Critical Mineral and Material Supply Availability and Energy System Development: A Multisector Analysis and Implications

Stel je het wereldwijde energiesysteem voor als een gigantische, hoogtechnologische LEGO-stad. Om deze stad te bouwen, heb je twee heel verschillende soorten stenen nodig. Ten eerste heb je de "bulk"-stenen: de enorme, zware, veelvoorkomende blokken zoals staal, aluminium en koper. Dit zijn de fundamenten; je hebt er tonnen van nodig om de muren, de wegen en de elektriciteitskabels te bouwen. Ten tweede heb je de "specialty"-stenen: kleine, zeldzame en zeer specifieke stukjes zoals lithium, neodymium of platina. Je hebt er slechts een paar van nodig, maar ze zijn het geheime ingrediënt dat de lichten in de stad laat branden, de auto's zelfstandig laat rijden en de batterijen laat opladen.

Lama tijd hebben wetenschappers zich zorgen gemaakt dat we misschien de zeldzame, speciale stenen opraken die nodig zijn om onze toekomstige groene energiewereld te bouwen. Maar deze nieuwe studie stelt een grotere, complexere vraag: wat als we ook niet genoeg van de gewone stenen kunnen krijgen? Het blijkt dat als je niet genoeg staal of koper kunt krijgen, dit niet alleen de bouw van één ding stopt; het stuurt een schokgolf door de hele LEGO-stad. Omdat elk deel van de stad met elkaar verbonden is, dwingt een tekort in één gebied je om alles anders te gaan bouen, wat de hele stad duurder en moeilijker te voorzien van energie maakt. Dit onderzoek gebruikt een superintelligent computermodel om te simuleren wat er gebeurt wanneer de aanvoer van deze materialen onder druk komt te staan, en laat zien dat de toekomst van onze energie niet alleen gaat over het vinden van zeldzame mineralen, maar over het waarborgen dat de gehele toeleveringsketen sterk blijft.

---

Het Grote Energie-LEGO-tekort

Een team van onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory besloot een gigantisch spelletje "Wat als?" te spelen met behulp van een geavanceerd computermodel genaamd GCAM (Global Change Analysis Model). Zie GCAM als een digitale tweeling van onze hele economie, ons energiesysteem en onze omgeving. Het team wilde zien wat er zou gebeuren als de wereld plotseling niet genoeg zou kunnen produceren van de 13 belangrijkste materialen die nodig zijn om onze toekomstige energiesystemen te bouwen. Deze materialen omvatten de zwaargewichten zoals staal, aluminium en koper, evenals de "specialty"-sterren zoals lithium (voor batterijen), neodymium (voor magneten) en platina (voor brandstofcellen).

In hun belangrijkste "Centrale" scenario stelden zij zich een wereld voor waarin we zoveel van deze materialen kunnen krijgen als we nodig hebben. Maar vervolgens creëerden ze een reeks "Beperkte" scenario's. In deze simulaties beperkten ze de productie van deze materialen kunstmatig tot slechts 25%, 50% of 75% van wat het model voorspelde dat we in het jaar 2050 nodig zouden hebben. Ze keken niet naar slechts één sector; ze observeerden hoe een tekort in één gebied doorwerkte in de elektriciteit, het transport en de waterstofproductie, en hoe het hele systeem probeerde zich aan te passen.

Het Rimpeleffect: Wanneer één steen opraakt

De meest verrassende ontdekking van de simulatie is dat tekorten niet op hun plek blijven. Ze verspreiden zich als een virus. De onderzoekers ontdekten dat als je de aanvoer van "bulk"-materialen zoals staal, aluminium of koper beperkt, dit niet alleen de bouw van elektriciteitscentralों of auto's vertraagt; het dwingt het hele energiesysteem om van strategie te veranderen.

Als bijvoorbeeld de staalproductie met de helft wordt verminderd, laat het model zien dat de elektriciteitssector een enorme klap krijgt. Omdat staal in bijna elk type elektriciteitscentrale en transmissielijn wordt gebruikt, maakt een tekort het te duur om nieuwe hernieuwbare energie te bouwen. Het systeem probeert zich aan te passen door over te schakelen naar energiebronnen die minder staal gebruiken, maar dit is geen perfecte oplossing. Het resultaat? Tegen 2050, als de staalproductie wordt beperkt tot 50% van wat we nodig hebben, daalt de wereldwijde elektriciteitsopwekking met 43%. Als koper beperkt wordt, daalt de opwekking met 41%. Als aluminium beperkt wordt, daalt deze met 31%.

Dit tekort verandert ook de prijs van onze energie. In deze simulatiesities zorgt het beperken van staal, aluminium of koper tot 50% van de vraag ervoor dat de elektriciteitsprijzen in de VS tegen 2050 met 39% tot 70% zullen stijgen. Het is also[dt] als de prijs van cement plotseling verdubbelt; plotseling wordt het bouwen van een huis een luxe, en kunnen minder mensen erin wonen.

De Dominostenen vallen: Auto's, Batterijen en Substituten

Het verhaal wordt nog interessanter wanneer je naar het transport kijkt. Het model toonde aan dat wanneer materialen schaars worden, het systeem probeert één technologie voor een andere te ruilen, maar dat dit niet altijd een soepele wissel is.

• De Batterijstrijd: Lithium en grafiet zijn de belangrijkste ingrediënten voor de batterijen in elektrische auto's (BEV's). Als deze schaars worden, voorspelt het model dat er minder elektrische auto's gebouwd zullen worden. Maar hier komt de wending: het systeem probeert het gat op te vullen met andere soorten auto's. Sommige elektrische auto's schakelen over naar natrium-ion batterijen (die geen lithium gebruiken), en sommige mensen schakelen terug naar benzineauto's (ICE-voertuigen) omdat deze minder van de schaarse materialen gebruiken.
• De Brandstofcelverschuiving: Platina is nodig voor waterstofbrandstofauto's. Als platina schaars wordt, worden die auto's te duur, en het systeem verschuift terug naar elektrische auto's of benzineauto's.
• De Kruisbestuiving: De simulatie vond dat deze veranderingen in één sector invloed hebben op de andere. Bijvoorbeeld, als lithium schaars is en er minder elektrische auto's worden gebouwd, daalt de vraag naar elektriciteit. Maar als het systeem overschakelt op waterstofbrandstofcellen om elektrische auto's te vervangen, gaat de vraag naar waterstof omhoog, wat vervolgens weer meer technologie voor waterstofproductie vereist. Het is een groot spelletje stoelendans waarbij de muziek nooit stopt.

De Strijd tussen "Bulk" en "Specialty"

Een van de belangrijkste conclusies van deze studie is het verschil tussen de "bulk"-materialen en de "specialty"-materialen.

• Bulk-materialen (Staal, Aluminium, Koper): Dit zijn de zware krachten. De simulatie suggereert dat tekorten hier het gevaarlijkst zijn voor het hele systeem. Omdat ze in alles worden gebruikt, veroorzaakt een tekort in staal of koper de grootste dalingen in energieproductie en de grootste prijsstijgingen. Zij zijn de ruggengraat van het energiesysteem, en als de ruggengraat breekt, lijdt het hele lichaam. Specifiek: als de productie van bulkmaterialen wordt gehalveerd, zouden de kosten voor elektrische voertuigen met 36% tot 85% kunnen stijgen.
• Specialty-materialen (Lithium, Neodymium, etc.): Deze zijn specifieker. Als lithium schaars wordt, schaadt dit vooral de batterijtechnologie. Als neodymium schaars wordt, schaadt dit vooral windturbines. Hoewel deze tekorten nog steeds problemen veroorzaken, kan het systeem vaak een workaround vinden, zoals het overschakelen naar een ander type batterij of een ander type windturbine. Desalniettemin kunnen beperkingen op deze specialty-materialen de kosten voor elektrische voertuigen met wel 40% verhogen.

De Conclusie: Alles is Verbonden

De auteurs van deze studie benadrukken dat we energie en materialen niet geïsoleerd kunnen bekijken. Je kunt niet simpelweg zeggen: "We hebben meer lithium nodig voor batterijen," zonder na te denken over hoe dat invloed heeft op het staal dat nodig is voor de fabriek die die batterijen bouwt, of het koper dat nodig is om ze op te laden.

In deze simulaties vonden de onderzoekers dat het energiesysteem ongelooflijk onderling verbonden is. Een tekort in één materiaal creëert een kettingreactie die technologische keuzes verandert, de energieproductie verschuift en de prijzen over de hele linie opdrijft. De studie suggereert dat om een veilig energietoekomst te bouwen, we ons niet alleen zorgen moeten maken over de zeldzame, glimmende mineralen, maar ook over de gewone, zware materialen zoals staal en koper. Als we de aanvoer van deze "saaie" bulkmaterialen niet veiligstellen, kan de hele groene energietransitie veel duurder en veel langzamer worden dan we hopen.

De studie bewees niet dat er een tekort zal optreden, maar simuleerde wat er zou gebeuren als dat wel zou gebeuren. De boodschap is duidelijk: in de race om een schone toekomst te bouen, moeten we ervoor zorgen dat we van elke enkele steen genoeg hebben, van het kleinste stipje platina tot de zwaarste balk staal, of de hele LEGO-stad kan instorten.