Sju mineral blir kritiska för vätgasboomen

2021-06-24 06:00  

Vätgasteknik kräver en rad dyra och ibland sällsynta metaller som iridium, palladium och platina. Klarar världens gruvor att skala upp när vätgassamhället ska bli verklighet? 

Litiumjonbatteriet har genomgått ett stålbad de senaste åren. Värdekedjan har granskats i detalj. Följden har blivit kritik mot exempelvis koboltutvinning i Kongo och koldioxidutsläpp vid cellproduktion. Det finns också en övergripande diskussion om hur mineralbehovet för en omfattande batterirevolution ska tillgodoses.  

Vätgasen har bubblat i decennier men först alldeles nyligen fått sitt stora genombrott – främst som processgas vid fossilfri ståltillverkning men även som energibärare i fordon. Precis som för batterier anser åtskilliga bedömare att vätgastekniken behövs för att världen ska klara av att minska koldioxidutsläppen i linje med Parisavtalet. 

Tekniken bakom vätgasen kräver en lång rad sällsynta och dyrbara metaller som endast utvinns i liten omfattning i dag. Trots det hörs debatten om konsekvenserna av en omställning till vätgasteknik inte alls i samma utsträckning som för batterier.  

– Den har inte varit lika tydlig. Hittills är det batterier som har drivit på. Kobolt är ju ett exempel de flesta känner till. Men vätgasen kommer nog att synliggöras mer och mer, säger Fredrik Herlitz, teknikchef på det svenska företaget Permascand, till Ny Teknik.

"Point of no return"

Permascand tillverkar elektrodbeläggningar till elektrokemisk industri och har nyligen alltmer vridit blicken mot vätgas. Företaget fokuserar på alkaliska elektrolysörer som är den i dag dominerande tekniken för vattenelektrolys, delvis på grund av att den inte kräver sällsynta metaller i samma omfattning. 

– Det händer grejer var och varannan vecka. Det man pratat om i många år sker nu. Vi har nått “point of no return”, säger Fredrik Herlitz. 

I maj släppte Internationella energiorganet IEA en omfattande rapport om den roll kritiska mineral behöver spela i energiomställningen, när kol och olja ska fasas ut. Det är främst batterier som står i centrum, men även vätgas, vindkraft och elnät. Mineral som pekas ut är bland annat koppar, nickel, kobolt, litium och sällsynta jordartsmetaller. IEA kallar dem för omställningsmineral.

Fredrik Herlitz, teknikchef på Permascand, som bland annat utvecklar elektrodbeläggningar för alkaliska elektrolysörer, som spjälkar vatten till vätgas och syrgas.  Foto: Foto: Permascand 

Mineralutvinningen måste öka

Den övergripande slutsatsen är att mineralutvinningen måste öka många gånger om för att världen ska klara av klimatutmaningen. 

Som exempel är intäkterna från kol i dag tio gånger högre än från omställningsmineral. På bara 20 år behöver det förändras, så att intäkterna från omställningsmineral är nästan dubbelt så höga som från kol. 

IEA använder sig genomgående av ett scenario som kallas för Hållbar utveckling (Sustainable development scenario, SDS), vilket motsvarar Parisavtalet. 

Utsläppsfria tekniker kräver generellt sett mer mineral än fossilbaserade tekniker. En elbil kräver sex gånger mer än en bil som kör på bensin eller diesel. Ett vindkraftverk på land nio gånger mer än ett gaseldat kraftverk i samma storlek. 

– En obalans tornar upp sig mellan kraftfullare klimatambitioner och tillgången på kritiska mineral för att förverkliga dessa. Utmaningarna är inte oöverstigliga, men regeringar måste ge tydliga besked om hur de vill omvandla klimatlöften till handling. Genom att agera nu kan de påtagligt minska risken för prisvariationer och tillgångsstörningar, säger IEA:s chef Fatih Birol, i ett uttalande.

Vätgas liten del av mineralbehovet

Vätgastekniken då, hur spår IEA att den påverkar det globala mineralbehovet? På det stora hela inte mycket alls – beroende på hur man ser på det. 

När det ökade mineralbehovet mätt i ton och fördelat per sektor illustreras i ett diagram syns knappt vätgas, ens i det ännu ambitiösare scenariot om nettonollutsläpp till 2050. I stället är det elnät, elbilar och batterilagring som står för merparten.

Men grön vätgas kräver förstås massor av el vid tillverkning, så att enbart titta på mineralbehovet för bränsleceller och elektrolysörer blir inte riktigt rättvist. Elnät, vindkraft och solceller kommer också att behövas för att systemet ska fungera när tillverkningen av grön vätgas ska öka.

IEA spår att det behövs 1 400 GW elektrolysörkapacitet till 2050 för att hållbar utveckling-scenariot ska slå in. 1 400 GW är kolossalt mycket. Som jämförelse räknar gruvjätten LKAB med att behöva knappt 10 GW kapacitet för att tillverka fossilfri järnsvamp i Norrland. I dagsläget finns det bara några få gigawatt installerad kapacitet i hela världen.

Här går vi igenom de sju viktigaste omställningsmineralen som behövs för att vätgasen ska gå från bubblare till gigant.

Nickel 

Vätgastekniken konkurrerar inte direkt med batteritillverkning gällande till exempel litium och kobolt, två av de viktigaste omställningsmineralen. Däremot med nickel, som är en betydelsefull komponent i elektroderna till såväl alkaliska som högtemperaturelektrolysörer. För den förstnämnda varianten går det åt ungefär 1 ton per MW installerad kapacitet, för den andra 150–200 kilo. 

Om samtliga 1 400 GW elektrolysörer i hållbar utveckling-scenariot vore alkaliska, och med den mängd nickel som krävs i dagsläget, skulle det alltså innebära hisnande 1,4 miljoner ton. Det är ungefär hälften av vad som årligen utvinns.  

Framtida elektrolysörer kommer visserligen inte behöva lika mycket nickel som dagens, mätt per MW. Men helt och hållet går det förmodligen inte att eliminera metallen. Om tio år väntas behovet för högtemperaturelektrolysörer ha minskat till under tio kilo. 

Dagspriset ligger kring 150 kronor per kilo. De största producenterna är Indonesien, Filippinerna och Ryssland. Cirka 70 procent av allt nickel används i rostfritt stål, någon enstaka procent i batterier.

Platina 

Ädelmetallen platina är en mycket viktig komponent i elektrolysörer och bränsleceller av PEM-typ (protonutbytesmembran), för att undvika att elektroderna korroderar. Platina avhandlas ofta tillsammans med sina fem syskon i platinagruppen: palladium, rhodium, rutenium, osmium och iridium. Detta eftersom de har liknande egenskaper och ofta hittas i samma fyndigheter. 

En PEM-elektrolysör kräver ungefär 300 gram platina per MW, med nuvarande teknik. Experter menar dock att andelen går att minska rejält det kommande årtiondet, till ungefär 30 gram per MW. 

Liknande gäller för bränsleceller. Toyota bjuder på ett konkret exempel. Till prototypversionen av företagets vätgasbil Mirai från 2008 gick det åt närmare 55 gram platina. När Mirai lanserades 2014 var mängden bantad till 40 gram. När generation två kom i fjol hade andelen minskat med ytterligare en tredjedel, mätt per kW (effekten höjdes samtidigt). Målsättningen är att nå ner till fem gram per bil till 2040.  

I dagsläget är fordonsbranschen den överlägset största konsumenten av metaller ur platinagruppen. Runt 60 procent av den årliga produktionen går till avgaskatalysatorer. 

Sydafrika är den största producenten av platina med 71 procent. 2012–2016 utvanns i snitt 178 ton per år. Dagspriset ligger kring 310 kronor per gram.

Iridium 

Också en medlem av platinagruppen. Mycket hård och den korrosionståligaste av alla metaller, även vid hög temperatur. Iridium är en viktig beståndsdel i elektrolysörer av PEM-typ. I dagsläget används omkring 700 gram per MW. Precis som för platina menar experter att andelen går att minska till en tiondel inom ett decennium.  

Sydafrika står ensamt för över 90 procent av världens samlade utvinning av iridium. Årsproduktionen uppgår till cirka sex ton. Metallen används bland annat till värmetåliga smältdeglar som behövs för att framställa kristaller till lasrar. Används även för tillverkning av energisnål oled-belysning.  

Ett tankeexperiment visar att den mängd iridium som i dag används, 700 gram per MW, vore helt orimlig vid uppskalning till 1 400 GW. Det skulle då krävas 980 ton, det vill säga 163 årsproduktioner. 

Iridiumpriset har stigit mycket kraftigt under året. Dagspriset ligger omkring 1 670 kronor per gram.

Zirkonium 

Korrosionstålig titanliknande övergångsmetall som används i alkaliska elektrolysörer (100 kilo per MW) liksom i högtemperaturelektrolysörer samt -bränsleceller (40 kilo per MW).  

Utvinns i relativt stor omfattning (cirka 1,4 miljoner ton zirkoniummalm och zirkon per år). Används främst som eldfast material, pigmentmedel, legeringsämne och för kärnbränslekapsling. De största producenterna är Sydafrika och Australien. 2016 kostade franskt zirkonium avsett för kärnkraft i snitt 44 dollar per kilo, motsvarande 367 kronor.

Lantan 

Tillhör gruppen lantanoider och är en sällsynt jordartsmetall, men trots klassificeringen är den mjuka metallen det 28:e vanligaste grundämnet i jordskorpan.  

Används i högtemperaturelektrolysörer och -bränsleceller, cirka 20 kilo per MW, vilket spås kunna halveras inom ett årtionde.  

Priset på lantanoxid (99 procent) håller sig på en stabilt låg nivå, runt 13 kronor per kilo, bortsett från en kraftig ökning 2011 då det plötsligt steg till över 800 kronor. Tillgången väntas vara god framöver. Lantan används främst som katalysator inom petroleumindustrin, i nickelmetallhydridbatterier samt i glas och keramik.  

Åren 2012–2016 utvanns i snitt 29 000 ton lantanoxid per år, varav 86 procent i Kina.

Palladium 

Är tillsammans med platina den kommersiellt viktigaste av ädelmetallerna i platinagruppen. Används i PEM-elektrolysörer i ungefär samma utsträckning som platina och av likartade orsaker. 

Har kommit att delvis ersätta platina i bilkatalysatorer för avgasrening, som är det överlägset största användningsområdet för metallen. Orsaken är det historiskt lägre priset, som nu dock skiftat till det motsatta. 

2017 utvanns globalt 208 ton. Ryssland och Sydafrika står för 40 procent vardera. Palladiumpriset har ökat stadigt de senaste åren och ligger nu kring 750 kronor per gram.

Yttrium 

Har fått sitt namn efter den svenska byn Ytterby och klassas som en sällsynt jordartsmetall. Högtemperaturelektrolysörer kräver under fem kilo per MW av övergångsmetallen, vilket spås kunna halveras inom tio år.  

Används främst som lysämne i till exempel CRT-skärmar och lysdioder. Precis som för lantan uppstod en prisökning 2011, men därefter har det stabiliserats. I dagsläget kostar yttrium runt 310 kronor per kilo. 

2012–2016 utvanns i snitt 5 400 ton yttriumoxid årligen, varav Kina stod för 86 procent.

"Lite hokus pokus"

Ovan nämnda mineral är de IEA tar upp i sin rapport relaterat till vätgas. Men det finns fler. Permascand använder till exempel rutenium i sina elektrodbeläggningar. 

– Det finns en del annat också, det är alltid lite hokus pokus, men det är ingen hemlighet att rutenium historiskt är den viktigaste komponenten för att sänka energiåtgången hos nickelbaserade teknologier, säger Fredrik Herlitz. 

Vad håller dig sömnlös om natten nu när vätgastekniken ska börja skala upp? 

– Jag är lösningsorienterad och sover gott. Men risker finns i underleverantörskedjan. För bara några månader sedan fanns till exempel H2 Green Steel (svenskt startupbolag inom fossilfri ståltillverkning, reds anm) inte på kartan. Hur ska vi klara av alla gigawatt till 2030? Det känns som att många tar för givet att det här med vätgasen löser sig. Men volymerna är en stor utmaning – att pussla ihop helheten för att få det att hända, säger han.

 

Fotnot: Som källor har huvudsakligen The role of Critical Minerals in Clean Energy Transition från IEA (2021) samt Study on the EU’s list of Critical Raw Materials (2020) från EU-kommissionen använts. 

Johan Kristensson

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt