Economie van natuurlijke hulpbronnen

Achtergronden en inleiding

Het concept van de eeuwigdurende hulpbron is complex, omdat het begrip hulpbron complex is en verandert met de komst van nieuwe technologie (meestal efficiëntere terugwinning), nieuwe behoeften, en in mindere mate met nieuwe economische factoren (bijv. veranderingen in de prijzen van het materiaal, veranderingen in de energiekosten, enz.) Enerzijds kan een materiaal (en zijn hulpbronnen) een tijd van schaarste ingaan en een strategisch en kritisch materiaal worden (een onmiddellijke uitputtingscrisis), maar anderzijds kan een materiaal buiten gebruik raken, zijn hulpbron kan eeuwigdurend worden als dat voorheen niet het geval was, en vervolgens kan de hulpbron een paleobron worden wanneer het materiaal bijna volledig buiten gebruik raakt (bijv. hulpbronnen van vuursteen van pijlpuntkwaliteit). Enkele van de complexe factoren die van invloed zijn op de hulpbronnen van een materiaal zijn de mate van recyclebaarheid, de beschikbaarheid van geschikte substituten voor het materiaal in de eindproducten, plus enkele andere minder belangrijke factoren.

De federale regering kreeg plotseling een dwingende belangstelling voor hulpbronkwesties op 7 december 1941, kort nadat Japan de VS had afgesneden van tin en rubber en sommige andere materialen zeer moeilijk verkrijgbaar had gemaakt, zoals wolfraam. Dit was het ergste geval voor de beschikbaarheid van grondstoffen, een strategisch en kritisch materiaal. Na de oorlog werd een regeringsvoorraad van strategische en kritieke materialen aangelegd, met ongeveer 100 verschillende materialen die tegen contant geld werden gekocht of verkregen door Amerikaanse landbouwgrondstoffen ervoor te ruilen. Op langere termijn leidde de schaarste aan tin later tot de volledige vervanging van aluminiumfolie door tinfolie en tot de vervanging van met polymeer beklede stalen blikken en aseptische verpakkingen door met tin beklede stalen blikken.

Bronnen veranderen in de loop der tijd door technologie en economie; efficiëntere winning leidt tot een daling van de benodigde ertsgraad. De gemiddelde kwaliteit van het verwerkte kopererts is gedaald van 4,0% koper in 1900 tot 1,63% in 1920, 1,20% in 1940, 0,73% in 1960, 0,47% in 1980, en 0,44% in 2000.

Kobalt bevindt zich in een precaire bevoorradingsstatus sinds Belgisch Congo (’s werelds enige belangrijke bron van kobalt) in 1960 overhaast onafhankelijk werd en de kobaltproducerende provincie zich afscheurde als Katanga, gevolgd door verschillende oorlogen en opstanden, lokale regeringsverhuizingen, vernielde spoorwegen en nationalisaties. Dit werd nog eens bekroond door een invasie van de provincie door Katangese rebellen in 1978, die de aanvoer en het vervoer verstoorde en de kobaltprijs kortstondig deed verdrievoudigen. Terwijl de aanvoer van kobalt was verstoord en de prijs omhoog schoot, werden nikkel en andere substituten in gebruik genomen.

Daarna werd het idee van een “Grondstoffenoorlog” door de Sovjets populair. In plaats van de chaos die het gevolg was van de Zaïrese kobaltsituatie, zou dit gepland zijn, een strategie die erop gericht was de economische activiteit buiten het Sovjetblok te vernietigen door de verwerving van vitale grondstoffen met niet-economische middelen (militaire?) buiten het Sovjetblok (Derde Wereld?), om deze delfstoffen vervolgens aan het Westen te onthouden.

Een belangrijke manier om een kobaltsituatie of een “Grondstoffenoorlog”-situatie te omzeilen, is het gebruik van substituten voor een materiaal in zijn eindtoepassingen. Enkele criteria voor een bevredigend substituut zijn (1) onmiddellijke beschikbaarheid in eigen land in toereikende hoeveelheden of beschikbaarheid uit aangrenzende naties, of mogelijk van overzeese bondgenoten, (2) bezit van fysische en chemische eigenschappen, prestaties en een lange levensduur die vergelijkbaar zijn met die van het materiaal van eerste keuze, (3) gevestigd en bekend gedrag en bekende eigenschappen, vooral als bestanddeel in exotische legeringen, en (4) de mogelijkheid tot verwerking en fabricage met minimale veranderingen in bestaande technologie, kapitaalgoederen, en verwerkings- en fabricagefaciliteiten. Enkele voorgestelde vervangingen waren aluniet voor bauxiet om aluminiumoxide te maken, molybdeen en/of nikkel voor kobalt, en aluminiumlegeringen van autoradiatoren voor koperlegeringen van autoradiatoren. Materialen kunnen worden geëlimineerd zonder materiaalvervangers, bijvoorbeeld door gebruik te maken van ontladingen van hoogspanningselektriciteit om harde voorwerpen te vormen die vroeger werden gevormd door minerale schuurmiddelen, waardoor superieure prestaties worden verkregen tegen lagere kosten, of door computers/satellieten te gebruiken ter vervanging van koperdraad (landlijnen).

Een belangrijke manier om een hulpbron te vervangen is door synthese, bijvoorbeeld industriële diamanten en vele soorten grafiet, hoewel een bepaald soort grafiet bijna kan worden vervangen door een gerecycleerd produkt. Het meeste grafiet is synthetisch, bijvoorbeeld grafietelektroden, grafietvezels, grafietvormen (bewerkt of onbewerkt), en grafietpoeder.

Een andere manier om een hulpbron te vervangen of uit te breiden is door het gewenste materiaal te recyclen uit schroot of afval. Dit is afhankelijk van de vraag of het materiaal al dan niet is afgedankt of beschikbaar is als een niet langer bruikbaar duurzaam product. Het hergebruik van het duurzame product hangt af van zijn weerstand tegen chemische en fysische afbraak, de beschikbare hoeveelheden, de prijs van beschikbaarheid, en het gemak waarmee het uit het oorspronkelijke product kan worden gehaald. Zo is bismut in maagmedicijnen hopeloos verstrooid (gedissipeerd) en dus onmogelijk terug te winnen, terwijl bismutlegeringen gemakkelijk kunnen worden teruggewonnen en gerecycleerd. Een goed voorbeeld waar recycling een groot verschil maakt, is de beschikbaarheid van grondstoffen voor grafiet, waar vlokgrafiet kan worden teruggewonnen uit een hernieuwbare hulpbron die kisj wordt genoemd, een afvalproduct van de staalproductie dat ontstaat wanneer koolstof zich als grafiet in de kisj afscheidt van het gesmolten metaal, samen met slakken. Nadat het is afgekoeld, kan de kisj worden verwerkt.

Er moeten verschillende andere soorten hulpbronnen worden ingevoerd. Als strategische en kritische materialen het slechtste geval zijn voor hulpbronnen, tenzij ze worden gemitigeerd door vervanging en/of recycling, is een van de beste een overvloedige hulpbron. Een overvloedige hulpbron is een hulpbron waarvan het materiaal tot dusver weinig toepassing heeft gevonden, zoals het gebruik van klei met een hoog aluminiumgehalte of anorthosiet om aluminiumoxide te produceren, en magnesium voordat het uit zeewater werd gewonnen. Een overvloedige hulpbron is vergelijkbaar met een eeuwigdurende hulpbron. De reservebasis is het deel van een geïdentificeerde hulpbron dat een redelijk potentieel heeft om economisch beschikbaar te komen op een tijdstip dat ligt na het moment waarop de huidige bewezen technologie en de huidige economie in werking zijn. Geïdentificeerde hulpbronnen zijn hulpbronnen waarvan de locatie, de kwaliteit en de kwantiteit bekend zijn of worden geschat op basis van specifiek geologisch bewijsmateriaal. Reserves zijn dat deel van de reservebasis dat op het moment van vaststelling economisch kan worden gewonnen; reserves mogen niet worden gebruikt als surrogaat voor hulpbronnen, omdat ze vaak worden vertekend door belastingen of de public relations-behoeften van de eigenaar.

Alomvattende modellen voor natuurlijke hulpbronnenEdit

Harrison Brown en consorten stelden dat de mensheid “erts” van steeds lagere kwaliteit zal verwerken. IJzer zal komen van laagwaardig ijzerhoudend materiaal, zoals ruw gesteente van een willekeurige plaats in een ijzerformatie, niet veel anders dan de input die wordt gebruikt om taconietpellets te maken in Noord-Amerika en elders vandaag. Naarmate de cokeskoolreserves afnemen, zal bij de produktie van ruwijzer en staal gebruik worden gemaakt van processen die geen cokes gebruiken (d.w.z. elektrisch staal). De aluminiumindustrie zou kunnen overschakelen van het gebruik van bauxiet op het gebruik van anorthosiet en klei. Het verbruik van magnesiummetaal en magnesia (d.w.z. in vuurvaste produkten), dat thans uit zeewater wordt gewonnen, zal toenemen. Zwavel zal worden verkregen uit pyriet, vervolgens uit gips of anhydriet. Metalen zoals koper, zink, nikkel en lood zullen worden gewonnen uit mangaanknollen of de fosforiaformatie (sic!). Deze veranderingen kunnen zich onregelmatig voordoen in verschillende delen van de wereld. Terwijl Europa en Noord-Amerika anorthosiet of klei als grondstof voor aluminium zouden kunnen gebruiken, zouden andere delen van de wereld bauxiet kunnen gebruiken, en terwijl Noord-Amerika taconiet zou kunnen gebruiken, zou Brazilië ijzererts kunnen gebruiken. Er zullen nieuwe materialen opduiken (let wel: dat is al gebeurd), het resultaat van technologische vooruitgang, waarvan sommige als vervangingsprodukt fungeren en andere nieuwe eigenschappen hebben. Recycling zal steeds gebruikelijker en efficiënter worden (let wel: dat is al gebeurd!). Uiteindelijk zullen mineralen en metalen worden verkregen door “gemiddeld” gesteente te verwerken. 100 ton “gemiddeld” stollingsgesteente zal acht ton aluminium, vijf ton ijzer en 0,6 ton titanium opleveren.

Het USGS-model, gebaseerd op gegevens over de abundantie van de aardkorst en de reserve-abundantie relatie van McKelvey, wordt toegepast op verschillende metalen in de aardkorst (wereldwijd) en in de korst van de V.S. De potentiële momenteel winbare voorraden (huidige technologie, economie) die de McKelvey-relatie het dichtst benaderen, zijn die waar al het langst naar wordt gezocht, zoals koper, zink, lood, zilver, goud en molybdeen. Metalen die de relatie McKelvey niet volgen zijn die welke bijprodukten zijn (van belangrijke metalen) of die tot voor kort niet van vitaal belang waren voor de economie (titanium, aluminium in mindere mate). Bismut is een voorbeeld van een bijproduct-metaal dat de relatie niet erg goed volgt; de 3% loodreserves in het westen van de V.S. zouden slechts 100 ppm bismut bevatten, duidelijk te laagwaardig voor een bismutreserve. Het wereldpotentieel aan winbare hulpbronnen bedraagt 2.120 miljoen ton voor koper, 2.590 miljoen ton voor nikkel, 3.400 miljoen ton voor zink, 3.519 miljard ton voor aluminium, en 2.035 miljard ton voor ijzer.

Diverse auteurs hebben nog andere bijdragen. Sommigen denken dat het aantal vervangingsprodukten bijna oneindig is, vooral met de stroom van nieuwe materialen uit de chemische industrie; identieke eindprodukten kunnen worden gemaakt van verschillende materialen en met verschillende uitgangspunten. Kunststoffen kunnen goede elektrische geleiders zijn. Aangezien alle materialen 100 keer zwakker zijn dan ze theoretisch zouden moeten zijn, zou het mogelijk moeten zijn om de gebieden met dislocaties te elimineren en ze sterk te versterken, zodat kleinere hoeveelheden kunnen worden gebruikt. Samenvattend kunnen we stellen dat “mijnbouw”-bedrijven steeds meer verschillende produkten zullen hebben, dat de wereldeconomie zich steeds minder op materialen en steeds meer op diensten richt, en dat de bevolking lijkt af te vlakken, wat betekent dat de vraag naar materialen steeds minder zal toenemen; dat veel van de materialen zullen worden gewonnen uit enigszins ongewone gesteenten, dat er veel meer nevenprodukten en bijprodukten van een bepaalde activiteit zullen zijn, en dat er meer handel in mineralen en materialen zal zijn.

Trend naar eeuwigdurende hulpbronnen

Naarmate radicale nieuwe technologie de wereld van materialen en mineralen steeds sterker beïnvloedt, is het steeds waarschijnlijker dat de gebruikte materialen eeuwigdurende hulpbronnen hebben. Er zijn nu al steeds meer materialen die eeuwigdurende hulpbronnen hebben en steeds minder materialen die niet-hernieuwbare hulpbronnen hebben of strategische en kritische materialen zijn. Enkele materialen die eeuwigdurende hulpbronnen hebben, zoals zout, steen, magnesium en gewone klei, werden eerder genoemd. Dankzij nieuwe technologie zijn synthetische diamanten toegevoegd aan de lijst van eeuwigdurende hulpbronnen, aangezien zij gemakkelijk kunnen worden gemaakt uit een klomp van een andere vorm van koolstof. Synthetisch grafiet wordt in grote hoeveelheden gemaakt (grafietelektroden, grafietvezels) uit koolstofprecursoren zoals petroleumcokes of een textielvezel. Een bedrijf genaamd Liquidmetal Technologies, Inc. maakt gebruik van de verwijdering van dislocaties in een materiaal met een techniek die prestatiebeperkingen opheft die worden veroorzaakt door inherente zwakheden in de atomaire structuur van het kristal. Het maakt amorfe metaallegeringen, die een willekeurige atomaire structuur behouden wanneer het hete metaal stolt, in plaats van de kristallijne atomaire structuur (met dislocaties) die zich normaal vormt wanneer heet metaal stolt. Deze amorfe legeringen hebben veel betere prestatie-eigenschappen dan gebruikelijk; zo zijn hun zirkonium-titanium Liquidmetal-legeringen 250% sterker dan een standaard titaniumlegering. De Liquidmetal-legeringen kunnen veel hoogwaardige legeringen vervangen.

Opsporing van de oceaanbodem in de afgelopen vijftig jaar heeft op veel plaatsen mangaanknollen en fosfaatknollen aan het licht gebracht. Meer recentelijk zijn polymetallische sulfide-afzettingen ontdekt en polymetallische sulfide-“zwarte modder” wordt momenteel afgezet door “zwarte rokers” De situatie van kobaltschaarste in 1978 heeft nu een nieuwe optie: het terugwinnen uit mangaanknollen. Een Koreaans bedrijf is van plan in 2010 te beginnen met de ontwikkeling van een operatie voor het terugwinnen van mangaanknollen; de teruggewonnen mangaanknollen zouden gemiddeld 27% tot 30% mangaan, 1,25% tot 1,5% nikkel, 1% tot 1,4% koper en 0,2% tot 0,25% kobalt bevatten (commerciële kwaliteit) Nautilus Minerals Ltd. is van plan commercieel materiaal van gemiddeld 29,9% zink, 2,3% lood en 0,5% koper te winnen uit massieve polymetallische sulfideafzettingen op de zeebodem met behulp van een onderwaterstofzuigerachtig apparaat dat een aantal huidige technologieën op een nieuwe manier combineert. Samenwerkingspartners van Nautilus zijn Tech Cominco Ltd. en Anglo-American Ltd., wereldwijd toonaangevende internationale bedrijven.

Er zijn ook andere robotmijnbouwtechnieken die onder de oceaan zouden kunnen worden toegepast. Rio Tinto gebruikt satellietverbindingen om arbeiders 1500 kilometer verderop in staat te stellen boorinstallaties te bedienen, vracht te laden, erts uit te graven en op transportbanden te dumpen, en explosieven te plaatsen om vervolgens rots en aarde op te blazen. De onderneming kan op die manier de arbeiders buiten gevaar houden en ook minder arbeiders inzetten. Deze technologie vermindert de kosten en compenseert de daling van het metaalgehalte van de ertsreserves. Zo zijn allerlei mineralen en metalen te winnen uit onconventionele bronnen, waarvan de voorraden in enorme hoeveelheden beschikbaar zijn.

Tot slot, wat is een perpetual resource? De ASTM-definitie van een eeuwigdurende hulpbron is “een hulpbron die vrijwel onuitputtelijk is op een menselijke tijdschaal”. Als voorbeelden worden genoemd zonne-energie, getijdenenergie en windenergie, waaraan zout, steen, magnesium, diamanten en andere hierboven genoemde materialen moeten worden toegevoegd. Een studie naar de biogeofysische aspecten van duurzaamheid kwam met de voorzichtige regel dat een hulpbronvoorraad 700 jaar moet meegaan om duurzaam te worden of een eeuwigdurende hulpbron, of in het ergste geval 350 jaar.

Als een hulpbron die 700 jaar of meer meegaat eeuwigdurend is, kan een hulpbron die 350 tot 700 jaar meegaat een overvloedige hulpbron worden genoemd, en zo wordt hij hier gedefinieerd. Hoe lang het materiaal uit zijn bron kan worden teruggewonnen, hangt af van de menselijke behoefte en van veranderingen in de technologie vanaf de winning via de levenscyclus van het product tot de uiteindelijke verwijdering, plus de recycleerbaarheid van het materiaal en de beschikbaarheid van bevredigende vervangingsmiddelen. Concreet blijkt hieruit dat uitputting pas optreedt wanneer deze factoren afzwakken en uitspelen: de beschikbaarheid van vervangingsprodukten, de mate van recycling en de haalbaarheid daarvan, een efficiëntere fabricage van het uiteindelijke consumptieprodukt, duurzamere en duurzamere consumptieprodukten, en zelfs nog een aantal andere factoren.

De meest recente informatie over hulpbronnen en richtsnoeren over de soorten hulpbronnen die in aanmerking moeten worden genomen, zijn te vinden in de Hulpbronnengids-Update

Overgang: perpetuele hulpbronnen naar paleoresourcesEdit

Perpetuele hulpbronnen kunnen overgaan naar het zijn van een paleoresource. Een paleobron is een bron waar weinig of geen vraag naar is; een verouderd materiaal, de mens heeft het niet meer nodig. De klassieke paleobron is een vuurstenen bron; niemand maakt nog vuurstenen pijlpunten of speerpunten; het is veel eenvoudiger om een geslepen stuk schrootstaal te maken en dat te gebruiken. Verouderde producten zijn onder meer conservenblikken, aluminiumfolie, het schoolbord van leisteen en radium in de medische technologie. Radium is vervangen door veel goedkopere kobalt-60 en andere radio-isotopen in bestralingsbehandelingen. Niet-corroderend lood als kabelbedekking is vervangen door kunststoffen.

Antraciet uit Pennsylvania is een ander materiaal waarvan de trend van veroudering en veroudering tot een paleobron statistisch kan worden aangetoond. De productie van antraciet bedroeg 70,4 miljoen ton in 1905, 49,8 miljoen ton in 1945, 13,5 miljoen ton in 1965, 4,3 miljoen ton in 1985, en 1,5 miljoen ton in 2005. De gebruikte hoeveelheid per persoon bedroeg 84 kg in 1905, 7,1 kg in 1965, en 0,8 kg in 2005. Vergelijk dit eens met de USGS antracietreserves van 18,6 miljard ton en de totale voorraden van 79 miljard ton; de antracietvraag is zo sterk gedaald dat deze voorraden meer dan eeuwigdurend zijn.

Aangezien de antracietvoorraden zo ver in het bereik van de eeuwigdurende voorraden liggen en de vraag naar antraciet zo ver is gedaald, is het mogelijk te zien hoe antraciet een paleobron zou kunnen worden? Waarschijnlijk doordat klanten blijven verdwijnen (d.w.z. overschakelen op andere vormen van energie voor ruimteverwarming), het voorzieningsnetwerk atrofieert doordat antracietkolenhandelaars niet genoeg omzet kunnen behouden om de kosten te dekken en sluiten, en mijnen met een te klein volume om de kosten te dekken eveneens sluiten. Dit is een wederzijds versterkend proces: klanten schakelen over op andere vormen van schonere energie die minder vervuiling en kooldioxide produceren, en vervolgens moet de steenkoolhandelaar sluiten omdat er niet genoeg verkoopvolume is om de kosten te dekken. De andere klanten van de steenkoolhandelaar worden dan gedwongen over te schakelen tenzij zij een andere steenkoolhandelaar in de buurt kunnen vinden. Tenslotte sluit de antracietmijn omdat zij niet voldoende afzet heeft om de kosten te dekken.