Europa streeft ernaar minder afhankelijk te worden van vooral China voor kritieke grondstoffen. Kan de wetenschap daarbij helpen? In Eindhoven en in Delft zoeken onderzoekers naar oplossingen.
is economieredacteur voor de Volkskrant en sinds 2021 specialist op het gebied van de energietransitie.
Wat is de overeenkomst tussen Tita Tovenaar en Xi Jinping? Zowel de olijke tovenaarsleerling uit de jarenzeventigkinderserie als de Chinese president hoeft maar in de vingers te knippen, en alles staat stil. Dit laatste overkwam de wereldwijde auto-industrie onlangs bijna letterlijk, toen China na een conflict met Nederland de export van kleine computerchips stillegde. China bleek ongeveer een monopolie te hebben op de productie van deze ogenschijnlijk onbeduidende chips. Maar toen de toevoer stokte, dreigde al na korte tijd een complete industriële sector stil te vallen.
China heeft zich op meer podia van de wereldproductie ontpopt als spin in het web: batterijen, zonnepanelen en – in toenemende mate – windturbines komen voor een groot deel uit dit land. Ook veel grondstoffen voor de energietransitie worden er gewonnen of verwerkt, zoals magnesium, gallium en andere zeldzame aardmetalen.
Die afhankelijkheid maakt Europa kwetsbaar, waarschuwde de Europese Rekenkamer. Die constateerde begin februari dat er weinig is terechtgekomen van alle voornemens om minder afhankelijk te worden van het handvol landen dat cruciale grondstoffen levert.
Dit besef lijkt ook te zijn doorgedrongen tot de wetenschappelijke wereld. Daar wordt meer en meer onderzoek verricht naar alternatieve materialen. En naar betere recycling: hergebruik betekent immers minder grondstoffen en dus minder afhankelijkheid.
Ook in Nederland wordt geld vrijgemaakt voor zulk onderzoek. Zo heeft de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) onlangs weer een onderzoeksprogramma opgestart van 7 miljoen euro om het gebruik van critical raw materials in de energietransitie terug te dringen. En aan de TU Delft is begin dit jaar een onderzoek begonnen om kritieke grondstoffen te herwinnen uit bijvoorbeeld zand, bouwafval en aardwarmteprojecten.
De ogen zijn dus gericht op de wetenschap. En daar klinken hoopvolle geluiden. De Volkskrant sprak twee onderzoekers die direct of indirect bezig zijn met efficiënter gebruik van grondstoffen en met betere recycling of alternatieven vormen van de winning van kritieke grondstoffen.
WIe: Emiel Hensen (55), hoogleraar anorganische materialen en katalyse aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e)
Doet: onderzoek naar het efficiënter maken van katalysatoren
Niet zelden is een wetenschappelijke doorbraak het gevolg van – vergeef ons de oneerbiedige formulering – een beetje pielen. Zo had Emiel Hensen in zijn lab een apparaat staan dat met een zeer hete vlam een vernevelde stof omzet in minuscule metaaloxidedeeltjes, in een proces dat vlamsynthese wordt genoemd. De installatie was eerder in gebruik bij chemieconcern DSM, maar die gebruikte haar niet meer, waardoor Hensens vakgroep het apparaat op de kop kon tikken voor een euro. Leuk om wat mee te spelen.
Bij toeval ontdekten de hoogleraar en zijn Eindhovense mede-onderzoekers dat met deze technologie extreem kleine deeltjes ceriumdioxide gemaakt kunnen worden. Ceriumdioxide is een materiaal dat wordt gebruikt in katalysatoren om de uitlaatgassen van bijvoorbeeld auto’s op te schonen.
Voor katalyse geldt een ijzeren wet: hoe kleiner de actieve deeltjes in de katalysator, hoe effectiever. Dat kleinere ceriumoxidedeeltjes zouden helpen de reactie te versnellen, hadden de onderzoekers wel verwacht. Maar een belangrijk deel daarvan verliep onverwacht véél sneller. En dat had weer een positief bijeffect, namelijk dat er veel minder kostbaar palladium (een kostbaar en zeer schaars edelmetaal, al behoort het niet tot de categorie rare earth elements) nodig is in de katalysator.
‘Simpel gezegd kunnen we nu met veel minder palladium hetzelfde effect bereiken’, zegt Hensen in zijn Eindhovense lab. Dat scheelt behoorlijk in de kostprijs van een katalysator. De ontdekking leidde ruim twee jaar geleden tot een publicatie in Science.
Lagere kosten zijn mooi. Maar de ontdekking had nog een veel belangrijker effect: Hensens katalysatoren bleken ineens prima te werken net boven kamertemperatuur. En dat is een belangrijke doorbraak.
‘Als je de motor van een auto start, moet de katalysator in de uitlaat de eerste minuten opwarmen’, verklaart Hensen. Dan werkt hij minder goed en gaan veel uitlaatgassen min of meer ongefilterd de lucht in. Juist de eerste kilometers na een koude start is een benzineauto hierdoor relatief vervuilend – vooral de uitstoot van het giftige koolmonoxide is groot.
Pas als de boel lekker opgewarmd is, worden de uitlaatgassen effectief gezuiverd. ‘In de Europese Unie ontstaat bijna alle vervuiling van benzineauto’s in die eerste paar minuten’, zegt de onderzoeker. De katalysator die al rond kamertemperatuur werkt is dus niet alleen goedkoper, de luchtkwaliteit profiteert ook.
Maar voor hoelang nog, nu de elektrische auto aan een opmars bezig is? ‘Je kunt je inderdaad afvragen waarom iemand aan katalysatoren werkt van auto’s met een verbrandingsmotor, als die vanaf 2035 worden uitgefaseerd’, zegt Hensen. Maar, zegt hij, tot die tijd zullen veel nieuwe personenwagens plug-inhybrides zijn. Die hebben een batterij, waardoor een aantal kilometers elektrisch afgelegd kunnen worden, waarbij de benzinemotor slechts af en toe bijspringt.
In dat ‘af en toe’ zit ’m de crux. Omdat de verbrandingsmotor vaak uitstaat, koelt de katalysator af. Wanneer de motor vervolgens aanslaat, is de katalysator nog niet op bedrijfstemperatuur, wat leidt tot meer uitstoot van schadelijke stoffen. Met de verbeterde katalysator die al bij kamertemperatuur werkt, worden plug-ins dus veel schoner. Twee promovendi sleutelen in Eindhoven in opdracht van een Britse katalysatorproducent verder aan het concept, zodat het over enkele jaren toegepast kan worden.
Ceriumdioxide wordt overigens niet alleen in autokatalysatoren gebruikt, maar speelt ook een rol in allerlei processen die relevant zijn voor duurzame energieomzetting en -opslag. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt in brandstofcellen en elektrolysers (apparaten voor de productie van groene waterstof).
Hensen ziet nog meer voordeel: doordat minder palladium nodig is, neemt de afhankelijkheid af van landen die het spul leveren. Al was dat niet de directe aanleiding voor dit onderzoek. ‘Mijn drijfveer is om de werking van katalysatoren te begrijpen’, zegt hij. Vaak leidt dit tot verrassende inzichten, die vervolgens weer uitmonden in nieuwe praktische toepassingen. ‘Maar het uitgangspunt is en blijft: ons onderzoek moet fundamenteel interessant zijn.’
Hoewel dus niet de directe aanleiding, de wens om minder afhankelijk te worden van landen als China sluipt sinds enkele jaren wel het onderzoeksveld in. Tien jaar geleden werd er ook over gesproken om de afhankelijkheid van China en andere landen te verminderen, maar vervolgens gebeurde er niet zo veel, zegt hij. ‘Toen zat iedereen toch nog een beetje te slapen. Dit type onderzoek gaat de komende twee jaar waarschijnlijk een grotere rol spelen in mijn vakgroep.’
Wie: Tobias Schmiedel (39), universitair docent aan de faculteit civiele techniek en geowetenschappen van de TU Delft
Doet: op ongebruikelijke plekken zoeken naar waardevolle mineralen, ook wel ‘urban mining’ genoemd
Tobias Schmiedel houdt een doorzichtig plastic potje omhoog gevuld met gruis, houtsnippers en flinters kunststof: puin afkomstig van de sloop van een gebouw. Niet direct een bron van zeldzame aardmaterialen waarmee we ons de Chinezen van het lijf kunnen houden, zou je zeggen.
Maar daar denkt Schmiedel anders over. ‘Er zitten waarschijnlijk kritische aardmaterialen in’, zegt hij in zijn Delftse lab. ‘Plus vermoedelijk ook nog wat schadelijke stoffen als lood, cadmium of pfas. Die wil je eigenlijk niet in het milieu hebben.’
Van het gruis dat overblijft na de sloop van gebouwen, viaducten en wegen, loont het nu niet de moeite het verder te sorteren. Dus verdwijnt het meestal ergens in een verbrandingsoven, om daarna te worden gestort. Verbranding is duur, kost veel energie en er gaat kostbare grondstof verloren. Driewerf zonde.
Zeker omdat er enorm veel puin wordt ‘geproduceerd’: in Nederland alleen al gaat het om jaarlijks 25 miljoen ton, een berg die groot genoeg is om bijna vijftig keer de Johan Cruijff Arena te vullen.
‘Als je wilt, kun je er nog iets bruikbaars uit halen, zoals koper, ijzer, zink en ook zeldzame aardmetalen’, zegt de onderzoeker. Grote vraag is alleen: hoe? En: hoe veel? En waar?
Vragen waarop het antwoord nu nog ontbreekt. Precies hierom zijn Schmiedel en zijn collega Feven Desta begin dit jaar een project begonnen om met behulp van sensoren (infrarood- en röntgentechnologie) te onderzoeken wat er allemaal in dit bouwpuin zit. Met de apparatuur in Delft kan er alleen naar de oppervlakte gekeken worden. ‘Maar de samenstelling verschilt sterk’, zegt de onderzoeker, zowel in een enkele lading als door de tijd.
‘Als je nu een monster karakteriseert, kan het puin morgen of een maand later een totaal andere samenstelling hebben’, zegt hij. Het is immers afkomstig van een ander gesloopt gebouw of viaduct. Voor een recyclebedrijf dat er waardevolle grondstoffen of vervuiling uit wil halen, is dat lastig. Zij willen hun karakteriseringen afstemmen op een efficiënte verwerking, zegt Schmiedel: ‘Om goed te kunnen sorteren en filteren, wil je eigenlijk een continu meetproces hebben.’
Dat bestaat nog niet en er is trouwens ook nog geen idee hoeveel er precies in het afval zit. Vandaar het onderzoek.
De van oorsprong Duitse Schmiedel heeft een fascinatie voor vulkanen en mineralen. Toen hij enkele jaren geleden kennissen en vrienden vertelde dat hij naar Nederland verhuisde om hier in Delft geologisch onderzoek te gaan doen, reageerden die voornamelijk verbaasd: wat ga je in dat zanderige Nederland doen, zonder mijnbouw en al helemaal zonder vulkanen?
Traditionele mijnbouw voor metalen is hier inderdaad bijna onmogelijk, weet Schmiedel: Nederland is dichtbevolkt, er zijn overal natuurgebieden en anders wel vruchtbare landbouwgrond – daar graaf je niet even een enorme put voor een mijn. ‘Maar dat betekent niet dat Nederland geen potentie heeft voor kritieke grondstoffen’, zegt de onderzoeker. Bijvoorbeeld in afval dus.
Maar ook in zand. ‘Er worden hier jaarlijks ongelooflijke hoeveelheden zand verplaatst’, zegt Schmiedel. Voor het opspuiten van zand voor de duinen langs de kust en voor toepassing in de bouw. Ook in de Nederlandse zanden zitten zeldzame aardmetalen en zware mineralen, weet de onderzoeker. Alleen heel weinig. ‘We denken maximaal 1 tot 2 procent, tegen 8 tot 10 procent in een mijn’, schat hij. Toch kan Nederlands zand een interessante bron zijn van kritieke grondstoffen, juist vanwege de enorme volumes. ‘We onderzoeken nu hoe we die eruit kunnen halen.’
Een andere mogelijke bron is het water dat bij geothermieprojecten wordt opgepompt. Dat bevat ook veel mineralen en zouten, zoals bijvoorbeeld lithium, een grondstof voor batterijen in elektrische auto’s. In België is onlangs voorzichtig gekeken hoeveel lithium er in het warme aardwater zit. Bleek dat je in dertig jaar in potentie genoeg lithium naar boven haalt om tot wel 125 duizend batterijen mee te maken.
‘Geothermie heeft vaak moeite de businesscase rond te krijgen’, schetst Schmiedel. ‘De opbrengst van dit soort bijvangst kan wellicht helpen het plaatje rond te rekenen.’ Of dat echt lukt, is opnieuw een kwestie van meer onderzoek. Dit gebeurt nu in de eigen aardwarmteput op het terrein van de universiteit. Ook de omstreden staalslakken van Tata kunnen een grondstoffenbron zijn, zegt hij.
‘We hebben de technieken om hier nuttige grondstoffen uit te halen. Alleen moet het economisch wel uit kunnen.’ Niet verrassend dat Schmiedels afdeling ook hiernaar onderzoek doet.
Door de geopolitieke veranderingen is het gevoel van urgentie nu groter om kritieke grondstoffen op alternatieve wijze te gaan winnen of te recyclen. Makkelijk zal dat niet zijn, zegt Schmiedel. Hij grijnst veelbetekenend: als het makkelijk was geweest, is er geen lol aan.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant