Seltene Metalle: Rohstoffe für Zukunftstechnologien
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- Bastian Pohl
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1 Seltene Metalle: Rohstoffe für Zukunftstechnologien Patrick Wäger Abteilung Technologie & Gesellschaft Lerchenfeldstrasse 5 CH-9014 St. Gallen patrick.waeger@empa.ch
2 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Definitionen Element Nachfrage Weltjahresproduktion 2011: 782 t 2012: 770 t (Kupfer (2013): 17.9 Mio t) geologische Reserven t (2007) (danach keine Angaben mehr) "Reichweite«2007: < 22 Jahre!? USGS (2008, 2013) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 2
3 ökonomische Realisierbarkeit uneconomic Submarginal marginal economic Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Definitionen geologische Sicherheit identified undiscovered demonstrated measured indicated inferred hypothetical speculative Reserves Reserve base Resources USGS (2013) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 3
4 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Definitionen Element Nachfrage Weltjahresproduktion 2012: 670 t 2013: 590 t (Kupfer (2013): 17.9 Mio t) geologische Reserven > t USGS (2013) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 4
5 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Definitionen 1 (K) Ia 001H IIa durchschnittliche Konzentration in der Erdkruste < 0.01 Gew-% IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa 002He 2 (L) 3 (M) 3Li 4Be 011Na 012Mg IIIb IVb Vb VIb VIIb Platinmetalle VIII Ib IIb 005B 006C 007N 008O 009F 013Al 014Si 015P 016S 017Cl 010Ne 018Ar 4 (N) 019K 020Ca 21Sc 022Ti 023V 024Cr 025Mn 026Fe 27Co 028Ni 29Cu 030Zn 31Ga 32Ge 33As 034Se 035Br 036Kr 5 (O) 37Rb 038Sr 39Y 040Zr 41Nb 42Mo 043Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 053I 054Xe 6 (P) 55Cs 056Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 085At 086Rn Lanthanoids 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu Seltenerdmetalle Binder (1999); Skinner (1979); Empa (Wäger et al., 2010) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 5
6 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Wofür werden seltene Metalle benötigt? Wieso gelten viele seltene Metalle als "kritisch"? Was können/sollen wir anders machen? NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 6
7 Wofür werden seltene Metalle benötigt? Seltene Metalle in Zukunftstechnologien ICTs, Mikrotechnologien Ce, Eu, In, Sn, Y Co, Dy, Nd, Pr, Pt, Ru As, Ga, Ge, Te Ag, Nb, Pd, Ta Optische / optoelektronische Technologien Er, Ge Ge, La, Li, Nb, Sc, Ta Angerer et al. (2009), Bauer et al. (2012); Bücheler (2014) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 7 As, Ce, Eu, Ga, Gd, In, Y Ag, Au, Bi, Sn
8 Wofür werden seltene Metalle benötigt? Seltene Metalle in Zukunftstechnologien Buchert et al. (2012) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 9
9 Wofür werden seltene Metalle benötigt? Seltene Metalle in Zukunftstechnologien Energie-, Elektro- und Antriebstechnologien ICTs, Mikrotechnologien Ag, Cd, Ga, Ge, In, Sn, Te Ce, Eu, In, Sn, Y Co, Dy, Nd, Pr, Pt, Ru Ag, In, Pt, Ru, Sn Dy, Nd, Pr As, Ga, Ge, Te Ag, Nb, Pd, Ta Optische / optoelektronische Technologien Ce, Ga, Gd, La, Pt, Ru, Sc, Sm, Y Angerer et al. (2009), Bauer et al. (2012); Bücheler (2014) Er, Ge Ge, La, Li, Nb, Sc, Ta NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 10 As, Ce, Eu, Ga, Gd, In, Y Ag, Au, Bi, Sn
10 Wofür werden seltene Metalle benötigt? Seltene Metalle in Zukunftstechnologien NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 12
11 Fraction of metal extracted after 1978 Wofür werden seltene Metalle benötigt? Nachfrage: ein Blick zurück... Produktion seltene Metaller (Anteil an kumulierter Produktion zwischen 1900 und 2008) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Ag Au Bi Co Cu Gallium Hagelüken C. und Meskers C.J.M. (2009); Wäger, et al.. (2010). Ge Indium Iridium Li Ni Palladium Pt Rare Earth Elements Rhenium Rhodium Ruthenium Se Ta NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 13
12 What do we need scarce metals for? Wofür werden seltene Metalle benötigt? Nachfrage: mögliche zukünftige Entwicklung Globale Nachfrage 2006 Global Nachfrage 2030 Gallium Indium Neodym Tantal x t 603 t Dünnschichtphotovoltaik, Hochleistungs- (0.18) (3.97) x 7 Mikrochips, WLED x t 1911 t Displays, Dünnschichtphotovoltaik (0.40) (3.29) t t Permanentmagnete (0.23) (1.66) x t 1410 t Mikroelektronische Kondensatoren, (0.40) (1.02) Medizintechnik Angerer et al. (2009); Eisler et al. (2010) in Klammern: Verhältnis Nachfrage/Weltjahresproduktion 2006 NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 14
13 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Wofür werden seltene Metalle benötigt? Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Was können/sollen wir anders machen? NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 16
14 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Faktoren, welche die Versorgung beeinflussen Ökologische Faktoren "Geologische" Faktoren Versorgung mit Seltenen Metallen Beispiel Gold 250 g /t Mobiltelefon (x30) 9 g/t Erz g/t Leiterplatte (x150) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 17
15 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökologische Faktoren (I) Entwicklung des Erzgehalts in grossen Kupferminen Auswirkungen unterschiedlicher Erzgehalte auf den Energieaufwand für Abbau, Mahlen und Aufkonzentration in Ni-Minen weltweit UNEP (2013) Environmental Risks and Challenges of Anthropogenic Metal Flows and Cycles NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 18
16 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökologische Faktoren (II) rot: seltene Metalle UNEP (2013) Environmental Risks and Challenges of Anthropogenic Metal Flows and Cycles; Wäger et al. (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 19
17 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Faktoren, welche die Versorgung beeinflussen Ökologische Faktoren "Geologische" Faktoren Versorgung mit Seltenen Metallen Beispiel Gold 250 g /t Mobiltelefon (x30) 9 g/t Erz g/t Leiterplatte (x150) Technologische Faktoren Geopolitische Faktoren NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 20
18 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Geopolitische Faktoren Länderkonzentration der Produktion kritischer mineralischer Rohstoffe NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 21
19 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Faktoren, welche die Versorgung beeinflussen Ökologische Faktoren Soziale Faktoren "Geologische" Faktoren Beispiel Gold Versorgung mit Seltenen Metallen 250 g /t Mobiltelefon (x30) 9 g/t Erz g/t Leiterplatte (x150) Technologische Faktoren Ökonomische Faktoren Geopolitische Faktoren NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 22
20 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökonomische Faktoren Leichte SEE Schwere SEE Schüler et al. (2010), NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 23
21 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Faktoren, welche die Versorgung beeinflussen Ökologische Faktoren Soziale Faktoren "Geologische" Faktoren Beispiel Gold Versorgung mit Seltenen Metallen 250 g /t Mobiltelefon (x30) 9 g/t Erz g/t Leiterplatte (x150) Technologische Faktoren Ökonomische Faktoren Geopolitische Faktoren NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 24
22 Auswirkungen von Versorgungsengpässen Bedeutung, Substituierbarkeit Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Die Kritikalitätsmatrix Versorgungsrisiko geologische, technologische und ökonomische, soziale und regulatorische, geopolitische Faktoren NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 25 Graedel (2012); National Research Council (2008)
23 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Kritische Rohstoffe für "Clean Energy" Technologien mittelfristig ( ) USDOE (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 26
24 Versorgungsrisiko Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Kritische Rohstoffe für die EU (Stand 2010) NRC (2008) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 27 EC (2010) Critical raw materials for the EU
25 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Kritische seltenen Metalle 1 (K) Ia 001H IIa Abdeckung ungenügend Erwähnungsrate <=1/3 Erwähnungsrate >1/3 IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa 002He 2 (L) 3Li 4Be 005B 006C 007N 008O 009F 010Ne 3 (M) 011Na 012Mg 013Al 014Si 015P 016S IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb 017Cl 018Ar 4 (N) 5 (O) 6 (P) 019K 020Ca 21Sc 022Ti 023V 024Cr 025Mn 026Fe 27Co 028Ni 29Cu 030Zn 31Ga 32Ge 33As 034Se 035Br 036Kr 37Rb 038Sr 39Y 040Zr 41Nb 42Mo 043Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 053I 054Xe 55Cs 056Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 085At 086Rn Lanthanoide 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu Erdmann and Graedel (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 28
26 Seltene Metalle: Rohstoffe, aus denen die Zukunft gebaut wird Wofür werden seltene Metalle benötigt? Wieso gelten viele seltene Metalle als "kritisch"? Was können/sollen wir anders machen? NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 29
27 Was können / sollen wir anders machen? Prinzipien einer nachhaltige(re)n Nutzung NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 30
28 Was können / sollen wir anders machen? Nachhaltigerer Umgang mit seltenen Metallen Wir erben die Erde nicht von unseren Vorfahren, wir leihen sie von unseren Kindern aus. Schonung natürlicher Ressourcen; minimale ökologische und soziale Auswirkungen entlang des Lebenszyklus. NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 31
29 Was können / sollen wir anders machen? Substitution Optoelectronics Substitution Bergbauindustrie Produktehersteller Konsumenten Recycler NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 32
30 Materialintensität/ funktionelle Einheit Was können / sollen wir anders machen? Materialeffizienz Erhöhung der Materialeffizienz Substitution Bergbauindustrie Produktehersteller Konsumenten Recycler NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 33
31 Was können / sollen wir anders machen? Recycling Rückgewinnung aus historischen Rückstände Rückgewinnung aus Produktionsabfällen Erhöhung der Materialeffizienz Design for X Rückgewinnung aus EoL- Produkten Substitution Bergbauindustrie Produktehersteller Konsumenten Recycler NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 34
32 Was können / sollen wir anders machen? Rückgewinnungsraten seltener Metalle (EoL Produkte) 1 (K) 2 (L) 3 (M) 001H 3Li Ia IIa 4Be 011Na 012Mg 013Al 014Si 015P 016S IIIb IVb Vb > 50% > 25-50% > 10-25% 1-10% < 1% not evaluated VIb VIIb VIII Ib IIb IIIa IVa Va VIa VIIa 005B 006C 007N 008O 009F 017Cl VIIIa 002He 010Ne 018Ar 4 (N) 019K 020Ca 21Sc 022Ti 023V 024Cr 025Mn 026Fe 27Co 028Ni 29Cu 030Zn 31Ga 32Ge 33As 034Se 035Br 036Kr 5 (O) 37Rb 038Sr 39Y 040Zr 41Nb 42Mo 043Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 053I 054Xe 6 (P) 55Cs 056Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 085At 086Rn Lanthanoids 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu UNEP (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 35
33 Was können / sollen wir anders machen? Recyclingkette für WEEE (I) z.b. 50% x 90% x 80% x 95% = 34% X X Recyclingraten: - Gold 26% - Palladium 26% - Silber 12% Sammlung Sortierung & Zerlegung Aufbereitung Rückgewinnung Sekundärrohstoffe Hagelüken (2010); Chancerel et al. (2009) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 36
34 Was können / sollen wir anders machen? Recyclingkette für WEEE (II) z.b. 50% x 90% x 80% x 95% = 34% X X REE X Ta X Sammlung Sortierung & Zerlegung Aufbereitung Rückgewinnung Sekundärrohstoffe Stamp et al. (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 37
35 Was können / sollen wir anders machen? Fokus Abteilung Technologie & Gesellschaft Inwieweit können/sollen wir die Rückgewinnungsraten für seltene Metalle speziell aus Elektro- und Elektronikaltgeräten erhöhen? Aufbereitung EoL EEE - Sortierung - Manuelle Zerlegung - Maschinelle Aufbereitung Rückgewinnung NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 38
36 Was können / sollen wir anders machen? Die schweizerischen Rücknahmesysteme für WEEE Gesammelte Mengen 2011 Manuelle Zerlegung 90 Zerlegebetriebe Mechanische Verarbeitung 16 Recyclingbetriebe vrg Sammlung > Sammelstellen 2012: t (16.1 kg pro Kopf) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 39
37 Was können / sollen wir anders machen? Die schweizerischen Rücknahmesysteme für WEEE NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 40
38 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökobilanz der schweizerischen WEEE Rücknahmesysteme Sammlung Aufbereitung 1) 1) beinhaltet: - Sortierung - Zerlegung - mechanische Verarbeitung Endbehandlung andere Sonderabfälle Batterien Kondensatoren Metall- Kunststoff Mix Metalle Kabel Kunststoffe Kunststoffentsorgung Kunststoffrecycling Leiterplatten andere Abfälle Bildröhren Ferromangan Zink Quecksilber Stahl, Kupfer Aluminium Wärme und Elektrizität Kunststoffe Blei, Gold, Silber Glas, Holz, Altpapier Wäger et al. (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 41
39 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökobilanz der schweizerischen WEEE Rücknahmesysteme Wäger et al. (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 42
40 Wieso gelten seltene Metalle als "kritisch"? Ökobilanz der schweizerischen WEEE Rücknahmesysteme Metallrückgewinnung aus Leiterplatten EcoIndicator 99 Punkte / t Leiterplatte Edelmetalle Wäger et al. (2011) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 43 Wäger et al. (2011)
41 Was können / sollen wir anders machen? Projekt "Stoffflussanalyse WEEE-Recycling" (I) Schadstoffträger (z.b. Kondensatoren) Hintergrundbeleuchtung LCD Bildschirme Bildröhrenkomponenten Bildschirm - und Notebook- Gehäuse Kupferkabel manuelle Zerlegung Leiterplatten Eisenmetalle Nichteisenmetalle Kunststoffgranulat Metallgranulat Sieb Unterkorn Staub maschinelle Verarbeitung Wäger et al. (2014) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 44
42 Was können / sollen wir anders machen? Projekt "Seltene Metalle in Autoelektronik" (I) Blaser et al. (2012) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 45
43 Was können / sollen wir anders machen? Projekt "Seltene Metalle in Autoelektronik" (II) Autoelektronik (31 seltene Metalle) Schredder-fraktionen (31 seltene Metalle) Widmer et al. (2014) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 46
44 Was können / sollen wir anders machen? Projekt "Seltene Metalle in Autoelektronik" (III) Radio aus Skoda Octavia, Jahr 2007 l Kunststoffe Fe und Al Leiterplatten LCD Motoren Gewicht: 2.48kg Kabel Stecker Widmer et al. (2014) Gewicht: g Grösse: ca. 17cm x 15cm NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 47
45 Was können / sollen wir anders machen? Projekt E-RECMET (II) AP 1 Mengengerüst und Screening kritische Metalle in WEEE 1. Filter 2. Filter 3. Filter 4. Filter KRITIKALITÄT RELEVANZ POTENTIAL PRIORISIERUNG Kritisches Metall gemäss Relevanz in Elektronik Verteilung (Dissipation) in Erdmann und Graedel (> 33% Gesamtverbrauch) den Gerätekomponenten (2011) oder und und bisher keine Konzentration des Metalls Potentielles Konfliktmetall Rückgewinnung aus in der Zielfraktion/- gemäss SEC Elektronikaltgeräten komponente und und ZIELMETALLE Umweltbelastung bei der Primärproduktion Hauptvorkommen im Swico-Kanal Separierbarkeit des Metalls und Zukünftiger Bedarf des Metalls Kombiniertes Auftreten mit anderen kritischen Metallen Vorhandensein in Fraktionen der mechanischen Verarbeitung Menge im Elektronikschrott Stand der Technik für eine Rückgewinnung In, Nd Böni et al. (2013) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 48
46 Was können / sollen wir anders machen? Projekt E-RECMET (III) AP 1 Mengengerüst und Screening kritische Metalle in WEEE Indium EEE: 2'000 kg Non-EEE: 4'400 kg Neodym EEE: 79'000 kg Non-EEE: 27'000 kg NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 49
47 Was können / sollen wir anders machen? Projekt E-RECMET (IV) AP 2 Recycling (Vor-, Zwischen- und Endbehandlung) Buchert et al. (2012) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 50
48 Was können / sollen wir anders machen? Projekt E-RECMET (V) AP 2 Recycling (Vor-, Zwischen- und Endbehandlung) In Probe Probenaufbereitung Chemische Analyse Nd Wäger et al. (2013) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 51
49 Was können / sollen wir anders machen? Projekt E-RECMET (VI) AP 4 Ökonomische und ökologische Aspekte Mengen Gehalte vrg Rohstoffpreise Verarbeitungs kosten NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 52 Brechbühler et al. (2013)
50 Was können / sollen wir anders machen? Anhörungsentwurf VREG-Revision (I) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 53
51 Was können / sollen wir anders machen? Anhörungsentwurf VREG-Revision (II) NGW, Winterthur, 21. März 2014, Folie 54
52 Vielen Dank für Ihre Aufmersamkeit!
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