnieszka Sobianowska-Turek, Weronika Urbańska, Anna Janicka, Maciej Zawiślak, and
Jędrzej Matla. The necessity of recycling of waste li-ion batteries used in electric vehicles
as objects posing a threat to human health and the environment. Recycling, 6(2), 2021.
[73] European Battery Alliance. What the European Battery Alliance is and why it matters,
2022.
[74] IEA. Global Supply Chains of EV Batteries, 2022.
[75] EU. New EU regulatory framework for batteries, 2022.
[76] Stefan Windisch-Kern, Eva Gerold, Thomas Nigl, Aleksander Jandric, Michael Altendorfer,
Bettina Rutrecht, Silvia Scherhaufer, Harald Raupenstrauch, Roland Pomberger,
Helmut Antrekowitsch, and Florian Part. Recycling chains for lithium-ion batteries: A
critical examination of current challenges, opportunities and process dependencies. Waste
Management, 138:125–139, 2022.
[77] The Economic Times. Old electric car batteries may help to cut costs of storing power,
2020.
[78] Foteini M. Sapountzi, Jose M. Gracia, C.J. (Kees-Jan) Weststrate, Hans O.A. Fredriksson,
and J.W. (Hans) Niemantsverdriet. Electrocatalysts for the generation of hydrogen,
oxygen and synthesis gas. Progress in Energy and Combustion Science, 58:1–35, 2017.
[79] Pierre Millet. Alkaline Electrolysers, 2022.
[80] S. Shiva Kumar S.U.B. Ramakrishna D. Srinivasulu Reddy D. Bhagawan V. Himabindu.
Synthesis of Polysulfone and Zirconium Oxide Coated Asbestos Composite Separators for
Alkaline Water Electrolysis, 2017.
[81] AWorld Of Energy. Life Cycle Analysis of hydrogen production with alkaline electrolysers,
2020.
[82] Rob Cockerill. Electrolyser technologies PEM vs Alkaline electrolysis, 2022.
[83] Ibrahim Dincer and Abdullah A. AlZahrani. 4.25 electrolyzers. In Ibrahim Dincer, editor,
Comprehensive Energy Systems, pages 985–1025. Elsevier, Oxford, 2018.
[84] European Union’s Horizon. Solid Oxide Electrolysis Cells Electrolyser, 2020.
[85] h2epower. Solid Oxide Electrolyser Cell, 2021.
[86] M.A. Laguna-Bercero. Recent advances in high temperature electrolysis using solid oxide
fuel cells: A review. Journal of Power Sources, 203:4–16, 2012.
[87] Steffen Kiemel, Tom Smolinka, Franz Lehner, Johannes Full, Alexander Sauer, and Robert
Miehe. Critical materials for water electrolysers at the example of the energy transition
in germany. International Journal of Energy Research, 45(7):9914–9935.
[88] Statistica. Mine production of titanium minerals worldwide in 2021, by country, 2021.
[89] European Commission. Critical raw materials for Europe, 2021.
[90] Statistica. Global mine production of palladium in 2021, by country, 2021.
[91] Daniel J. Cordier. Mineral Commodity Summaries 2022 - Yttrium, 2022.
[92] Minor Metals Trade Association. La - Lanthanum, 2022.
[93] Alexandre Charles Thys. A 3-DIMENSIONAL APPROACH TO OIL AND GAS SHALE
EXPLOITATION IN THE US.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Management
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
Alexandre THYS
Kernwoorden
Share this on: