Prof. Bradshaw: Keine Energiewende ohne seltene Elemente?

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Prof. Bradshaw, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und Fritz-Haber-Institut hielt den ersten Vortrag des 3. GDNÄ Tageskongresses: „Keine Energiewende ohne seltene Elemente?“. Er beschäftigte sich mit den Fragen: Warum sind seltene Elemente für die Energiewende wichtig? Was ist Knappheit und wie selten sind seltene Elemente wirklich? Tatsächlich werden viele wichtige und seltene Elemente nicht nur bei der Erzeugung, sondern auch bei der Verteilung, der Speicherung und für den optimierten Verbrauch von Energie benötigt. Beispiele sind Neodym und Dysprosium für Windturbinen, Cadmium, Tellur, Indium und Selen für Solarzellen sowie Lithium und Kobalt für Batterien. Obwohl häufig behauptet wird, dass manche dieser Elemente nicht so selten sind, könnte in den nächsten Jahrzehenten geochemische Knappheit ihre Verfügbarkeit beeinflussen. Da die reichsten Lagerstätten immer zuerst abgebaut werden, sinkt im Laufe der Zeit zwangsläufig die durchschnittliche Konzentration des gewonnenen Erzes. Dadurch steigt der Aufwand, der zur Gewinnung betrieben werden muss, welches aber Recycling attraktiver macht. Pessimisten sehen uns am Anfang eines Zeitalters, in dem nicht mehr genug Ressourcen für alle Anwendungen zur Verfügung stehen. Dagegen sehen Optimisten die Möglichkeiten neuer Technologien in Abbau, Recycling und Substitution, um den Bedarf der Menschheit an seltenen Elementen auch in Zukunft zu decken.

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Prof. Bradshaw: Keine Energiewende ohne seltene Elemente?

  1. 1. Keine Energiewende ohne seltene Elemente? Alex Bradshaw Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching/Greifswald und Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin Nd Fotos: Wikimedia Commons Foto: Alpha Ventus Foto: AMBGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 1
  2. 2. Werden Rohstoffe knapp?GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 2
  3. 3. Globaler Verbrauch von Rohstoffen 1900 - 2005 Quelle: Krausmann et al, Ecological Economics 68 (2009) 2696; Graphik: UNEP Report 2011GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 3
  4. 4. Anzahl der Elemente für die Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Energie Graphik: Achzet et al, Materials critical to the energy industry, Universität Augsburg (2011)GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 4
  5. 5. Informationstechnologie und Kommunikation In den letzten Jahren stieg der Verbrauch seltener Elemente auch in anderen Sparten, vor allem in der Informationstechnologie und Recycling von Elektronik- Schrott in Agbogbloshie, Kommunikation : Neben Cu Ghana. Quelle: Wikimedia Commons zusätzlich kleine Mengen an Au, Ag, Pt, Pd, In, Ta, Li, Sn, etc. Im UNEP-Bericht Recycling rates of metals (2011) wird geschätzt, dass ein Mobiltelefon mindestens 60 verschiedene Elemente beinhaltet! Arbeiter in einer Elektronik-Werkstatt in Shantou, Guangdong province, China Quelle: China Daily, 9. August 2012GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 5
  6. 6. Elemente in der Erdkruste Geochemisch reichlich vorhandene Elemente: Al, Fe, Mg, Mn, Si, Ti Konzentration in der Erdkruste höher als 0.1% Gewicht (1000 ppm) Geochemisch seltene Elemente (weniger als 1000 ppm): •  Ferrolegierungsmetalle, z.B. Co, Ni, W •  unedle Metalle, z.B. Cu, Pb, Hg •  Edelmetalle, z.B. Au, Ag, Pt •  Sondermetalle, z.B. Li, In, Ta, Seltene Erdelemente Aber wie selten sind seltene Elemente wirklich?GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 6
  7. 7. Geochemische Häufigkeit der Elemente in der kontinentalen Erdkruste (bezogen auf Silizium) Quelle: G. B. Haxel, J. B. Hedrick and G. J. Orris, US Geological Survey, 2005GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 7
  8. 8. Beispiel: Kupfer, viele große Lagerstätten Häufigkeit in der Erdkruste ca. 50 ppm Chuquicamata, Chile: Weltgrößtes Übertage- Kupferbergwerk. Tiefe 900 m; Länge 4.5 km Foto: Wikimedia Commons Beispiel eines seltenen Elements, das in großen Lagerstätten (hauptsächlich als CuFeS2 and Cu2S) in Konzentrationen von 0.3 - 0.9% vorkommt.GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 8
  9. 9. „Artisanal mining“ Quelle: Manuel Ziegler, IT-Consultant Foto: REUTERS Handwerklicher Bergbau (“artisanal mining”) in einer chinesischen Seltene-Erden-Mine Abbau von Wolframit Kinderarbeit Beim Abbau von Coltan [Columbit-Tantalit, (Fe,Mn)(Nb,Ta,Sb)2O6] (FeWO4) im Kongo im Kongo.GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 9
  10. 10. Nebenprodukte Viele (seltene) Metalle sind “Nebenprodukte” bei der Gewinnung von Kupfer, Zinn, Zink, Blei, Nickel, Platin und Aluminium. Tellur wird hauptsächlich aus dem Anodenschlamm bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer gewonnen. 1 t Cu produziert 1 g Te. Graphik: Hagelüken und Meskers, Umicore Graphik: corrosion-doctors.orgGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 10
  11. 11. Ein Szenario für Stromerzeugung in der EU 2050 (ohne fossile Brennstoffe und Kernenergie) Import Erdgas Geothermie Biomass Wind Solar-CSP Quelle: The battle of the grids, Hydro Greenpeace/Energynautics, 2050 HIGH GRID scenario. Ozean Solar-PV 1.52 TWe installierte Kapazität (EU27) (2007: 0.78 TWe, 18% Hydro, 7% Wind)GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 11
  12. 12. Materialien für die Energiewende Trotz starken Rückgangs des fossilen Brennstoffverbrauchs wird es dennoch weiterhin einen hohen Bedarf an Rohstoffen geben. Viele von diesen werden für die Erzeugung, Transmission, Speicherung und Verwendung von Energie aus erneuerbaren Quellen – in manchen Ländern auch aus der Kernenergie – benötigt. Beispiele für “Energiematerialien”: TESLA all-electric •  Seltene-Erdelemente für Windturbinen und Elektroautos Siemens SWT-6.0 •  Kupfer für neue Netze direct drive •  Cadmium und Tellur für Solarzellen Foto: Wikimedia Commons •  Lithium und Kobalt für Batterien •  Beryllium, Helium für die Kernfusion Foto: SiemensGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 12
  13. 13. Beispiele für “Energiematerialien”- CdTe Cadmium Selten. Wird für Ni-Cd-Batterien und für CdTe-Dünnschicht-Photovoltaikzellen (First Solar, 2011: 18% Marktanteil) benötigt. Nebenprodukt beim Abbau von Zn (0.3% in Sphalerit, ZnS). Tellur Sehr selten. Nebenprodukt bei der Gewinnung von Cu und Pb. Jährliche Produktion ≈ 1 kt. Foto: Solar Power Plant Information Center Waldpolenz Solar Park, Sachsen CdTe (First Solar) Quelle: Wikimedia CommonsGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 13
  14. 14. Beispiele für “Energiematerialien”- CdTe Cadmium Selten. Wird für Ni-Cd-Batterien und für CdTe-Dünnschicht-Photovoltaikzellen (First Solar, 2011: 18% Marktanteil) benötigt. Nebenprodukt beim Abbau von Zn (0.3% in Sphalerit, ZnS). Tellur Sehr selten. Nebenprodukt bei der Gewinnung von Cu und Pb. Jährliche Produktion ≈ 1 kt. Indium! Foto: Solar Power Plant Information Center Waldpolenz Solar Park, Sachsen CdTe (First Solar) Quelle: Wikimedia CommonsGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 14
  15. 15. Beispiele für “Energiematerialien”- 2 Neodym, Dysprosium Nd2Fe14B wird als Dauermagnetwerkstoff für synchrone Motoren in Windgeneratoren (2011: 14% Marktanteil) und in der Elektromobilität vor- gezogen. Erfahrungswert: ca. 200 kg pro MW! Seltene Erdelemente: Scandium, Yttrium und die 15 Lanthaniden (La, Ce, Pr, Nd, [Pm], Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu). Kommen hauptsächlich in den Mineralen Monazit, CeYPO4, und Bastnäsit, CeFCO3 vor. Sind sie wirklich knapp? The rare earth mine in Bayan Obo, Inner Mongolia autonomous region. Foto: Wu Changqing (China Daily) Quelle: Gareth P. Hatch, Technology Metals Research, LLCGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 15
  16. 16. Beispiele für “Energiematerialien”- 3 Lithium Es gibt zwei Quellen für Lithium: Minerale, z.B. Spodumen, LiAlSi2O4 und Salzlaugen unter den “Salaren” in den Anden und im Himalaya. Verwendung: Glas- und Keramikindustrie 29%, Batterien 27%. Jährliche Produktion: 34.000 t (2011). USGS: Reserven = ca. 13 Mio. t. Ressourcen = ca. 30 Mio. t Salar de Uyuni, Bolivia: 5 Mio. t Lithium Foto: SGW@raphme Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie (positive Aber Lithium wird man auch Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit). Source: http://www.stromtip.de für die Kernfusion brauchen!GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 16
  17. 17. Beispiele für “Energiematerialien”- 3 Lithium Es gibt zwei Quellen für Lithium: Minerale, z.B. Spodumen, LiAlSi2O4 und Salzlaugen unter den “Salaren” in den Anden und im Himalaya. Verwendung: Glas- und Keramikindustrie 29%, Batterien 27%. Jährliche Produktion: 34.000 t (2011). USGS: Reserven = ca. 13 Mio. t. Ressourcen = ca. 30 Mio. t Salar de Uyuni, Bolivia: 5 Mio. t Lithium Foto: SGW@raphme Kobalt! Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie (positive Aber Lithium wird man auch Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit). Source: http://www.stromtip.de für die Kernfusion brauchen!GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 17
  18. 18. Rohstoffe für die Kernfusion Fusionsreaktion: D + T = 4He + n + Energie Erbrütung von Tritium: 6Li + n = 4He + T Dafür wird ein Neutronenvervielfacher benötigt (Be or Pb), e.g. 9Be + n = 24He + 2n Beryllium Nicht sehr selten (ca. 2 ppm in der Erdkruste), aber kaum Lagerstätten vorhanden. Jährliche Produktion: 240 t (2011). Ressourcen: 80.000 t. Helium Gewonnen durch die fraktionierte Destillation von Erdgas (Konzentration zwischen wenigen 0,01 und 1 %). Benötigt für die Kernfusion (supraleitende Magnete und Kühlmittel) und in manchen G4-Spaltungsreaktoren.GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 18
  19. 19. Abbau von Naturressourcen W. Schottky, 1929 „Die Zeit des unbedenklichen Wirtschaftens mit den Energiequellen und Stofflagern, die uns die Natur zur Verfügung gestellt hat, wird wahr- scheinlich schon für unsere Kinder nur noch die Bedeutung einer vergangenen Wirtschafts- epoche haben. Dass die Optimisten recht behalten, die auf die Erschließung ungeahnter neuer Wege zur Energiegewinnung und Stoffumwandlung hoffen, wollen wir wünschen....“GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 19
  20. 20. Meadows and “The Limits to Growth” 1972 D. Meadows et al, 1972. The Limits to Growth: A report for the Club of Rome’s project on the predicament of mankind Meadows und seine Koautoren haben für 19 Rohstoffe (einschließlich Kohle, Erdöl und Erdgas) die “dynamic lifetime”, oder “dynamische Lebensdauer”, berechnet. Ihre Schlussfolgerung: “Auf der Basis des gegenwärtigen Ressourcenverbrauchs und seiner projektierten Steigerungsrate wird die überwiegende Mehrheit der jetzt wichtigen nicht-erneuerbaren Ressourcen in 100 Jahren extrem teuer sein.” Photo: AMBGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 20
  21. 21. Sind die Mineralressourcen in der Erdkruste begrenzt? Die Optimisten (auch bekannt als “Cornucopians“) sagen “NEIN”: 1.  Die potentiellen Ressourcen der Erdkruste sind enorm hoch, selbst für die seltensten Elemente, z. B. Tellur 0.001 ppm (= 10-7 %) ≈ 103 Mio. t ! 2.  Die Elemente in der Erdkruste sind unzerstörbar, sie werden also nicht “verbraucht”. Recycling ist immer möglich. 3.  Substitution, d.h. die Verwendung eines anderen, nicht so seltenen Elements mit vielleicht weniger optimalen Eigenschaften. Siehe J. L. Simon, The Ultimate Resource,1980; und Science 298 (1980) 1431GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 21
  22. 22. Entwicklung der Rohstoffpreise im 20. Jahrhundert Quelle: GMO Quarterly Letter April 2011GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 22
  23. 23. Sind die Mineralressourcen in der Erdkruste begrenzt? Die Pessimisten sagen JA: 1.  Mineralressourcen sind begrenzt. Die ersten Zeichen von geochemisch bezogener Knappheit ist bereits vorhanden. Beispiele Gold und Kupfer. Die Skinner-These. 2.  Je niedriger die Konzentration eines Elementes im Erz, desto mehr Energie und Wasser werden für den Abbau benötigt verbunden mit höheren Umweltschäden. 3.  Recycling ist nie 100% effizient. 4. Starke Vergrößerung des verwendeten Bestandes („in-use stock“) bis Ende des Jahrhunderts. “An American world of 10 billion people” (Ernst, 2002)GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 23
  24. 24. Abnahme der Mineralbestände Cu Grade of copper Au ores, USA Metal concentration in After Norgate (2010) Australian gold deposits After Mudd (2007) In einem Land oder in einer Region nimmt als Funktion der Zeit die durch- schnittliche Konzentration des Erzes ab, da die “besten” Lagerstätten als erste ausgebeutet werden.GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 24
  25. 25. Die Skinner-These Menge Verteilungswahrscheinlichkeit eines seltenen Elements in der Erdkruste (nach Skinner, Ayres) gegenwärtige Gewinnung Konzentration im Erz (%)GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 25
  26. 26. Rohstoffpreisentwicklung im 20. Jahrhundert ...... aber was geschah in den letzten 10 Jahren? Quelle: GMO Quarterly Letter April 2011GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 26
  27. 27. Führt der Abbau von Mineralressourcen zu einer Knappheit? Was ist Knappheit? Kann nur ökonomisch definiert werden: Die Nachfrage kann nicht vom Angebot gedeckt werden, was zu höheren Preisen führt. Mehrere Gründe können dafür verantwortlich sein: •  schnelles wirtschaftliches Wachstum •  neue Anwendungen oder Technologien •  Spekulation, Horten, Monopolsituationen •  geopolitische Faktoren Wenn aber die inflationsjustierten Preise steigen, und gleichzeitig die durchschnittliche Konzentration des Metalls im Erz fällt, dann kann der Abbau (das zur Neige Gehen der Ressourcen), oder „mineral depletion“, eine wichtige Rolle spielen.GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 27
  28. 28. Ressourceneffizienz Wie können wir Rohstoffe effizienter nutzen? •  Höhere Effizienz beim Abbau, bei der Verarbeitung und Nutzung •  „Re-use“ und Recycling, einschließlich recycling-orientiertes Produktdesign •  Substitution •  Verhaltensänderung Können und dürfen wir uns ausschließlich auf den Markt verlassen, um starke Nachhaltigkeit zu erreichen? Sind Kupfer (und Blei) gute Beispiele für Recycling ohne Gesetzesauflagen?GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 28
  29. 29. Schlussbemerkung Sollten wir uns über zur Neige gehende Mineralressourcen Sorgen machen? - JA Eine komplette Mineralerschöpfung wird nie stattfinden. Minerale in der Erdkruste oder in den Ozeanen wird es immer geben. Jedoch wird der Zeitpunkt kommen, wenn – auf Grund der Notwendigkeit, Erze zunehmend niedrigerer Konzentration zu gewinnen – die benötigte Energie (und möglicherweise auch die Wassermenge) zu hoch und die damit zusammenhängenden Umweltschäden zu groß sein werden, so dass die Gewinnung von vielen Rohstoffen zu einem Ende kommen wird. Dies gilt auch für viele „Energie- Materialien“. Dürfen wir eine solche Situation zukünftigen Generationen hinterlassen?GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 29
  30. 30. GdNÄ, Berlin, Oktober 2012 30
  31. 31. „Kritikalität“ Ressourcen-Wissenschaftler reden (neuerdings) von „kritischen Mineralen“ und von „Kritikalität“. Auswirkung von Versorgungslücken Graphik: Minerals, Critical Minerals, and the US Economy, National Research Council, National Academies Press, Washington, 2008. VersorgungsrisikoGdNÄ, Berlin, Oktober 2012 31

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