Slimme keuzes verlagen materiaalvraag batterijen en zonnepanelen met 57 procent

Dat blijkt uit onderzoek van copper8, Quintel, Polaris Sustainability en TU Delft in opdracht van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat.

Dominante positie China
‘De energietransitie is een materialentransitie’, schrijven de onderzoekers. ‘Om vergaande klimaatverandering te beperken, is een snelle opschaling nodig van duurzame energietechnologieën zoals zonnepanelen, windturbines, batterijen en elektrolysers. Daarmee zijn kritieke materialen nodig. Hiervoor vindt er een verschuiving plaats van olie, kolen en gas naar kritieke en strategische materialen.’

Het gebruik van kritieke materialen leidt tot nieuwe geopolitieke afhankelijkheden. China heeft een dominante positie in vrijwel alle onderdelen van deze productieketens. Deze geopolitieke afhankelijkheid wordt steeds duidelijker zichtbaar. De verwachting is dat de sterk groeiende vraag naar deze materialen de afhankelijkheid zal vergroten.

Grootste vraag koper
De vraag naar kritieke materialen verschilt sterk per technologie. De grootste vraag in de periode tot en met 2050 wordt gevormd door koper, dat goed is voor 67 procent en in vrijwel alle technologieën wordt gebruikt. Ook leiden batterijen tot een grote materiaalvraag: vooral silicium met 13 procent, nikkel met 11 procent, vanadium met 8 procent, fosfor met 6 procent en mangaan met 4 procent. De materialen die als het meest kritiek gezien worden, zijn de zeldzame aardmetalen neodymium en dysprosium.

Uit het onderzoeksrapport blijkt dat om deze afhankelijkheden en risico’s in de energietransitie te beperken, bewuste keuzes nodig zijn in het gebruik van kritieke en strategische materialen. Een circulair perspectief kan leiden tot andere keuzes. Het onderzoek verkent de mogelijkheden van zowel strategieën in het ontwerp van het energiesysteem als strategieën binnen duurzame energietechnologieën.

Beperken piekvraag energie
Om de vraag naar kritieke materialen te verlagen, liggen er binnen het energiesysteem vooral mogelijkheden in het beperken van de piekvraag naar energie. Dat leidt tot een lagere benodigde batterijcapaciteit, waardoor minder kritieke materialen nodig zijn. De mogelijkheden om met aanpassingen in het systeemontwerp de materiaalbehoefte voor de opwekcapaciteit structureel te verlagen, lijken beperkt te zijn.

De systeemmaatregelen kunnen gezamenlijk leiden tot een kritieke materiaalreductie van 3 tot 8 procent in de periode tot en met 2050. In absolute zin vindt de grootste besparing plaats in de benodigde materialen voor batterijen van 21 procent, als gevolg van de volumereductie. Verdere energiebesparing leidt vooral tot minder benodigde opslagcapaciteit. Binnen deze strategie is gekeken naar zowel het verbeteren van de gebouwisolatie voor woningen en kantoren als een modal shift voor personenvervoer van auto naar openbaar vervoer.

Verdere energiebesparing van 10 tot 20 procent en een 10 tot 25 procent groei van fietsen, bussen, treinen en trams leidt tot een besparing van 5 tot 12 gigawatt in batterijcapaciteit en een lichte besparing van 2 tot 3 gigawatt in opwekcapaciteit van wind- en zonne-energie. Verhoging van demand side response verlaagt de benodigde opslagcapaciteit. Met maatregelen voor vraagrespons neemt in periodes van piekvraag zowel de energievraag af door vraaguitstel van de industrie als het energieaanbod toe door bidirectioneel laden van elektrische voertuigen.

Windturbines en neodymium
Voor windturbines vormt neodymium relatief de grootste kritieke materiaalvraag. Neodymium is een essentieel materiaal in permanente magneten. Met de huidige technologiemix is in 2035 zo’n 2,1 procent van de wereldwijde jaarproductie uit 2024 nodig voor de Nederlandse energietransitie. De grootste reducties zijn mogelijk door een geleidelijke overgang naar andere technologieën, zoals electrically excited generatoren en hoge-temperatuur supergeleidende generatoren. Deze alternatieve technologieën hebben minder tot geen permanente magneten en daarmee neodymium nodig.

Voor zonnepanelen zijn germanium en silicium relatief de meest benodigde kritieke materialen. Deze materialen zijn essentieel voor het functioneren van zonnepanelen. Silicium is lastig te vervangen, voor germanium zijn alternatieven beschikbaar. Met de huidige technologiemix is in 2035 zo’n 1,7 procent van de wereldwijde jaarproductie uit 2024 van germanium nodig voor de Nederlandse energietransitie. De grootste reducties zijn mogelijk door levensduurverlenging en een grotere efficiëntie in ontwerp en productie van zonnepanelen. De effecten van deze strategieën worden volgens de onderzoekers echter pas na 2050 zichtbaar.

Batterijen en lithium
Voor systeem- en thuisbatterijen zijn koper, lithium en mangaan de meest benodigde kritieke materialen. In batterijtechnologie zijn echter veel ontwikkelingen: zo worden nikkel-mangaan-kobalt-batterijen steeds vaker vervangen door lithium-ijzerfosfaat-batterijen. Ook kunnen natriumbatterijen hun intrede doen. Wanneer de technologische verbeteringen en verschuivingen in energieopslagtechnologieën worden meegerekend, kan de lithiumvraag in 2035 worden verlaagd naar 0,9 procent van 1,3 procent van de wereldwijde jaarproductie uit 2024.

Bij nikkel kan volgens het onderzoek een verlaging plaatsvinden tot 0,1 procent van 0,4 procent en kobalt van 0,7 procent kan vrijwel geheel worden uitgefaseerd. De technologische maatregelen kunnen er gezamenlijk toe leiden dat de vraag naar kritieke en strategische materialen in 2050 met zo’n 46 procent daalt ten opzichte van het reguliere scenario. De cumulatieve materiaalvraag tot 2050 daalt dan met 21 tot 27 procent.

Gecombineerde strategieën
Bij gecombineerde systeem- en technologiestrategieën is de Nederlandse vraag in 2035 als aandeel van de wereldwijde mijnbouwproductie uit 2024 voor 8 materialen hoger dan het Nederlandse aandeel van het wereldwijde energieverbruik van 0,4 procent. Dit geldt voor onder meer vanadium met 9,4 procent, iridium met 3,6 procent, neodymium met 0,85 procent en lithium met 0,81 procent. Voor materialen als koper met 0,25 procent en nikkel met 0,10 procent is de vraag kleiner dan het relatieve Nederlandse energieverbruik.

De onderzoekers concluderen dat deze gecombineerde inzet de vraag naar kritieke en strategische materialen in 2050 met zo’n 57 procent kan laten dalen ten opzichte van het reguliere scenario. De cumulatieve materiaalvraag tot 2050 daalt dan met 25 tot 34 procent. De resterende materiaalvraag bestaat voor bijna 75 procent uit koper. De grootste absolute winst is te behalen bij koper, vanadium en nikkel. De grootste relatieve winst is te behalen bij de materialen vanadium voor flowbatterijen, neodymium voor windturbines en palladium voor warmtepompen.