Recycling von Handys & Computern - Kreislaufwirtschaft der Edel- & Sondermetalle. Dr. Christian Hagelüken

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1 Recycling von Handys & Computern - Kreislaufwirtschaft der Edel- & Sondermetalle Dr. Christian Hagelüken

2 Sind wir die Raupe Nimmersatt mit unstillbarem Rohstoffhunger? Cu Pd Sn Au Bi Eric Carle Pb Se In Am Ende kein schöner Schmetterling sondern eine kahl gefressene Erde? 2

3 Bedeutung der Edel- & Sondermetalle Recycling von Elektronikgeräten - Chancen, Probleme, Verfahren Fazit

4 Verkaufsboom & wachsende Funktionalität treibt Nachfrage nach (Technologie)Metallen Million units Annual global sales of mobile phones Source: after Gartner statistics ( Kumulierte Verkäufe Mobiltelefone bis 2010 ~ 10 Mrd. Stck forecast Enthalten in Summe 2500 t Ag, 240 t Au, 90 t Pd, 38,000 t Co, 90,000 t Cu, 470 Smart Phones Treiber: Wachsende Weltbevölkerung (Asien) Wachsender Wohlstand Technologieentwicklung & Produkt-Performance Achzet et al., Materials critical to the energy industry, Augsburg,

5 Metalle in Elektronik die Masse macht s Weltweite Verkäufe 2011 a) Mobiltelefone 1800 Mio Stck/ a X250mg Ag 450 t Ag X 24 mg Au 43 t Au X 9 mg Pd 16 t Pd X 9 g Cu 16,000 t Cu 1800 Mio Li-Ionen Akkus X 3,8 g Co 6800 t Co b) PCs & Laptops 365 Mio Stck/a X1000mg Ag 365 t Ag X 220mg Au 80 t Au X 80mg Pd 29 t Pd X~500 g Cu 183,000 t Cu ~190 Mio Li-Ionen Akkus X 65 g Co t Co a+b) Urban mine Minenproduktion / Anteil Ag: t/a 3% Au: 2 800t/a 4% Pd: 230 t/a 20% Cu: 16Mt/a 1% Co: t/a 20% Viele weitere Elektronikanwendungen (2011: 68 Mio. Tablet PCs; Autos) Viele weitere Technologiemetalle enthalten Metallwert pro Handy ~ 1 nur geringer ökonomischer Anreiz für das Recycling 5

6 Erzeugung & Nutzung erneuerbarer Energien wird die Metallnachfrage weiter anheizen Photovoltaik (Solar Zellen) Germanium Gallium Selen Indium Silber Elektroautoa & Akkus Lithium Kobalt Nickel Seltene Erden Kupfer Light Emitting Diodes (LED) Gallium Indium Germanium Silber Brennstoffzellen Platin Iridium Kobalt 6

7 Begriffskonfusion in Medien & politischer Diskussion? Kritische Metalle seltene Metalle Seltene Erden H Technologiemetalle? He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Cs K Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Ba La-Lu La* Hf Ta W Re Ca Ac-Lr Rf Db Bh * W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Sg Hs Mt Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Xe Rn Edelmetalle (EM) Precious metals Halbleiter Semi-conductors Seltene Erden (SE) Rare earth elements (REE) Technologie Metalle kritische Metalle (EU) Technologiemetalle: deskriptiver Begriff für Edelmetalle & viele Sondermetalle wichtig für Funktionalität auf Basis of einzigartiger physikalischer & chemischer Eigenschaften Einsatz oft in geringen Konzentrationen & komplexen Stoffgemischen ( Gewürzmetalle ) Wichtig für Hi-Tech und Umwelttechnologie 7

8 Edelmetalle - kumulierte Minenproduktion bis 2010 Ag 1.6 x 10 6 t Silber (Dichte: 10,5 t/m³) 1,6 Mio t, davon 25% seit /kg* Au t 20 m 54 m Gold (Dichte: 19,3 t/m³) t, davon 35% seit /kg* PGM t 9.2 m PGM (=Pt+Pd+Rh+Ru+Ir+Os; Ø Dichte: 15,1 t/m³) t, davon 85% seit 1980 Pt , Pd , Rh /kg* Ru 2 500, Ir /kg* * Alle Preise: Okt. 2012, gerundet 8

9 Vom Abfall zum Sekundärrohstoff Produkte, Infrastruktur & Reststoffe bilden riesige Urban Mine Mine production since 1980 / since % 90% % mined % mined % in 70% 60% 50% 40% 30% % mined in % 10% 0% Re Ga In Ru Pd Rh Ir REE Si Pt Ta Li Se Ni Co Ge Cu Bi Ag Au Einige Produktgruppen verantworten große Anteile der Welt-Minenproduktion: Elektro- & Elektronikgeräte > 40% bei Kupfer, Zinn, Antimon, Indium, Ruthen & Seltenen Erden Handys & Computer 4% bei Gold & Silber und 20% bei Palladium & Kobalt Autos > 60% bei Platingruppenmetallen (PGM) für Autokats. Zusätzlich stark ansteigende Bedeutung der Elektronik ( Computer auf Rädern ) > 80% der in der Menschheitsgeschichte insgesamt erfolgten Gewinnung von Seltenen Erden, PGM, Gallium, Indium, Rhenium fand erst in den letzen 30 Jahren statt Verschiebung von geologischen zu anthropogenen Vorräten 9

10 Urban Mining: Metallkonzentration im Abfall oft höher als in Erzen Bergbau ~ 5 g/t Au in Erz Ähnlich bei PGMs Low grade, high volume, fixed location Urban Mining g/t Au in PC Leiterplatten g/t Au in Handys 2000 g/t PGM in Autokat Keramik High grade, millions of units, global dissemination Faktor 40 & mehr Problem 1: Wie Millionen verstreuter Altprodukte in einer urban mine von ausreichendem (= wirtschaftlich) Volumen zusammenzuführen? 10

11 Fokus Kreislaufwirtschaft - Metalle können ohne Qualitätsverlust unendlich oft recycelt werden Dissipation Reststoffe Reststoffe Nutzung Reuse Produkt Herstellung Neu Schrotte Produkt- Lebensende Metallverluste über alle Stufen des Lebenszyklus minimieren Anfall von Restströmen reduzieren Unvermeidbare Restströme erfassen & recyceln Metallausbeuten durch technisch hochwertige Verfahren optimieren Metalle, Legierungen & Verbindungen Reststoffe Aus Reststoffen (sekundär) Recycling Rohstoffproduktion Aus Erzen & Konzentraten (primär) Reststoffe Altdeponien (aus Bergbau & Abfalldeponie) Geogene Rohstoffe 11

12 Niedrige Recyclingraten für viele Technologiemetalle WEEE: Recyclingraten Edelmetalle < 15% End-of-Life recycling rates for metals in metallic applications UNEP (2011) Recycling Rates of Metals A Status Report, A Report of the Working Group on the Global Flows to the International Resource Panel- Graedel, T.E.: Alwood, J.; Birat, J.-P.; Buchert, M.; Hagelüken, C.; Reck, B.K.; Sibley, S.F.; Sonnemann, G. 12

13 Recycling ist wichtig, um Langfristig den Zugang zu wichtigen Rohstoffen zu sichern... Umwelteinflüsse des Bergbaus abzumildern Weniger Energiebedarf/CO 2 (höhere Erzkonzentration; leichterer Zugang) Geringerer Land- & Wasserbedarf Geringerer Einfluss auf Biosphäre (Regenwald, (Ant)arktis, Meeresbergbau ) Schäden durch Nicht-Recycling zu vermeiden (Emissionen, Flächenbedarf etc.) Geopolitische Abhängigkeiten von wenigen Förderländern/-Firmen zu vermindern t CO 2 / t primary metal * Au Ethische Rohstoffversorgung zu unterstützen ( Konfliktmetalle ) (transparente Versorgungskette ) 10,000 Pt Pd Ru Metallpreisschwankungen zu dämpfen 200 In Ag Verbessert Bilanz zwischen Nachfrage & Angebot Verlängert die Reichweite der Primär-Ressourcen Begrenzt Spekulation (breitere Versorgungsbasis ist weniger störungsanfällig) 10 Cu Sn Co Bergbau & Recycling ( urban mining ) sind komplimentär 0 13

14 Bedeutung der Edel- & Sondermetalle Recycling von Elektronikgeräten - Chancen, Probleme, Verfahren Fazit

15 Was ist Recycling? Millionenschaden durch Recycling von Münzschrott in China ausgediente 1 & 2 Münzen als Industrieschrott nach China geliefert zusammengedengelt und das Geld bei der Bundesbank in gültige Münzen umgetauscht. Wie sicherstellen, dass es beim E-Schrott Recycling etc. besser läuft? 15

16 Problem: the good, the bad and the ugly - Wertstoffgewinnung ohne Schadstoffemissionen E-Schrott, ein hochkomplexer Mix Ag, Au, Pd (Edelmetalle) Cu, Al, Ni, Sn, Zn, Fe, Bi, Sb, In (Basis- & Sondermetalle) Hg, Be, Pb, Cd, As, (Schadstoffe) Halogene (Br, F, Cl...) Kunststoff & andere Organik Glas, Keramik, Holz, Umicore Composition of mobile phones mobile phone substance (source Nokia) Umweltrisiko bei Deponie oder schlechtem Recycling Wichtige Rohstoffquelle 16

17 Recyclingkette der Systemansatz entscheidet Beispiel Recycling von Technologiemetallen aus Leiterplatten Anzahl der Akteure in Europa 1000 s 100 s High-Tech Recycling von Technologiemetallen (Metallurgie) Logistik 10,000 s Demontage Aufbereitung 3 Produkte Komponenten/ Fraktionen Metalle Investitionsbedarf Gesamtwirkungsgrad bestimmt durch schwächstes Glied Sicherstellen, dass relevante Fraktionen zu High-Tech Prozessen gelangen Beispiel: 30% x 90% x 60% x 95% = 15% 17

18 Recyclingkette technische Grundlagen - Erfolgsfaktoren Produktdesign & technisch-organisatorische Auslegung Quelle: Markus Reuter, Outotec und Antoinette Van Schaik, MARAS (2010) Produktherstellung Aufbereitung Metallurgie Problem 2: Wie lassen sich niedrig konzentrierte Technologiemetalle aus komplexen Produkten effizient und emissionsarm recyceln? 18

19 Technologiemetalle erfordern neues Recycling - massenfokussiertes Standardrecycling ungeeignet Glas Stahlschrott Leiterplatten Autokats + Grünglas Weißglas Braunglas Edel- & Sondermetalle PGMs Mono-Substanz Material ohne Schadstoffe Spurenelemente verbleiben in Legierung/Glas Fokus auf Durchsatz & Kosten Poly-Substanz Material mit Schadstoffen Komplexe Komponenten als Teil komplexer Bauteile Fokus auf Spurenelemente, Wert & Prozessqualität 19

20 Großes Optimierungspotential bei Aufbereitung - Aufschluss & Sortierung: Schlüssel für metallurgisches Metallrecycling Logistik 10,000 s Demontage Aufbereitung 3 Altprodukte, Schlacken, etc. Aufbereitung Verschleppung von Spurenelementen vermeiden (75% Goldverlust, wenn PC motherboard nicht vor Shredder entfernt wird) Fe- Metallurgie Al- Metallurgie Cu-/Pb- Metallurgie EM- Recycling Kunststoff- Recycling Restabfall zur Deponierung Seltene Erden aus Magneten Co-Li (SE)- Recycling aus Li-Ionen/NiMH Akkus Indium aus LCD screens Universelle integrierte Hüttenprozesse für Cu, EM & einige Sondermetalle Edel- + Sondermetalle Schlacken & andere Reststoffe Schlacken etc. Spezialprozesse für bestimmte Komponenten & Sondermetalle 20

21 Multimetall-Recycling mit moderner Metallurgie erforderlich sind Hi-Tech & Economies of Scale Logistik 10,000 s Demontage Aufbereitung 3 Umicore s integrierte Metallhütte in Hoboken/Antwerpen Verarbeitung t/a, weltweite Kundenbasis ISO & 9001, OHSAS Recycling von ~20 Metallen aus E-Schrott, Katalysatoren, Nebenprodukten von NE-Metallhütten, ) Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Cu, Pb, Ni, Sn, Bi, Se, Te, Sb, As, In (Universalprozess) zusätzlich Co, (Li), SE; Ga aus Spezialprozessen Wert der Edelmetalle und des Kupfers ermöglicht Mitgewinnung der weiteren Metalle Hohe EM-Ausbeuten >> 95 %, hohe Energieeffizienz, minimale Abfallmengen

22 Komplexe Verfahrenstechnik mit hohem Umweltstandard Oxygen enriched air and oil/nat. gas are injected down the lance Offgas and fume: special design for efficient offgas collection with minimised solids carryover Agglomerated feed can be directly charged without further treatment Refractory lined furnace designed to facilitate refractory installation Watercooled taphole for molten product removal Patented lance design Promotes formation of a frozen slag layer on the lance tip Frozen slag coating Protects lance from wear Vigorously stirred bath by submerged lance ensuring rapid chemical reactions and good mixing 22

23 Modernes Recycling gewinnt viele Metalle zurück Materialinhalt eines Mobiltelefons mobile phone substances * Metallgewinnung beim Umicore-Verfahren Recycling als Metall(verbindung)* Nutzung in Prozess Überführung in Schlacke (Produkt) Neutralisation im Abwasser Abtrennung & sichere Deponie Ausreichende Kapazitäten sind vorhanden Recycelte Metalle: gleiche Qualität wie Metalle aus Bergbau Umweltbelastung, Energieaufwand & CO 2 Emissionen solcher Recyclingprozesse sind viel niedriger als beim Bergbau 23

24 Metallrecycling aus komplexen Produkten - Technische* & nicht-technische** Herausforderungen *Zugänglichkeit relevanter Komponenten/Materialien - Elektronik in Autos, SE-Magneten in Elektromotoren, - Design for Disassembly, Aufbereitungstechnik, Prä-Shredder -Verfahren *Thermodynamische Grenzen & schwierige Metallkombinationen bei Spurenelementen - Tantal, Seltene Erden, Gallium/Germanium, Lithium, - Design for Recycling, metallurgische (Grundlagen)forschung, Pilotanlagen **Probleme bei der Kreislaufführung von Konsumgütern - Elektronik, Autos, Batterien, Leuchtmittel, - Bessere Sammlung, Verfolgung von Stoffströmen, Transparenz, wirtschaftliche Anreize From: Disney/Pixar Komplexe Produkte erfordern systemische Optimierung & interdisziplinäre Ansätze (Produktentwicklung, Aufbereitungstechnik, Metallurgie, Wirtschafts- & Sozialwissenschaften) 24

25 Problem Kreislaufführung von Konsumgütern - Erfassung & organisatorische Auslegung der Recyclingkette Niedrige Sammelquoten Beeinflussbar durch: Gesetzgebung, Zielvorgaben Logistik 10,000 s Demontage Sammel-Infrastruktur (Erreichbarkeit etc.) Vertriebs-Geschäftsmodelle (Leasing, Pfand ) Konsumentenverhalten/Bewusstsein 3 Produkte/Fraktionen werden schon bei Sammlung oder in Kette danach in falsche/illegale Kanäle ausgeschleust Beeinflussbar durch: Kontrollen & Vollzug der Gesetzgebung Verfolgung relevanter Stoffströme bis zum Letztverwerter mehr Transparenz & Verantwortung entlang der Recyclingkette Anlagenzertifizierung zur Sicherstellung hochwertiger Prozesse Logistik 10,000 s Demontage Aufbereitung Aufbereitung 3 25

26 Beispiel Mobiltelefon kaum Recycling trotz etablierter Technik Recycling Potenzial (2010, global): 1 Mrd. Stck. bzw. ~ t Realität << t Größter Teil wird nicht gesammelt ( Schublade & Mülleimer ) Die meisten gesammelten Handys werden als Reuse -Geräte in Entwicklungs-/Schwellenländer exportiert Metalle Abfallhierarchie Ziel R und R USE REUSE Realität R oder R X RECYCLE 26

27 Beispiel Low Tech Gold Recycling in Indien Gold-Ausbeute 25%, dramatische Umwelt- & Gesundheitsauswirkungen (Rochat, Keller, EMPA 2007) foto: EMPA/CH Standard in vielen Hinterhofbetrieben 27

28 Handy? Recyclingerfolg abhängig von vielfältigen Einflussfaktoren auf unterschiedlichen Ebenen 1. Technische Recyclierbarkeit (Grundvoraussetzung) 2. Zugänglichkeit des relevanten Bauteils 3. Ökonomische Recyclierbarkeit: Intrinsisch (z. B. Autokatalysator) oder (durch Politik) extern geschaffen (z. B. Bierflasche mit Pfand oder Hausmüll) 4. Der "Erfassungstatbestand", d. h. die Sammlung 5. Die Einsteuerung und der Verbleib in eine geeignete Recyclingkette 6. Die optimale technisch-organisatorische Auslegung dieser Recyclingkette 7. Das Vorhandensein ausreichender Recyclingkapazitäten 28

29 Was ist zu tun (1) 1. Handys, Computer etc. länger selbst nutzen oder an Familie/Freunde weitergeben 2. Sammeln, sammeln, sammeln (aber Handys getrennt von anderem E-Schrott) Anreize schaffen: Aufklärung, ideelle Motivation (warum ist Recycling wichtig) Bequeme = leicht erreichbare Rückgabemöglichkeiten (Providershops, Elektrohandel, Schulen, öffentliche Ämter,, aber geschützt vor Diebstahl) Monetäre Anreize (aus reinem Metallwert nicht darstellbar!) - Trade in bei Neuvertrag - Pfandsystem 3. Lokale Trennung in Reuse und Recycling (kein Export dafür nach Asien etc.) Seriösen & kompetenten Partner auswählen Kontinuierliches Monitoring Stückbilanzen, Massenbilanzen: wieviel erhalten? davon Reuse (Rechnung)?, davon Recycling (Lieferpapiere)? Bei identifizierten nicht Reuse-fähigen Handys direkt Akkus entnehmen 4. Bei Reuse im Ausland: Partner wählen, der dort auch aktiv Althandys zurücknimmt und zurückführt Verifizieren, dass im Ausland wirklich für alle Geräte ein Reuse Markt besteht (und nicht nur für Teilmengen oder Komponenten) 29

30 Was ist zu tun (2) 4. Bei Recycling: Transparente und kurze Akteurskette wählen, Zwischenschritte ohne Mehrwert vermeiden. Qualitativ hochwertiges Recycling für Handsets und Akkus sicherstellen (und überprüfen!) Bei Handys mechanische Aufbereitung (Shreddern & Abtrennung von Teilfraktionen) vermeiden direkter Einsatz in Metallurgie Prozesstechnik verifizieren (lassen): Welche Stoffe werden recycelt, Verbleib der Reststoffe, Emissionen,? Individuelle Eingangsanalysen und Stoffbilanzen anfordern 5. Dokumentieren & Kommunizieren Nicht nur: wie viele Handys wurden recycelt, sondern auch: Wie viele Metalle wurden daraus zurückgewonnen, welche Metallimporte, wieviel Energie. CO 2 etc. wurden dadurch eingespart Handy Recycling ernst nehmen, nicht nur Marketing Tool. Vorbild für Sinn des Ressourcenrecycling auch aus anderen (EEE) Produkten 30

31 Was macht Umicore außer Recycling? - Recycelte Metalle werden für breite Produktpalette benötigt Material-Technologie Unternehmen mit Fokus auf Umwelttechnik Mitarbeiter Umsatz: 14,5 Mrd. 2003: Übernahme der Degussa EM-Aktivitäten 70 industrielle Standorte weltweit 31

32 Wir suchen ständig Verstärkung: Einsatzbereich Accounting Analytics Controlling Human Resources Metals Management Production Research & Development Sales & Marketing Operations Support Procurement Logistics Information Technology (IT) Studiengang Chemie ( ) Ingenieurwesen ( ) Werkstoffwissenschaften ( ) Wirtschaftswissenschaften Informatik 32

33 Aktuelle offene Stellen: was Unternehmensbereich wen aus Fachrichtungen Praktikum Technical Materials Studenten E-Technik, Materialwissenschaft, Wirtschaftsingenieur, Informatik Praktikum Löttechnik Studenten Materialwissenschaft Praktikum Analytical Competence Center Werksstudenten, Diplomanden Masterarbeit Technical Materials Studenten Chermie, Chemieingenieur Chemie; Chemieingenieur, Materialwissenschaft, Werkstofftechnik Qualitätstechniker Automotive Catalysts Techniker Produktions-/Verfahrenstechnik Projektmanager Automotive Catalysts Ingenieure Chemieingenieur, Anlagenbauer Prüfstandsingenieur Automotive Catalysts Ingenieure Maschinenbau Software Ingenieur Automotive Catalysts Ingenieure (FH) Informatik 33

34 Das war s! - Es gibt bestimmt Fragen zur Vertiefung: Hagelüken, C., C.E.M. Meskers: Complex lifecycles of precious and special metals, in: Graedel, T., E. van der Voet (eds): Linkages of Sustainability. Strüngmann Forum Christian Hagelüken Report, Münchener vol. 4. Wissenschaftstage, Cambridge, MA: MIT Press, 2010 Kontakt: christian.hagelueken@eu.umicore.com