Materials required for a transition to a low-carbon economy : potential effects of the recycling of green technologies on the global demand of critical materials

Stringent GHG emission cuts are required for meeting the so-called Paris Agreement. The new policies aim to transform the energy and the transport sectors from a fossil fuel-based to a low-carbon one, in order to reduce the CO2 emissions. The green technologies required for the transition to a low carbon economy are more metal intensive, and in some cases are dependent of critical metals such as rare earth materials that have limited availability, produced mainly as by-products in limited countries. In recent years several studied have been conducted focusing on the implementation of low-carbon technologies in the energy and transportation sectors, showing a dramatic increase of the metal demands in those sectors. Some of these studies are analyzing the flow of one metal or group of metals in all end-use sectors and others are analyzing metals requirement for specific sector or technology using a top-down approach, a bottom-up approach, or a combination of both. Some of these studies include the recycling stream of these metals, just depended of the recycling rate, others focus of the end of life products, highlighting the potential of a possible recycling on the annual demand for metal. The objective of this thesis is to evaluate the future demand of neodymium, dysprosium, cobalt and lithium taking in consideration the following green technologies: wind turbine, electric vehicles and e-bikes. The scenarios used for this study are three energy scenarios created by the International Energy Agency until 2040 are. A sensitivity analysis is performed in order to study the effect of an increase of the End of Life recycling rate (EoL R.R.) on the metal demands. A Multi Regional dynamic Waste Input-Output is created in order to carry out the analysis. Results shows that the most critical metal is cobalt, that could suffer of a supply shortage in 2037 under the most low-carbon ambitious scenario. The high increase in the annual demand with growth factor between 2011 and 2040 until 50, could put under pressure the supply chain of all the metal considered. An increase in the EoL R.R. can reduce the global demand of cobalt, but not enough to avoid the shortage. Potentially the secondary metal flow can meet 15% of the global demand for Nd and Dy, and 23% and 12% for Co and Li. These effects are more evident at the regional level, especially in regions where the mining of these metals is not present. This study shows that wind turbines are responsible only in part of the increase in demand of this metals, while the penetration of electric vehicles is the main reason of this increase, putting these technologies at risk. It is concluded that mineral availability, production and recycling rates should be given greater attention for planning and modeling of sustainable transition to a low-carbon economy.

Per soddisfare il cosiddetto accordo di Parigi sono necessari severi tagli alle emissioni di gas a effetto serra. Le nuove politiche mirano a trasformare i settori dell'energia e dei trasporti da combustibili fossili a quelli a basse emissioni di carbonio, al fine di ridurre le emissioni di CO2. Le tecnologie cosiddette verdi necessarie per la transizione verso un'economia a basse emissioni di carbonio sono a più alta intensità di metallo e in alcuni casi dipendono da metalli critici come le terre rare, che hanno disponibilità limitata, prodotti principalmente come sottoprodotti in pochi paesi. Negli ultimi anni sono stati condotti numerosi studi incentrati sull'implementazione di tecnologie a basse emissioni di carbonio nei settori dell'energia e dei trasporti, mostrando un drammatico aumento delle richieste di metalli in tali settori. Alcuni di questi studi hanno analizzato il flusso di un metallo o di un gruppo di metalli in tutti i settori della domanda finale, mentre altri hanno considerato il fabbisogno di metalli per specifici settori o tecnologie utilizzando un approccio top-down, un approccio bottom-up o una combinazione di entrambi . Alcuni di questi studi includono il flusso di materiale riciclato di questi metalli, che dipende solo dal tasso di riciclaggio, altri si concentrano sui prodotti a fine vita, analizzando l’effetto potenziale del riciclo sulla domanda annuale di metallo. L'obiettivo di questa tesi è valutare la domanda futura di neodimio, disprosio, cobalto e litio prendendo in considerazione le seguenti tecnologie verdi: turbine eoliche, veicoli elettrici ed e-bike. Gli scenari utilizzati per questo studio sono tre scenari energetici creati dall'International Energy Agency fino al 2040. Viene eseguita un'analisi di sensibilità per studiare l'effetto di un aumento del tasso di riciclaggio di fine vita (EoL R.R.) sulle domanda di metallo. Un modello Multi-Regional dynamic Waste Input-Output (MRdWIO) è stato creato per eseguire l'analisi. I risultati mostrano che il metallo più critico è il cobalto, che potrebbe soffrire di una carenza di approvvigionamento nel 2037 nello scenario più ambizioso a basse emissioni di carbonio. L'elevato aumento della domanda annuale con fattore di crescita tra il 2011 e il 2040 fino al 50, potrebbe mettere sotto pressione la catena di approvvigionamento di tutto il metallo considerato. Un aumento dell'EoL R.R. può ridurre la domanda globale di cobalto, ma non abbastanza per evitare il superamento delle riserve. Potenzialmente il flusso di metallo secondario può soddisfare il 15% della domanda globale di Nd e Dy e il 23% e il 12% per Co e Li. Questi effetti sono più evidenti a livello regionale, specialmente nelle regioni in cui non è presente l'estrazione di questi metalli. Questo studio mostra che le turbine eoliche sono responsabili solo in parte dell'aumento della domanda di questi metalli, mentre la penetrazione dei veicoli elettrici è la ragione principale di questo aumento, che ne mette a rischio il suo sviluppo nel prossimo futuro. In conclusione, la disponibilità di minerali, i tassi di produzione e di riciclaggio dovrebbero ricevere maggiore attenzione per la pianificazione e la modellizzazione della transizione sostenibile verso un'economia a basse emissioni di carbonio.