De inspanningen van de VS om een ​​binnenlandse levering van schone energie op te bouwen, beginnen vaak met kritieke materialen die worden geproduceerd in verre en geopolitiek gevoelige landen. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben onlangs bijgedragen aan een reeks rapporten die gericht zijn op het veiligstellen van de Amerikaanse toeleveringsketen voor schone energie en het minimaliseren van mogelijke verstoringen.

De DOE-rapporten gaan in op 12 gebieden waar de VS moeten zorgen voor de beschikbaarheid van materialen voor schone energiebronnen zoals windturbines, brandstofcellen en zonnepanelen. Sommige van deze materialen zijn zeldzame aardmineralen die worden gebruikt in magneten die bijvoorbeeld windturbines aandrijven, of edele metalen die worden gebruikt in batterijen voor elektrische voertuigen en elektriciteitsopslag op het net.

De VS hebben een consistente en betaalbare levering van deze materialen nodig om hun economie tegen 2050 koolstofarm te maken. Decarbonisatie, waaronder het nulgebruik van fossiele brandstoffen, is niet alleen nodig om de ergste effecten van klimaatverandering te voorkomen, maar ook om de energiezekerheid van het land te versterken .

Deskundigen van Argonne, andere federale agentschappen, nationale laboratoria van DOE, universiteiten en de particuliere sector werkten samen aan de evaluatierapporten van de toeleveringsketen, die werden opgesteld als reactie op het uitvoeringsbesluit van 2021 over de toeleveringsketens van Amerika. DOE schakelde Argonne in vanwege zijn expertise in de analyse van de toeleveringsketen van zeldzame aarde, batterijtechnologieën, waterstofenergie en andere relevante gebieden.

"We hebben een goed gediversifieerde en veilige toevoer van kritieke materialen nodig om onze decarbonisatiedoelstellingen te bereiken", zegt Braeton Smith, een van de belangrijkste energie-econoom bij Argonne, die de transversale onderzoeksbijdragen van het laboratorium leidde. "Dat vereist dat we over de hele energie-industriële basis kijken om mogelijke tekorten of verstoringen te identificeren."

In het bijzonder leidden de onderzoekers van Argonne het onderzoek en het schrijven voor twee van de supply chain-rapporten, "Rare Earth Permanent Magnets" en "Platinum Group Metal Catalysts", en technische bijdragen voor het rapport "Competitiveness and Commercialization of Energy Technologies". Ze hebben ook input geleverd voor verschillende andere rapporten in de serie.

China domineert de wereldwijde toeleveringsketen voor zeldzame aardmetalen en magneten en beheert 92% van de magneetproductie in 2020. Zeldzame aardmagneten helpen windturbinegeneratoren aan te drijven, vooral voor offshore-turbines, en ze worden gebruikt in tractiemotoren voor elektrische voertuigen. De vraag naar zeldzame-aardmagneten zal naar verwachting alleen maar groeien naarmate de VS schone energie blijft uitbreiden.

Wetenschappers van Argonne hebben in eerder onderzoek ontdekt dat verstoringen van de toevoer van zeldzame aardmetalen gevolgen kunnen hebben die veel langer duren dan een kortdurende gebeurtenis, waardoor prijsstijgingen ontstaan ​​die variëren afhankelijk van het specifieke materiaal. Ze ontdekten deze patronen met behulp van het Global Critical Materials (GCMat)-model, waarmee toekomstige marktontwikkelingen kunnen worden gesimuleerd en risico's kunnen worden geanticipeerd. GCMat vertrouwt op een simulatiemethode die op agenten gebaseerde modellering wordt genoemd, waarbij de "agenten" producenten, consumenten en andere spelers in een markt vertegenwoordigen die beslissingen nemen.

"Er zijn een aantal pogingen aan de gang om de productie van magneten en de verwerking van zeldzame aardmaterialen toe te voegen, zowel in eigen land als wereldwijd", zegt Matthew Riddle, assistent-energiewetenschapper bij Argonne. "In de rapporten hebben we verschillende van deze inspanningen benadrukt om de veerkracht van de toeleveringsketen te verbeteren."

Metalen uit de platinagroep, waarvoor de VS sterk afhankelijk is van invoer, zijn katalysatormiddelen die chemische reacties efficiënter laten verlopen. Zowel platina als iridium zijn belangrijk voor de productie van "groene waterstof" voor brandstofcellen door de waterstof uit water te halen in plaats van uit aardgas. Iridium is een van de zeldzaamste van deze metalen en wordt niet geproduceerd in de V.S.

"Het probleem is niet noodzakelijk alleen gericht op het delven van grondstoffen", zei Smith. "De VS hebben ook geen midstream-productie, waar we enkele van deze belangrijke materialen kunnen scheiden en verfijnen zodra ze zijn gedolven."

De DOE-rapporten leggen het huidige supply chain-landschap in detail vast en identificeren de belangrijkste risico's en kansen. Een andere hindernis zijn de beperkte gegevens in de toeleveringsketen.

"Een van de uitdagingen bij het analyseren van kritieke materiaaltoeleveringsketens is het gebrek aan openbaar beschikbare gegevens, met name over processtappen die plaatsvinden nadat de mijnbouw heeft plaatsgevonden", zegt Diane Graziano, chemisch ingenieur bij Argonne.

Het rapport over metalen uit de platinagroep beval de VS aan om gedetailleerde informatie over leveranciers en fabrikanten samen te stellen, wat zou kunnen helpen bij het prioriteren van investeringen in katalysatoren.

Naast het stimuleren van de binnenlandse raffinage en productie van kritieke materialen, zijn andere mogelijke manieren om de toeleveringsketen te versterken het vinden van goedkopere en overvloediger vervangende materialen en het vergroten van de mogelijkheid om materialen van afgedankte batterijen en andere bronnen terug te winnen en te recyclen.

Het rapport over concurrentievermogen en commercialisering kijkt naar strategieën om innovatieve technologieën op de markt te brengen en het concurrentievermogen van de VS in de sector van schone energie te verbeteren. Daartoe presenteert het een economisch analysekader in zes stappen dat vraagvoorspelling, beleidsanalyse en scenarioanalyse omvat.

"Het is geen perfecte glazen bol. Maar het uitvoeren van deze end-to-end economische analyse van de toeleveringsketen, van mijnbouw tot recycling, helpt ons de potentiële bronnen van concurrentievoordeel voor de VS te begrijpen en hoe deze te behouden", zegt Allison Bennett. Irion, systeemingenieur en directeur supply chain-onderzoek bij Argonne.

Argonne-experts die als auteurs en bijdragers aan de DOE-rapporten hebben gewerkt, zijn naast Smith, Graziano, Riddle en Bennett Irion, Matthew Earlam, Chukwunwike Iloeje, Autumn Kaiser, Iain Hyde, Di-Jia Liu en Pingping Sun. + Verder verkennen

Onderbrekingen in de toevoer van zeldzame aarde hebben gevolgen op lange termijn, zo blijkt uit computermodellen