Abfallschlacken aus der metallurgischen Industrie enthalten oft Wertstoffe, jedoch in sehr geringen Konzentrationen. Das bedeutet, dass große Flächen wertvollen Landes genutzt werden, um Stauseen mit teilweise giftigen Abfällen zu beherbergen. Diesen Abfall wollen wir nun mit Wasserstoff in einen Wertstoff umwandeln.
Die Welt braucht dringend Metalle. Die Realisierung des sogenannten grünen Übergangs hängt vollständig davon ab, sowohl die knapperen Metalle als auch die, für die wir reichlich vorhanden sind, zu erhalten. Die Rückgewinnung von Metallen aus den von uns geförderten Mineralien führt jedoch zu Nebenprodukten, die allzu oft als Abfall enden. Diese Abfälle können auch große lokale und globale Auswirkungen auf Natur und Umwelt haben.
Ein Teil der Forschung, die wir bei SINTEF durchführen, besteht darin, herauszufinden, wie dieser Abfall stattdessen verwendet werden kann, um uns mit mehr Metallen zu versorgen. Unser Ziel ist es nun, aus diesen Abfallprodukten Eisen, Kobalt, Scandium und viele andere kritische Metalle zurückzugewinnen.
Aus einem Problem eine Chance machen
Die mit der metallurgischen Abfallentsorgung verbundenen Probleme sind offensichtlich. Aber sie können uns auch Chancen bieten. Und ebenso wie die Nachfrage nach Metallen und anderen kritischen Rohstoffen steigt, werden auch neue kommerzielle Initiativen entstehen.
SINTEF leitet derzeit ein Großprojekt namens HARARE. Dabei handelt es sich um eine Partnerschaft mit neun weiteren europäischen Organisationen, die das Ziel haben, mit Wasserstoff Kupfer und Aluminium aus Kupferschlacke bzw. Bauxit-Reststoffen (sogenannten Rotschlämmen) zurückzugewinnen.
HARARE steht für „Hydrogen As the Reducing Agent in the REcovery of metals and minerals from metallurgical waste“.
Drei Megatrends
Es gibt derzeit drei Megatrends, die den unvermeidlichen zukünftigen Anstieg der Nachfrage nach Metallen vorantreiben. Dies sind der Übergang zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen, die verstärkte Nutzung von Elektroautos und die Entwicklung sogenannter Smart Cities. Kupfer und Aluminium sind zwei Metalle, die auch in den kommenden Jahren von Bedeutung sein werden.
Aluminium wiegt relativ wenig und ist korrosionsbeständig, was es unter anderem zu einem wichtigen Konstruktionsmaterial macht. Kupfer ist ein sehr effektiver Wärme- und Stromleiter und lässt sich leicht recyceln. 65 Prozent des seit 1900 produzierten Kupfers werden heute noch verwendet. Diese Eigenschaften führen dazu, dass die Nachfrage nach Aluminium und Kupfer weiter steigen wird.
Die Herausforderung, vor der wir stehen, besteht darin, dass Standard-Aluminiumschmelzprozesse etwa doppelt so viel Rotschlammabfall erzeugen wie Aluminiummetall. Rotschlamm ist sehr basisch und wird üblicherweise in Stauseen abgeladen, die große Landflächen einnehmen. Rotschlamm verursacht nicht nur große Landnutzungsprobleme, sondern stellt auch eine potenzielle Verschmutzungsquelle und ein Sicherheitsrisiko für Gebiete in der Nähe der Stauseen dar.
Ebenso bleiben für jedes Kilo Kupfer, das wir produzieren, 2,2 Tonnen Schlacke übrig. In der EU fallen jährlich bis zu vier Megatonnen Kupferschlacke an. Weltweit produziert die Aluminiumindustrie jedes Jahr 160 Tonnen Schlackenabfälle – das entspricht etwa 20 Kilo pro Einwohner. Wenn jetzt erwartet wird, dass die Produktion dieser Metalle zunimmt, wird das Abfallproblem nur noch schlimmer.
Versechsfachung der Nachfrage
Theoretisch können metallurgische Schlacken, die mineralische und metallische Reststoffe enthalten, eine Ressource darstellen. Eine der Herausforderungen besteht jedoch darin, dass diese Rückstände nur geringe Konzentrationen der interessierenden Metalle und Mineralien enthalten. Beispielsweise ist es möglich, Kupfer aus Kupferschlacke zurückzugewinnen, die mehr als ein Prozent des Metalls enthält. Schlacke, die weniger als ein Prozent Kupfer enthält, wird normalerweise als Abfall angesehen und deponiert.
Die Herausforderung, vor der wir stehen, besteht darin, dass Standard-Aluminiumschmelzprozesse etwa doppelt so viel Rotschlammabfall erzeugen wie Aluminiummetall.
Andere seltene und wertvolle Metalle und Mineralien kommen in noch geringeren Konzentrationen vor. Die Konzentration, die Art des Mineralgemischs und wie diese im Schlackenmaterial vorkommen, bestimmen, wie schwierig es ist, die reinen Metalle zurückzugewinnen. Es wird jedoch immer wichtiger, Methoden für solche Prozesse zu identifizieren, die industrialisiert werden können.
Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass sich die Nachfrage nach kritischen Materialien bis 2040 versechsfachen wird, wenn wir das Null-Emissionsziel bis 2050 erreichen wollen. Die EU agiert mit dem ausdrücklichen Ziel, bei kritischen Rohstoffen autark zu sein , aber derzeit sind wir noch weit davon entfernt, dieses Ziel zu erreichen.
Während es rentabel sein kann, Metalle aus Schmelzschlacken zurückzugewinnen, ist es auch notwendig, die durch metallurgische Prozesse erzeugten CO2-Emissionen zu reduzieren. Die Metallproduktion ist allgemein energieintensiv, daher sollte es möglich sein, die sogenannten „indirekten Emissionen“ durch die Auswahl besserer Energiequellen und die Optimierung des Schmelzprozesses zu reduzieren. Hinzu kommt, dass bei der Metallherstellung fast immer allein durch den Produktionsprozess CO2-Emissionen entstehen. Diese werden als „direkte Emissionen“ bezeichnet, die nur reduziert werden können, indem das erzeugte CO2 abgefangen oder gar kein CO2 erzeugt wird.
Woher kommt all dieses CO2?
Um herauszufinden, ob es möglich ist, die direkten CO2-Emissionen vollständig zu entfernen, müssen wir uns zunächst ansehen, wie das Gas erzeugt wird. Die meisten Metallerze liegen als Oxide vor, in denen jedes Metallatom an ein oder mehrere Sauerstoffatome gebunden ist. In solchen Beziehungen sind die Bindungen zwischen den Atomen sehr stark und wir müssen viel Energie aufwenden, um die Bindungen aufzubrechen und das Metall freizusetzen. Wir müssen auch die Sauerstoffatome dazu verleiten, Affinitäten zu Alternativen zu den Metallatomen zu finden, die sie so attraktiv finden.
Sauerstoffatome mögen nicht nur Metallatome. Auch sie finden Kohlenstoffatome sehr attraktiv. Aus diesem Grund mischen wir beim Schmelzprozess die in Kohle oder Hackschnitzeln vorkommenden Kohlenstoffatome in großen Öfen mit Metalloxiden. Wir setzen große Mengen an Energie ein, oft in Form von Strom, und produzieren die gesuchten Metalle zusammen mit CO2. Wir sagen, dass der Kohlenstoff das Metall reduziert hat und dass der Kohlenstoff somit ein „Reduktionsmittel“ ist.
Was ist mit Wasser statt CO2?
Wir alle wissen, dass sich Sauerstoffatome leicht mit Wasserstoff vermischen. Schließlich braucht es ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome, um ein Wassermolekül zu bilden. Könnte es möglich sein, ein reines Metall herzustellen und Wasser anstelle von CO2 freizusetzen? Das klingt zu schön, um wahr zu sein, und bei manchen Metallen funktioniert dieser Ansatz einfach nicht.
Wasserstoff ist nicht immer ein ausreichend wirksames Reduktionsmittel, obwohl theoretische Berechnungen und Laborexperimente darauf hindeuten, dass es für mehrere Metalloxide möglich sein sollte, unter Verwendung von Wasserstoff in Wasser entweder eine vollständige oder teilweise Reduktion zu erreichen.
Abfall, Landnutzung und Treibhausgase
Im Rahmen des HARARE-Projekts wollen wir mehrere Probleme gleichzeitig angehen. Die Welt braucht mehr Metalle. Aber dies wird nur mehr Abfall und eine erhöhte Landnutzung erzeugen, sowohl in Form des Bergbaus als auch des Aushubs von Deponien. Von den ganzen CO2-Emissionen ganz zu schweigen. Wir möchten, dass spezifische Methoden für die Rückgewinnung von Restaluminium und -kupfer sowie von Eisen, Kobalt, Scandium und vielen anderen kritischen Mineralien aus den beiden großen Kupferschlacken- und Rotschlamm-Abfallströmen entwickelt werden.
Die Verwendung von Wasserstoff wird es uns ermöglichen, den Metallurgiesektor sowohl zirkulär als auch kohlenstofffrei zu machen.