Zeldzame aardmetalen in Noord

IA Washington
Karin Louzada, meer informatie: www.agentschapnl.nl/ianetwerk
Zeldzame aardmetalen in Noord-Amerika
De onzekere aanvoer van zeldzame aardmetalen (Rare Earth Elements) uit China voor de hightechindustrie vormt in de VS een hindernis voor innovatie en voor de hightech maakindustrie. Met
name in permanente magneten voor duurzame energieopwekking en energieopslagsystemen voor
bijvoorbeeld elektrische auto’s worden veel zeldzame aardmetalen verwerkt. Ook andere sectoren
zoals de defensie-industrie staan onder druk. De federale overheid en bedrijven in de VS maken
van de gelegenheid gebruik om onderzoek naar de recycling, vermindering van het gebruik en
alternatieven voor, zeldzame aardmetalen te stimuleren. Canada ziet de onzekere aanvoer en
slinkende reserves in de VS en elders als een economische kans. Het land kan tot nu toe
onrendabele voorkomens van de waardevolle materialen gaan ontwikkelen. Zowel in de VS als in
Canada is het aantal exploratieprojecten in de mijnbouw aanzienlijk gegroeid.
Introductie
Zeldzame aardmetalen zijn niet zo zeldzaam. Ze werden oorspronkelijk zo genoemd omdat zij in hun
elementaire vorm onbekend waren en omdat ze in gesteenten in lage concentraties voorkomen. Dat
maakt het moeilijk om ze uit ertsen te extraheren. Relatief grote hoeveelheden van deze materialen
komen lokaal voor. China produceert momenteel ruim 97% van alle zeldzame aardmetalen [1,2].
Exportlimieten uit China zorgen voor een minder betrouwbare beschikbaarheid voor andere landen.
Ook de VS ziet de limieten als hindernissen voor innovatie en fabricage in de hightech-industrie en in
de bedrijvigheid voor duurzame energie. De politieke aandacht voor de beschikbaarheid van deze
materialen en de relaties met landen waaruit de metalen afkomstig zijn, is de afgelopen jaren sterk
toegenomen. De VS, de Europese Unie en Japan hebben in 2012 een zaak tegen de Chinese overheid
aangespannen bij de World Trade Organisation over de exportpraktijken rond zeventien zeldzame
aardmetalen, molybdeen en wolfraam [3,4].
Het Department of Energy in de VS onderzocht recent het korte- en langetermijngebruik en de
beschikbaarheid van enkele zeldzame aardmetalen in met name de cleantech sector [5]. Met name
de elementen dysprosium, terbium, europium, neodymium en yttrium werden als kritiek gelabeld
voor de ontwikkeling van onder andere duurzame energietechnologie. De elementen cerium,
indium, lanthanum en tellurium gelden in deze analyse als 'near-critical'.
Zeldzame aardmetalen worden gebruikt in een scala van toepassingen, zoals sterke magneten. De
sectoren die deze materialen gebruiken zijn zeer breed, van laser- en radarsystemen en geleide
raketten in de wapenindustrie tot batterijen, zonnepanelen, windturbines en verlichting in andere
sectoren. Daarnaast worden enkele zeldzame aardmetalen gebruikt als katalysatoren en voor het
kraken van onder andere aardolie [6].
Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT)
De innovatiestrategie van de VS voor zeldzame aardmetalen heeft drie doelen. De eerste is de
diversificatie van de ‘global supply chains’, de tweede de ontwikkeling van alternatieven voor ‘rare
earth metals’ en materialen en de derde verminderd gebruik, hergebruik en recycling [5]. Het
Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), de high-risk/high-gain innovatietak van het
Department of Energy, investeerde sinds 2011 een bedrag van 22,1 miljoen dollar in verkennend
onderzoek naar alternatieve technologieën voor opwekking en opslag in de energiesector [7]. Het
Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) programma omvat dertien programma's.
Negen daarvan zijn gericht op magneettechnologie. Twee projecten gaan over supergeleidende
bedrading voor windturbines en twee gaan over EV-motoren. Bij de alternatieven gaat het om
goedkopere metalen zoals mangaan en nikkel. Een eis is, dat alternatieve technologieën de huidige
evenaren of overtreffen.
Grafeen in Lithiumbatterijen
Een voorbeeld van een project dat het REACT-programma steunt is: 'Graphene Nanostructures for
Lithium Batteries' [8, 9, 10]. Dit project wordt gezamenlijk uitgevoerd door het federale lab Pacific
Northwest National Laboratory, het bedrijf Vorbeck Materials Corp. en Princeton University. Het
graat om de ontwikkeling van Li-ion batterij-elektroden. Deze elektroden maken gebruik van
Vorbeck’s grafeen. Vor-xTM is een gepatenteerd grafeenmateriaal dat ontwikkeld is op Princeton
University door de vakgroep van professor Ilhan Aksay. Grafeen bestaat uit één laag koolstofatomen een 'sheet' - die het materiaal bijzondere eigenschappen geven. Doordat de sheets van Vor-xTM
gekreukt zijn, wordt voorkomen dat ze zich stapelen en dus meerdere lagen koolstofatomen vormen,
waarbij de bijzondere eigenschappen verloren gaan. Door het feit dat Vor-xTM niet stapelt kan het
materiaal als droog poeder worden toegepast. In 2009 bracht Vorbeck Vor-ink op de markt, een
grafeengebaseerde geleidende inkt. Het bedrijf werkt nu aan de verdere productie en toepassingen
van dit bijzondere materiaal in de vorm van sheets.
In Vor-x zijn grafeenlagen volledig van
elkaar gescheiden. Vanwege de gekreukte
morfologie kunnen de individuele sheets
niet meer in de normale structuur van
grafeen aggregeren.
Bron: www.vorbeck.com.
Door grafeen toe te passen op elektroden kunnen oplaadbare batterijen veel sneller laden; in een
aantal minuten in plaats van uren. Ook biedt het materiaal de belofte dat het bij toepassing in
hybride accusystemen het bereik van elektrische auto’s vergroot. Het doel is om deze nieuwe
batterijtechnologie op de markt te krijgen. Vorbeck heeft hiervoor al een relatie met Targray
Technology International.
Amerikaanse en Canadese winning van zeldzame aardmetalen
De afhankelijkheid van Chinese exporten en exportbeperkingen heeft er toe geleid dat bedrijven in
andere landen lokale vindplaatsen beginnen te ontwikkelen. De Amerikaanse mijn Mountain Pass
was tot de sluiting in 2002 de grootste leverancier van zeldzame aardmetalen in de wereld en is
recent opnieuw in bedrijf gesteld. De mijn wordt zelfs uitgebreid met het Phoenix Project [11], een
nieuwe faciliteit waarin uiteindelijk het hele verwerkingsproces plaats zal vinden, van breken tot
vermaling en separatie. De overname van het Canadese bedrijf Neo Materials Technologies heeft
Molycorp tot het meest verticale geïntegreerde bedrijf gemaakt op het gebied van Ultra-High-Purity
Rare Earth Processing.
Canada is een grote grondstoffenleverancier. Het land wil zich positioneren als een betrouwbare
aanvoerpartner van zeldzame aardmetalen [1], met name voor de Amerikaanse markt. Daarvoor
komt nu nog negentig procent van de geïmporteerde metalen uit China. De reserves aan zeldzame
aardmetalen in Canada worden geschat op een waarde van ongeveer 163 miljard euro.
Het winnen en verwerken van zeldzame aardmetalen kan zeer schadelijk zijn voor het milieu.
Economisch rendabele afzettingen van zeldzame aardmetalen komen meestal voor in ertsen waarin
ook de radioactieve elementen thorium en uranium voorkomen. Zeldzame aardmetalen worden
geëxtraheerd en gescheiden met behulp van zuren, waarna een radioactief en toxisch slib overblijft.
Dit afval kan grote milieuproblemen veroorzaken wanneer het niet zorgvuldig wordt verwerkt.
In Canada zijn komen zeldzame aardmetalen vooral voor in zwarte schalies, bijvoorbeeld zoals die in
het Alberta Black Shale Project. Deze afzettingen waren eerder niet bruikbaar. Winning zou zeer
schadelijk zijn voor het milieu vanwege de grote hoeveelheden cyanide en arsenicum die nodig
waren voor het extraheren. Tegenwoordig bestaat er een milieuvriendelijker en kosteneffectievere
technologie die gebruik maakt van water, lucht en microbiële activiteit, genaamd 'bioheap leaching'
[12]. Deze methode kan een oplossing bieden voor het milieuprobleem, maar de technologie wordt
nog niet breed toegepast.
Op meerdere plekken in Canada vindt exploratie plaats met het oog op de winning van zeldzame
metalen. Veel projecten vinden plaats met Japanse partners uit overheid of industrie.
Bedrijf
Avalon Rare Metals
Inc.
Great Western
Minerals Group Ltd.
Midland Exploration
Inc.
Pele Mountain
Resources
Matamec Explorations
Inc.
Quest Rare Earth
Mineral Ltd.
Cache Exploration Inc.
Project
Nechalacho Rare Earth Element
Project, Thor Lake, Northwest
Territories. [LREE en HREE].
Hoidas Lake Project, noord
Saskatchewan. [neodymium]
Plus Red Wine Property, Labrador
[HREE] en twee andere sites.
Ytterby, Quebec.
Status
Productie op volle capaciteit in
2015.
Eco Ridge Mine, Elliot Lake, Ontario.
[Uranium and Rare Earth Elements]
Zeus, Quebec . [HREE]
Focus op duurzame ontwikkeling.
Ontwerpfase, start productie in
2015–2016.
Exploratie gestart 2011.
Exploratie.
Strange Lake en Misery Lake, Quebec. Onbekend.
[HREE]
Welsford, New Brunswick en Cross
Exploratie.
Hills en Louil Hills, Newfoundland.
Kirrin Resources Inc.
Meerdere projecten in Newfoundland, Exploratie.
Labrador en Quebec.
Forum Uranium Corp. North Thelon Project, Nunavut.
Veelbelovend.
LREE = Cerium groep elementen: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, en Gd.
HREE = Yttrium groep elementen: Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, en Y.
Conclusies
De politieke en economische problematiek rond de betrouwbare aanvoer van zeldzame aardmetalen
in de VS en Canada leeft sterk. De klacht van Japan, de VS, en de EU tegen China bij de WTO is pas
recent ingediend. De royale voorkomens van zeldzame aardmetalen in Canada zouden de druk op de
markt kunnen verlichten, mits de milieueffecten van het winnen van de metalen kunnen worden
beperkt. Desalniettemin zet de VS in op de ontwikkeling van alternatieve technologieën en het
verminderen van het gebruik van zeldzame aardmetalen in de hightech industrie. Het is duidelijk dat
deze ontwikkelingen in de komende jaren zullen moeten worden doorgezet.
[streamer]
De royale voorkomens van zeldzame aardmetalen in Canada zouden de druk op de markt kunnen
verlichten, mits de milieueffecten van het winnen van de metalen kunnen worden beperkt.
Voor meer informatie:
[1] The Canadian Chamber of Commerce - Canada’s Rare Earth Deposits Can Offer A Substantial
Competitive Advantage, april 2012:
http://www.chamber.ca/images/uploads/Reports/2012/201204RareEarthElements.pdf of
http://tinyurl.com/cs5vucf.
[2] US Geological Survey – Mineral Commodity Surveys:
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/
[3] CNN - Obama announces WTO case against China over rare earths, 13 maart 2012:
http://www.cnn.com/2012/03/13/world/asia/china-rare-earths-case/index.html of
http://tinyurl.com/d2wnbqq.
[4] The Wall street Journal - WTO to Probe China's Rare-Earth Policies, 24 juli 2012:
http://online.wsj.com/article/SB10000872396390444025204577546342101354960.html of
http://tinyurl.com/c7yga6d.
[5] Verenigde Staten: Critical Materials Strategy 2011 – Suzanne de Groot en Karin Louzada:
http://www.agentschapnl.nl/content/verenigde-staten-critical-materials-strategy-2011 of
http://tinyurl.com/cw8taqg.
[6] Interactief periodiek tabel met informatie over zeldzame metalen en aarden:
http://avalonraremetals.com/rare_earth_metal/
[7] US Department of Energy - REACT - ALTERNATIVES TO CRITICAL MATERIALS IN MAGNETS:
http://arpae.energy.gov/Portals/0/Documents/FundedProjects/REACT%20Slicks/REACT_ProgramSlick_Final.pdf
of http://tinyurl.com/c26rdpg.
[8] Pacific Northwest National Laboratory - Battery research could lead to shorter recharge time for
cell phones, 13 juli 2012: http://www.pnl.gov/news/release.aspx?id=807 of
http://tinyurl.com/2fmhcp5.
[9] BusinessWire - Vorbeck Materials announces collaboration with PNNL to develop graphene
product for batteries, 13 juli 2012 http://www.businesswire.com/portal/site/home/permalink/?ndmViewId=news_view&newsId=2010
0713006946&newsLang=en of http://tinyurl.com/cuf6qdv.
[10] Vorbeck Materials: http://vorbeck.com/functionalized.html
[11] Molycorp – Project Phoenix: http://www.molycorp.com/about-us/project-phoenix of
http://tinyurl.com/cdrqy9d.
[12] Aura Energy - bio-heap leaching animation:
http://www.auraenergy.com.au/animationsandvideo-bioheapleachinganimation.html of
http://tinyurl.com/bsz3l5f.
keywords: Verenigde Staten, chemie, high tech systemen en materialen, energie