Ansätze einer nachhaltige Ressourcenwirtschaft Einsatz von seltenen Elementen

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1 Ansätze einer nachhaltige Ressourcenwirtschaft Einsatz von seltenen Elementen Dr. Severin Beucker Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit, Berlin 01

2 Inhalt Rohstoffverfügbarkeit und Preisentwicklung Betrachtung ausgewählter kritischer Rohstoffe Ansätze zur Verringerung der Abhängigkeit von Rohstoffen und seltenen Elementen 02

3 Rohstoffverfügbarkeit Die meisten heute in der Industrie benötigten Rohstoffe sind endlich (insbesondere fossile Rohstoffe sowie eine Vielzahl chemischer Elemente). Die Verfügbarkeit dieser Rohstoffe hängt von vielen Faktoren ab, darunter: Geologische Reserven und Reichweite: unter derzeitigen wirtschaftlichen und technischen Bedingungen abbaubare Vorräte Strukturelle Knappheit: bedingt durch limitierte Abbau- und Erzeugungsländer und deren politische, wirtschaftlichen und sozialen Rahmenbedingungen Preis, dieser ist jedoch kein zuverlässiger Indikator für Knappheit Beispiel: Verfügbarkeit Erdöl Hubbert-Modell, 1956 Association for the Study of Peak Oil and Gas (ASPO),

4 Einflussfaktoren von Rohstoffpreisen Verfügbarkeit und andere Einflussfaktoren wirken auf Rohstoffpreise: Verfügbarkeit: sinkende Verfügbarkeit führt zunächst zu Preisanstieg, in der Folge werden neue Abbau- und Gewinnungsverfahren für Rohstoffe wirtschaftlich Begrenzte Wiedeverwendbarkeit: bedingt durch dissipative Anwendung, siehe z.b. Zink und Platin Spekulation: hohe Volatilität von Preisen und spekulatives Investment, Entkoppelung von Preisen und Kosten (siehe Stahl) Entwicklung Stahlpreis (feuerverzinktes Stahlband) im Vergleich zu Faktorkosten (Quelle A.T. Kearney 2009) 04

5 Zwischenfazit: Unterschiedliche Gründe für Knappheit Verfügbarkeit/ endliche Reserven: siehe z.b. Gold, die gesamten bisher geförderten Goldreserven ergeben einen Kubus von knapp 20 Metern Kantenlänge. Dieser Würfel passt vor das Brandenburger Tor in Berlin. Strukturelle Knappheit: siehe z.b. Kobalt und dessen Förderung unter politisch und sozial fragwürdigen Bedingungen in Kongo und Sambia Ökonomische Knappheit: siehe z.b. Stahl, schwankende (vor allem steigende) Preise führen zur Beschränkung von Rohstoffnutzung 05

6 Kritische Rohstoffe Neben den massenmässig weniger kritischen Elementen wie Eisen, Zink, Aluminium, Kupfer, etc. werden in der Industrie zunehmend Edelmetalle, seltene Erden und andere seltene Elemente benötigt. Zu den selten Seltenen Erden gehören die chemischen Elemente der 3. Gruppe des Periodensystems und die Lanthanoide, z.b. Scandium, Lanthan, Cer, Neodym, etc. Zu den Edelmetallen zählen z.b. Ruthenium, Palladium, Platin, Gold, Silber, etc. Zu den selten Elementen zählen z.b. Germanium, Gallium, Niob, Indium, etc. Diese Elemente werden zunehmen zu zentralen Rohstoffen für etablierte und neue Industrien, da sie essentielle Bestandteile von vielen Verfahren und Produkten sind, z.b. Katalysatoren, Halbleiter, Magnete, Legierungsbestandteile, Batterietechnik, Lasertechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, etc. Oftmals werden nur geringe Mengen benötigt, diese sind jedoch nur schwer oder gar nicht zu ersetzen. 06

7 Beispiele für kritische Rohstoffe Quelle: Zeit 44/2009, Illustration G. Breuer 07

8 Verfügbarkeit und strukturelle Knappheit Verschärfung der Knappheit durch Handelsbeschränkungen Verschärfung der Knappheit durch Naturkatastrophen Verschärfung der Knappheit durch Naturkatastrophen Verschärfung der Knappheit durch instabile politische Rahmenbedingungen Quelle: Zeit 44/2009, Illustration G. Breuer 08

9 Preisentwicklung ausgewählter Edelmetalle Quelle Heraeus

10 Verringerung der Abhängigkeit von Rohstoffen und seltenen Elementen Analytische/ Strategische Optionen Analyse von Wachstumsmärkten Technologie- und Produkt-Roadmapping Ökodesign und Cradle to Cradle -Konzepte Material- und Prozessbezogene Optionen Substitution von Material Optimierung von Rohstoff- und Energieeinsatz Optimierung von Recyclingstrukturen und techniken und globalen Recyclingkreisläufen 010

11 Beispiel: Analyse der Herausforderungen und Chancen im Wachstumsmarkt Green IT Analyse des Energie- und Materialverbrauchs und den daraus resultierenden Handlungsbedarfen für den Wachstumsmarkt Green IT Handlungsempfehlungen für die Umweltpolitik Studie des Borderstep Institutes im Auftrag des UBA 011

12 Detaillierte Betrachtung ausgewählter Elemente am Beispiel der IT-Industrie Zinn Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Bleifreie Lote Weitere Anwendungen: z.b. Weißblech, Chemikalien, Legierungen, Glas und ITO (Indium Tin Oxid)-Gläser Jahresproduktion 2006: t Reserven: 6,1 Mio. t Reservebasis: 11 Mio. t Silber Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Bleifreie Lote RFID 1, Mikroelek. Kondensatoren Displays (OLED) 0 28 Weitere Anwendungen: z.b. Schmuck und Silberwaren, Photographie, Elektrik/Elektronik, Hartlegierungen, Photovoltaik Jahresproduktion 2006: t Reserven: t Reservebasis: t Indium Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Display (LCD, u.a.) Weiße LED Weitere Anwendungen: z.b. Dünnschicht-Photovoltaik Jahresproduktion 2006: 510 t Reserven: Mio. t Reservebasis: k.a., abhängig von Zinkförderung Gallium Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Weiße LED 3 46 Hochleistungs-Mikrochip Weitere Anwendungen: z.b. Dünnschicht-Photovoltaik Jahresproduktion 2006: 99 t Reserven: k.a., abhängig von Zink- und Bauxitförderung Reservebasis: 1 Mio. t 012

13 Detaillierte Betrachtung ausgewählter Element am Beispiel der IT-Industrie Germanium Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Glasfaserkabel Weitere Anwendungen: z.b. Infrarot-Detektoren, Photovoltaik, Kondensatoren, Katalysatoren Jahresproduktion 2006: 90 t Reserven: t Reservebasis: k.a., stark abhängig von Zinkförderung Tantal Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Mikroelek. Kondensatoren Weitere Anwendungen: z.b. hochfeste und korrosionsfreie Stähle, Hochtemperaturanwendungen, Optiken Jahresproduktion 2006: t Reserven: > t Reservebasis: k.a., Niob Anwendung in der IKT-Industrie: Rohstoffbedarf 2006 [t] Rohstoffbedarf 2030 [t] Mikroelek. Kondensatoren Weitere Anwendungen: z.b. hochfeste und leichte Stähle, Hochtemperaturanwendungen, Optiken, Medizintechnik Jahresproduktion 2006: t Reserven: t Reservebasis: k.a., 013

14 Beispiel: Analyse des Ressourcenbedarfs der Photovoltaik Verbesserung der Materialeffizienz für kristalline Siliziumzellen und Dünnschichtzellen, Sicherung der Rohstoffverfügbarkeit und Ressourcenschonung Kostenanteil Material bei Dünnschichtzellen 45% bei kristallinen Zellen 70% Studie des Institutes für Zukunftsstudien und Technologiebewertung 014

15 Begrenzende Materialien in der Photovoltaik 015

16 Integriertes Roadmapping Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4 Schritt 5 Scoping Forecasting Backcasting Roadmap Bestimmung Trend-, Rückprojektion Erstellung der des Bedarfs-, und möglicher Roadmap Suchraums Potenzial- Zukünfte analyse Transfer Definition der Ziele Auswahl von Suchfeldern, Festlegung des Filters Skalierung der Zeitachse Eingrenzung des geografischen Raums Auswertung Literatur, Datenbanken Ist-, Trend-, Wirkanalyse Qualitative Interviews Quantitative Befragung Trends, Visionen, Herausforderungen Entwicklung von Zukunftsbildern, Wild Cards Identifikation: neue Technologien, Anwendungen, Dienstleistungen Interpretation: - zeitliche Relevanz, - Treiber und Hemmnisse Überführung der Ergebnisse in Meilensteine mit Zeithorizonten Visualisierung Ableitung von Empfehlungen Festlegung von Aktivitäten Vollständigkeitsund Konsistenzanalyse Zielgruppenspezifische Aufbereitung Transfer und Kommunikation Quelle: IZT

17 Ökodesign / Cradle to Cradle -Konzepte Optimierung des End-of-Life des Produkts Neues Produktkonzept (@-Strategie) 4 3 neu alt Ausw ählen von M aterialien mit geringen Umw eltw irkungen 2 Verlängerung der Produktlebensdauer Optimierung der Nutzungsphase 1 0 Reduktion des Werkstoffeinsatzes Optimierung der Produktion Das EcoDesign Strategy Wheel Optimierung der Distribution Quelle: Brezet, H., van Hemel, C.(1997) 017

18 Zwischenfazit Die Prognose zukünftige Rohstoffbedarfe ist komplex, da Innovations- und Technologiesprünge und Nutzungen in konkurrierenden Branchen schwierig abzuschätzen sind. Hierfür ist eine langfristige und wissenschaftlich fundierte Abschätzung notwendig. Die Preisentwicklung vieler seltener Elemente ist an die Gewinnung anderer Elemente gekoppelt und daher von diesen abhängig (z.b. Germanium an Zink, Ruthenium an Platin). Knappheit wir also auch durch den Verbrauch anderer Rohstoffe in konkurrierenden Branchen gesteuert. Knappheit und Ressourcenpolitik rückt Ökodesgin, Recycling und heimischen Rohstoffabbau in das Blickfeld (Freie Presse Sachsen 2009): 018

19 Substitution von Materialien Substitution seltener Elemente durch umweltgerechtere und besser verfügbarere Materialien: siehe Ersatz von Tantal in mikroelektronischen Kondensatoren durch Niob. Substitution der Komponente/ des Bauteils: z.b. Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC), die Mehrlagenschaltungen auf der Basis von gesinterten Keramikträgern. In Einzelfällen sind die genutzten Eigenschaften der verwendeten Elemente so spezifisch, dass sich bisher kein Ersatz finden lässt (z.b. Indium in der Displayherstellung). Querschnittswissenschaften wie die Nanotechnologie bieten grundsätzlich neue Prinzipien und Ansätze. Dies zeigen z.b. die Forschungsarbeiten von IBM zur Datenspeicherung auf Grundlage der Milliped-Technologie, bei der mit einer Nanospitze Informationen in ein polymerbeschichtetes Siliziumsubstrat geschrieben werden. 019

20 Optimierung von Rohstoff- und Energieeinsatz IKT-Industrie: z.b. wurde der Materialeinsatz für Bauteile wie Mikrochips und Festplatten durch Miniaturisierung und neue Fertigungstechnologien zur Leistungssteigerung (z.b. EUV(Extreme Ultraviolette)-Lithographie) kontinuierlich gesenkt. PV-Industrie: erheblich Reduktion des Materialeinsatzes seit der ersten Generation Solarzellen Aber, Reboundeffekte zehren die Effizienzgewinne z.t. wieder auf. 020

21 Optimierung von Recyclingstrukturen und techniken und globalen Recyclingkreisläufen Recycling von Metallen ist etablierte Praxis. Im Falle neuer Technologien ist die Herausforderung aufgrund der dissipativen Verteilung der eingesetzten Metalle in einzelnen Bauteilen oder miniaturisierten Produkten größer. Stoffliche Zusammensetzung der Komponenten und Bauteile ändert sich rasch. Zur Wiedergewinnung dieser Stoffe müssen Recyclingtechniken entwickelt werden, die auf effiziente Rückgewinnung der Edelmetalle ausgerichtet sind. Zusätzlich Verbesserung der Sammelinfrastruktur und Steigerung der Recyclingmengen nötig (Urban Mining). Lösungsansatz könnten von den Herstellern initiierte Leasing- oder Rücknahmemodelle darstellen, die der Industrie Zugriffsoptionen auf im Produkt enthaltene Rohstoffe sichern. Beispielsweise sind inzwischen quecksilber- und cyanidfreie Recyclingverfahren für die Rückgewinnung von Gold aus Elektronikschrott verfügbar. In Japan sind Verfahren zur Rückgewinnung von Indium aus Flachdisplays entwickelt worden 021

22 Fazit Verfügbarkeit und Knappheit von Ressourcen wird von vielfältigen Faktoren (ökomischen, sozialen, geografischen) bestimmt. Energie- und Ressourcenversorgung sind industriepolitische Themen mit großer strategischer Reichweite und erfordern eine genaue wissenschaftliche Analyse. Gilt insbesondere für kritische und nicht oder nur schwer substituierbare Rohstoffe. Zur Verringerung einer Ressourcenabhängigkeit bestehen unterschiedliche konzeptionelle Ansätze und Möglichkeiten. Dabei ist auch das grundsätzliche Überdenken von Verfahren und Produktfunktionen (z.b. Triz-Methode) notwendig. 022

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr: Severin Beucker Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit Clayallee Berlin Tel. +49 (0)