In maart gaf de Amerikaanse president Joe Biden opdracht om meer federaal geld en middelen in te zetten voor de winning van metalen en mineralen die essentieel zijn voor de accu’s van elektrische voertuigen, waaronder nikkel, kobalt, grafiet en lithium. Het presidentiële decreet benadrukte nog eens een van de meest omstreden feiten rond de energietransitie: om de overstap van vervuilende fossiele brandstoffen naar groene, hernieuwbare energie en elektrische voertuigen te kunnen maken, is er méér mijnbouw nodig – van oudsher een van de meest vervuilende industrieën.
Mijnbouw houdt in dat grote hoeveelheden ertsen worden opgegraven en vervolgens naar verwerkingsfabrieken worden vervoerd, waar ze worden vermalen en het metaal uit de erts wordt gefilterd en geconcentreerd. Tenslotte worden onbruikbare ertsresten en spoelwater afgevoerd. Hele stukken land worden kaalgeslagen om toegang te krijgen tot de onderliggende, ertsrijke bodem en om de bijbehorende infrastructuur aan te leggen. Daarbij worden vaak aanzienlijke hoeveelheden energie en water verbruikt, wordt de lucht vervuild en ontstaan soms zeer giftige afvalstoffen.
Maar inmiddels is er een hele reeks nieuwe technologieën beschikbaar, van kunstmatige intelligentie tot het onttrekken van CO2 aan de atmosfeer, waarmee zogenaamde kritieke mineralen en metalen – die nodig zijn voor de energietransitie – op duurzamere wijze gewonnen kunnen worden dan voorheen.
Nu de wereld overstapt van fossiele brandstoffen naar zonnepanelen, windturbines en elektrische voertuigen, zal de vraag naar deze materialen naar alle waarschijnlijkheid explosief toenemen. Daardoor zien de privésector en landen als de VS steeds duidelijker het belang in van een snelle ontwikkeling en invoering van nieuwe technologieën. In een recent rapport over het versterken van de leverantieketen voor de energietransitie in de VS onderstreepte het Amerikaanse ministerie van Energie het belang van federale steun aan ‘milieuvriendelijke en duurzame’ methoden om de kritieke mineralen van de toekomst te delven.
Volgens Douglas Hollett, speciaal adviseur kritieke mineralen en materialen van het ministerie, is men er op het departement van overtuigd dat het bij de winning van kritieke mineralen niet langer gaat om alleen maar exploratie en exploitatie.
‘Het gaat er nu om: laten we deze mineralen opsporen, maar daarbij efficiënter te werk gaan en over de hele waardeketen de laagst mogelijke uitwerkingen op het milieu bereiken. We kijken naar alle aspecten, van de exploratiefase en de verwerking tot het levenseinde van de producten die met deze mineralen zijn gemaakt,’ zegt Hollett.
Delven naar data
Lang voordat een mijn wordt geopend, worden geologen erop uitgestuurd om gaten in de grond te boren en zo waardevolle ertsaders op te sporen. Deze exploratiefase is voor het milieu doorgaans het minst belastende stadium, maar ook hier valt het nodige te verbeteren. Een klein maar groeiend aantal nieuwe exploratiefirma’s denkt dat dit bereikt kan worden door het delven van... data.
Startups als KoBold Metals gebruiken kunstmatige intelligentie en geavanceerde wetenschappelijke technieken voor het analyseren van gegevens om in enorme hoeveelheden openbare en historische data bewijzen voor de aanwezigheid van accumetalen op te sporen. Deze data worden tijdens veldonderzoek – opnieuw met behulp van kunstmatige intelligentie – verzameld. KoBold wordt mede gefinancierd door het initiatief Breakthrough Energy Ventures van Bill Gates en heeft als doelstelling om het ontdekkingspercentage twintigmaal zo accuraat te maken als voorheen, waardoor de hoeveelheid grond die voor het aantonen van ertslagen moet worden verstoord, aanzienlijk wordt verminderd.
Holly Bridgwater, exploratiegeologe bij de innovatieve Australische geologiefirma Unearthed, denkt dat KoBolds doelstelling ‘haalbaar’ is, gezien het feit dat het opsporingspercentage in de mijnbouw traditioneel erg laag is: geologen schatten dat minder dan één op de honderd exploratielocaties voor de mijnbouw uiteindelijk veelbelovend genoeg is om in een echte mijn te veranderen.
KoBold doet deze zomer veldwerk op verschillende locaties in Canada en Zambia, waar het bedrijf aanwijzingen voor de aanwezigheid van nikkel- en kobaltvoorraden heeft gevonden. Maar volgens technologisch directeur Josh Goldman zal het bedrijf nog ‘twee jaar of meer’ nodig hebben om te kunnen bepalen of deze locaties winbaar zijn. Als de firma kunstmatige intelligentie kan gebruiken om verborgen maar zeer rijke ertsvoorraden te vinden, zou ook die benadering de verdere uitwerking van het winningsproces op het milieu kunnen verminderen, zegt Goldman.
‘Als je laagwaardige ertsen vindt, moet je grote hoeveelheden materiaal opgraven’ om een beetje metaal te winnen, legt hij uit. ‘Dat betekent dat er een enorme hoeveelheid afvalmateriaal ontstaat. Het opsporen van zeer hoogwaardige ertsen is dus van cruciaal belang.’
Duurzame energie
Het opsporen van hoogwaardiger ertsen kan de belasting van het milieu door het mijnbouwproces dus verlagen, maar traditionele mijnbouwmethoden hebben nog altijd grote gevolgen voor het milieu en vooral het klimaat. Het transporteren, vermalen en verwerken van ertsen is een energieverslindend proces; de mijnbouwsector is verantwoordelijk voor zes procent van het wereldwijde energieverbruik en voor 22 procent van de totale CO2-uitstoot. Hoewel veel mijnbouwbedrijven inmiddels zijn overgegaan tot het inkopen van hernieuwbare energie, en sommige ondernemingen experimenteren met alternatieve vormen van transport, zoals trucks die op waterstof lopen, is de sector voor het overgrote deel nog afhankelijk van fossiele brandstoffen om zijn zware machinerie en fabrieken aan te drijven.
Maar voor tenminste één van de kritieke mineralen, lithium, is er misschien een schonere benadering beschikbaar. Lithium wordt gebruikt als energiedrager in accu’s voor alle mogelijke toepassingen, van smartphones tot elektrische voertuigen, en de wereldwijde vraag naar het metaal zou door de overstap op elektrische voertuigen tegen het jaar 2040 weleens veertigmaal zo hoog kunnen zijn als nu.
Al tientallen jaren doen wetenschappers onderzoek naar de mogelijkheid om lithium uit geothermaal brijnwater te winnen. Deze hete en zeer mineraalrijke soep wordt door sommige geothermale energiecentrales uit diepere aardlagen opgepompt om er elektriciteit uit te winnen. Volgens Michael Whittaker, onderzoeker van het Lithium Resource Research and Innovation Center van het Lawrence Berkeley National Laboratory (het onderzoeksinstituut van het Amerikaanse ministerie van Energie), is het de bedoeling dat het hele winningsproces voor lithium op deze manier op schone geothermale energie gaat draaien. Het onttrekken van lithium aan geothermaal brijnwater heeft ook het voordeel dat er veel minder water wordt verbruikt dan bij de verdamping van mineraalrijk brijnwater uit minder diepe aardlagen, waaruit in reusachtige openluchtbassins op de zoutvlakten van Argentinië en Chili lithium wordt gewonnen.
Voordat er grote hoeveelheden lithium via het geothermale proces gewonnen kunnen worden, moeten er nog wel een aantal obstakels worden overwonnen. Volgens Whittaker is de lithiumconcentratie van geothermaal brijnwater ‘relatief laag’ vergeleken met het Zuid-Amerikaanse brijnwater. Ook zijn in geothermale bronnen andere elementen als natrium en kalium vaak in veel hogere concentraties aanwezig dan lithium, wat de winning van het metaal er niet eenvoudiger op maakt. Volgens Whittaker wordt in huidige energiecentrales heet geothermaal brijnwater opgepompt en na afkoeling weer in de bodem gespoten. Dat proces gaat momenteel veel te snel om er lithium uit te winnen, waardoor deze bedrijven minder waarde uit hun productieproces halen dan ze zouden kunnen.
Ondanks technische uitdagingen en commerciële tegenslagen ziet men op het Amerikaanse ministerie van Energie en in de privésector toekomst voor de geothermale methode. Volgens ruwe schattingen van de samenstelling van geothermaal brijnwater en de voorraden ervan zou er onder de Salton Sea, een extreem zoutrijk meer in het zuiden van Californië, een kolossale hoeveelheid lithium verborgen liggen.
‘Hoe je het ook bekijkt, er ligt daar heel wat lithium, dat de komende jaren – en potentieel vele tientallen jaren – kan worden gebruikt voor de Amerikaanse vraag naar accu’s van elektrische voertuigen,’ zegt Whittaker.
Mijnafval
Sommige onderzoekers en ondernemers geloven dat de grondstoffen die nodig zullen zijn voor de energietransitie, in het afval van verouderde en stilgelegde mijnen gevonden kunnen worden.
Tot de bedrijven die zich daarop richten, behoort ook Nth Cycle, een startup die methoden heeft ontwikkeld voor het winnen van accumetalen als kobalt, nikkel, en mangaan uit mijnafval, laagwaardige ertsen en afgedankte producten, waaronder accu’s uit voertuigen. De belangrijkste technologie van het bedrijf, dat ‘elektro-extractie’ wordt genoemd, berust niet op het gebruik van zware chemicaliën of hoogovens, die normaliter in mijnbouw- en recyclingprocessen worden toegepast. Het bedrijf maakt uitsluitend gebruik van elektriciteit, die met hernieuwbare bronnen kan worden opgewekt. Volgens Megan O’Connor, oprichtster-directrice van het bedrijf, worden metalen gericht onttrokken aan een soep van vermalen gesteente die door een reeks elektrische koolstoffilters wordt gevoerd.
O’Connor had dit proces al geoptimaliseerd toen ze nog aan haar proefschrift werkte, waarna ze in 2017 Nth Cycle oprichtte. Volgens haar kan het systeem, met 28 vierkante meter aan koolstoffilters, naar mijnbouwlocaties worden vervoerd. Uit gegevens van het bedrijf blijkt dat er ter plekke tot wel 95 procent van de nog resterende metalen uit het mijnafval kan worden gewrongen. Het bedrijf, dat in februari 2022 12,5 miljoen dollar aan investeringen heeft opgehaald, is van plan om later dit jaar zijn eerste mijnbouwpartners bekend te maken.
Al bijna tien jaar lang doet het Amerikaanse ministerie van Energie onderzoek naar de mogelijkheid om zeldzame aardmetalen – een groep van chemisch reactieve, metallische elementen die worden gebruikt in windturbines, motoren van elektrische voertuigen en halfgeleiders – uit het afval van kolenmijnen, zoals vliegas, te winnen. In februari maakte het ministerie plannen bekend voor de bouw van een 140 miljoen dollar kostende proeffabriek, die moet bepalen worden of het idee commercieel haalbaar is. Hollett noemt het project een ‘spannende’ mogelijkheid om te kijken of de vele honderden afvalbergen bij kolenmijnen – die broodnodig opgeruimd moeten worden – ook iets waardevols kunnen opleveren.
‘Of het nu om achtergebleven asbekkens of een hardnekkig probleem met zuur drainagewater uit een oude mijn gaat, hiermee wordt gewerkt aan het onttrekken van grondstoffen aan bestaande restmaterialen,’ zegt Hollett. ‘En daarnaast is er nog een herstelaspect.’
Geen CO2-uitstoot?
Nadat ertsen in het mijnbouwproces van hun waardevolle inhoud zijn ontdaan, blijven er vaak giftige bergen mijnafval achter die meestal op het terrein van de mijn zelf worden gestort en begraven. Maar als de erts uit bepaalde soorten gesteenten wordt gedolven, namelijk uit ultramafische rotsen, blijft er zeer alkalisch mijnafval met een hoge concentratie aan magnesium achter – en met dat afval zou veel CO2 uit de atmosfeer opgenomen kunnen worden.
‘Het ultramafische mijnafval waarmee we werken, absorbeert veel CO2 uit de atmosfeer door die CO2 in vaste, minerale vorm op te slaan,’ zegt Greg Dipple, professor in de geologie aan de University of British Columbia. ‘Het is de meest duurzame en permanente vorm van CO2-opslag.’
Dipple’s onderzoek heeft aangetoond dat ultramafisch mijnafval uit zichzelf al tienduizenden tonnen aan CO2 per jaar uit de atmosfeer verwijdert. Maar dat proces kan volgens hem met enkele eenvoudige en goedkope ingrepen drie- of viermaal zo efficiënt worden gemaakt. Zo kan het poedervormige steenafval af en toe worden omgewoeld, zodat een groter oppervlak aan gesteente aan de lucht wordt blootgesteld, of kan er water aan het poeder worden toegevoegd of eraan worden onttrokken. In combinatie met het gebruik van hernieuwbare energie en voertuigen die op elektriciteit of waterstof lopen, zou deze vorm van CO2-verwijdering volgens Dipple bepaalde mijnen zelfs in plekken kunnen veranderen waar meer CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald dan er wordt uitgestoten.
In 2021 heeft Dipple samen met enkele collega’s de startup Carbin Minerals opgericht om hun technologie op de markt te testen. Het bedrijf richt zich op samenwerking met nikkelproducenten die in ultramafisch gesteente werken en onderhandelt momenteel met meerdere mijnbouwbedrijven. In april behoorde de startup tot een van de vijftien winnaars van de XPRIZE Carbon Removal-prijsvraag die door Elon Musk is uitgeloofd. Alle winnende teams moesten met hun technologie kunnen aantonen dat ze miljarden tonnen CO2 uit de atmosfeer konden halen. Volgens Dipple zal de één miljoen dollar aan prijzengeld die Carbin Minerals heeft ontvangen, worden gebruikt om de technologie op een breder scala van gesteenten te testen.
‘Samen met de geraamde groei van de leverantieketen voor kritieke metalen en accumetalen is dit de manier om ervoor te zorgen dat deze techniek potentieel op een schaal van miljarden tonnen per jaar gaat werken,’ zegt Dipple.
‘Zo duurzaam mogelijk’
Hoewel nieuwe technologieën de hoop bieden dat de mijnen van de toekomst duurzamer zullen worden, zijn veel van deze benaderingen nog jaren verwijderd van grootschalige commerciële toepassing in de praktijk – áls ze al economisch haalbaar blijken te zijn. Maar een schonere benadering van de mijnbouw is slechts één stukje van de puzzel: er zullen ook veel meer metalen uit afgedankte zonnepanelen, voertuigaccu’s en andere producten herwonnen moeten worden om de behoefte aan nieuwe mijnen in de toekomst te verminderen. En tenslotte zal er strengere regelgeving nodig zijn om ervoor te zorgen dat nieuwe mijnen voor het delven van de benodigde accumetalen met toestemming van de plaatselijke bevolking en ten goede van die bevolking worden geopend.
Hoewel de mijnbouw altijd gevolgen voor het milieu zal hebben, denkt Bridgwater dat de sector veel milieuvriendelijker kan worden en de verantwoordelijkheid heeft om dat te proberen.
‘In wezen draait het in de mijnbouw om het delven van materialen, en daarvoor zal altijd energie nodig zijn,’ zegt Bridgwater. ‘Dus zal er altijd een of andere voetafdruk ontstaan. Het zou onze doelstelling moeten zijn om die voetafdruk zo duurzaam mogelijk te maken.’
Dit artikel werd oorspornkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com
