Gjenbruk redder fornybar-offensiv

Norske forskere er i gang med å trekke sjeldne sjeldne jordartsmetaller ut av skrap. Målet er å  hindre at materialmangel skal ramme grønne energisatsinger.

Publisert
Ana Maria Martinez har tro på at høytemperatur elektrolyse kan brukes til å gjenvinne sjeldne jordartsmetaller fra skrap. Her har hun åpnet en digel etter et elektrolyse-forsøk. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
Ana Maria Martinez har tro på at høytemperatur elektrolyse kan brukes til å gjenvinne sjeldne jordartsmetaller fra skrap. Her har hun åpnet en digel etter et elektrolyse-forsøk. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

Sjeldne jordartsmetaller som neodym (Nd) og dysprosium (Dy) er blitt kalt de store muliggjørerne i forhold til flere grønne energi-satsinger.

De er viktige ingredienser både i generatorene som lager strøm i vindmøller, og i elektromotorene som driver el- og hybridbiler. 

Men etterspørselen etter disse grunnstoffene har vokst mye raskere enn produksjonen. Ifølge prognoser blir det knapphet på flere av dem allerede fra 2015.

– Det tar lang tid å påvise nye drivverdige forekomster og starte opp nye gruver. For å hindre at produksjonen av vindmøller og miljøbiler skal bremses opp, blir det et viktig første-tiltak å gjenvinne disse metallene fra skrap.

– I dag mangler teknologi for dette. Det prøver vi nå å gjøre noe med, sier Sintef-forsker Ana Maria Martinez.

Kina kontrollerer tilgangen

De sjeldne jordartsmetallene brukes ikke bare i energi- og transportsektoren, men også i en lang rekke hverdagsprodukter. Du finner dem blant annet i PC-er og mobiltelefoner. 

En fellesnevner for mange av grunnstoffene det handler om, er at det er mye av dem i jordskorpa.

Men det er sjelden de finnes i konsentrasjoner som er høye nok til at de er utnyttbare. Derfor kalles de sjeldne jordartsmetaller (Rare Earth Metals = REM).

En prøveholder med magnetmateriale skal inn i en forsøksovn for høytemperatur elektrolyse. Der venter en prosess tilsvarende den som brukes ved aluminium-framstilling. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
En prøveholder med magnetmateriale skal inn i en forsøksovn for høytemperatur elektrolyse. Der venter en prosess tilsvarende den som brukes ved aluminium-framstilling. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

Til nå har ett enkelt land forsynt hele verden med disse grunnstoffene: Kina.

Kina står for 95 prosent av verdensproduksjonen av REM, til tross for at landet kun har en drøy tredel av de globale forekomstene.

De siste årene har landet imidlertid begynt å begrense sin eksport av disse materialene.

Urban mining

Derfor seiler gjenvinning av REM fra skrap nå opp som et viktig forskningstema i flere andre land. Blant annet har EU store utlysninger ute til kommende forskningsprosjekter viet resirkulering av REM.

Temaet står også sentralt i et Sintef-ledet prosjekt, der de største forskningsinstituttene i Europa samarbeider innenfor fagfeltet materialgjenvinning. 

Gjenvinningsstrategien har fått betegnelsen “urban mining”.

Magnet-råstoffet som Martinez bruker i gjenvinnings-eksperimentene er produsert for bruk i hard-disken i datamaskiner. Emnet er gitt  av professor T. Okabe ved University of Tokyo. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
Magnet-råstoffet som Martinez bruker i gjenvinnings-eksperimentene er produsert for bruk i hard-disken i datamaskiner. Emnet er gitt av professor T. Okabe ved University of Tokyo. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

To grupper av materialteknologer fra Sintef er med i dette gryende kappløpet, til nå finansiert med strategiske midler fra forskningskonsernet selv.

Teknologi fra metallframstilling

Som innfallsvinkler har forskerne valgt teknologi som er kjent fra aluminium- og smelteverksindustrien.

Spanske Ana Maria Martinez, forsker ved Sintef Materialer og kjemi, er spesialist på høytemperatur elektrolyse, en prosess som i Norge er mest kjent fra aluminiumframstilling.

I sin jakt på kilder for gjenvinning av REM, har Martinez og en gruppe kolleger kastet blikket på permanentmagneter, det viktigste produktet som inneholder REM – målt både etter verdi og volum.

Mye forskning gjenstår

De sterkeste magnetene på markedet består av legeringer der de sjeldne jordartsmetallene neodym (Nd), praseodymium (Pr) og dysprosium (Dy) inngår sammen med jern og bor (“magnet”-legeringer på fagspråket).

Nettopp slike magneter brukes i vindmøller og miljøbiler.

Ut fra sine innledende forsøk, har Martinez tro på at en “tvilling-versjon” av elektrolyse-teknologien fra aluminiumverkene kan brukes til å gjenvinne magnet-legeringer fra kasserte magneter og skrapmateriale fra magnetprodusentene.

– Resultatene fra gjenvinningsforsøk vi har gjort med elektrolyse i lab-skala er lovende. Men fortsatt er prosessen treg. Et stort forskningsarbeid gjenstår, for det er mye vi må optimalisere før vi kan fastslå om det går an å komme helt i mål.

Innmat fra åpnet digel der magnetråstoff har vært gjennom et elektrolyse-eksperiment. Håpet til Martinez er at det sølvgrå materialet nederst til høyre skal være en "magnet-legering" som kan brukes i nye magneter. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
Innmat fra åpnet digel der magnetråstoff har vært gjennom et elektrolyse-eksperiment. Håpet til Martinez er at det sølvgrå materialet nederst til høyre skal være en "magnet-legering" som kan brukes i nye magneter. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

– Lykkes vi, vil vi ha en metode som er mye enklere enn alternative prosesser basert på bruk av sterke syrer, sier Martinez.

Mange utfordringer

Flere problemer må også løses på trinnene foran elektrolyse-prosessen, påpeker forskeren: Blant annet må innsamlings- og demonteringsløsninger for brukte magneter på plass.

I tillegg må magnetene demagnetiseres lokalt. Langtransport av intakte permanentmagneter er nemlig forbudt. Ifølge Martinez er teknologi for lokal demagnetisering nå under utvikling ved Universitetet i Birmingham i Storbritannia.

– Permanentmagneter er vanligvis utsatt for høye temperaturer, derfor er de utstyrt med et nikkelbelegg som korrosjonsbeskyttelse. Noen hevder at dette belegget vil vanskeliggjøre resirkulering.

– Med den prosessen vi tenker oss, tror vi imidlertid ikke at nikkelbelegget blir noe problem, sier Martinez.

Vil starte med kapp

Forskeren ser det som mest fornuftig å starte forskningsarbeidet med kapp fra magnet-produsentene. Dette er materialer som ikke er magnetisert.

– Det vil ta en stund før antallet vrakede miljøbiler er så høyt at elektriske bilmotorer blir en betydelig kilde for resirkulering av REM. Men trolig vil det alt nå være store volumer av magnet-legeringer å hente i kapp fra magnetprodusentene.

– Til enkelte formål smeltes skrap fra magnet-tilvirkningen på nytt i produksjonsovnene, men magnet-legeringene får da egenskaper som gjør dem uaktuelle for høykvalitets magneter, sier Martinez.  

Også batterier

Parallelt med arbeidene til Martinez, har forsker Kai Tang ved Sintefs metallurgi-avdeling begynt å se på muligheten for å gjenvinne REM fra nikkel-metall hydrid-batterier – ved hjelp av høytemperatur metallurgiske prosesser.

Slike batterier brukes blant annet i flere hybrid-biler. I disse inngår legeringer som inneholder de sjeldne jordartsmetallene cesium (Ce), lanthan (La), neodym (Nd) og praseodymium (Pr).

Metallurg Kai Tang separerer sjeldne jordartsoksider fra nikkel-metall hydrid-batterier ved hjelp av denne høyfrekvente vakuum-ovnen. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
Metallurg Kai Tang separerer sjeldne jordartsoksider fra nikkel-metall hydrid-batterier ved hjelp av denne høyfrekvente vakuum-ovnen. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

Ved tilsetting av slagg har Tang klart å fjerne mange av stoffene som omgir de ettertraktede REM-legeringene.

– I Asia har mange brukt kjemikalier til å gjenvinne disse legeringene, men dette er prosesser som det er vanskelig å kontrollere, sier Tang.

Tverrfaglig samarbeid

Den kinesiske forskeren samarbeider nært med kollega og elektrolyse-ekspert Martinez for å bringe den metallurgiske gjenvinningsruta helt i målt.

De sjeldne jordartsmetallene kommer ut av de metallurgiske prosessene i form av oksider, og nettopp elektrolyse er en teknikk som gjør oksider om til metaller.

Innmat fra nikkel-metall hydridbatteri etter behandling med høytemperatur metallurgiske prosesser. Øverst til høyre: slagg som inneholder sjeldne jordartsoksider. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)
Innmat fra nikkel-metall hydridbatteri etter behandling med høytemperatur metallurgiske prosesser. Øverst til høyre: slagg som inneholder sjeldne jordartsoksider. (Foto: Thor Nielsen, Sintef)

– Tang har vist at det går an å oppkonsentrere innholdet av REM-legeringer i sitt materiale i betydelig grad. Men fortsatt er silisium- og kalsiumoksider igjen, og vi er nå opptatt av hvordan vi kan bil kvitt disse foran et eventuelt elektrolysetrinn, sier Martinez.

– Tenk resirkulering fra starten!

Den spanske forskeren har en bønn til industri og myndigheter:

– Det brukes masse penger på å forske fram nye batteri-typer. Når disse utvikles: Husk også å sette av penger til forskning som bringer gjenvinningsaspektet inn allerede når de nye batterimaterialene designes!