Rückgewinnung von Metallen durch das Recycling von Elektround Elektronikaltgeräten

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1 Rückgewinnung von Metallen durch das Recycling von Elektround Elektronikaltgeräten - Am Beispiel des Mobiltelefons- Prof. Dr.-Ing. Kerstin Kuchta Dipl.-Ing. Luise Westphal Technische Universität Hamburg (TUHH) Harburger Schloßstraße 36, D Hamburg Kontakt: luise.westphal@tuhh.de

2 Inhalt TU Hamburg Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Seltene Erden: Hintergrund und Problematik Mobiltelefone: Wertstoffgehalt und Konsumverhalten Erfassung/ Sammlung Recycling und Rückgewinnung

3 Fachbereich Abfallressourcenwirtschaft an der TU Hamburg Dipl.-Ing. Luise Westphal

4 Campus der TUHH im Hamburger Süden Gründungsjahr 1978 Dr. Johannes Harpenau

5 Das Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft ProfessorInnen: Prof. Martin Kaltschmitt Prof. Wolfgang Calmano Prof. Kerstin Kuchta Personal: 3 ProfessorInnen, ca 30 WissenschaftlerInnen, Insgesamt : mehr als 60 Personen

6 Forschungsfelder Abfallressourcenwirtschaft Recycling von seltenen Metallen Bioenergie- und Bioressourcenwirtschaft Emissionsminderung und Klimaschutz Deponietechnik

7 Untersuchungsmöglichkeiten Aerobe und anaerobe Systeme Systeme zur Emissionskontrolle Mechanische Aufbereitung Sortieranalysen Labor GCMS, HPLC,.. AAS, RFA, ICP MS

8 Bioraffinerie2021 Partner: CropEnergies AG DeutscheBiomasseForschungsZentrum (DBFZ) TUHH Institut für Technische Bikrobiologie TuTech Innovation GmbH Agraferm Technologies AG Evonik Goldschmidt GmbH Linde-KCA-Dresden GmbH Süd-Chemie AG Südzucker AG Johann Heinrich von Thünen-Institut (vti) TUHH Institut für Bioprozesstechnik TUHH Institut für mechanische Verfahrenstechnik TUHH Institut für thermische Verfahrenstechnik TUHH - Institute für Umwelttechnik und Energiewirtschaft Universität Frankfurt - Institute of Molecular Biosciences Förderer: BMBF Laufzeit: (2012) Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Kerstin Kuchta

9 Mikroalgen Konzeptentwicklung zur effizienten energetischen Nutzung von Algenbiomasse Partner: E.ON Hanse AG Förderer: E.ON Hanse AG Laufzeit: Oktober 2010 Dezember 2012 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Kerstin Kuchta

10 REPRO Identifikation ressourcenrelevanter Bauteile in Elektroaltgeräten (Umweltbundesamt UBA) RareEarthTech Entwicklung von Recyclingstrategien und technologien für Seltene Erden in Brasilien und Deutschland (Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF) ATR Recycling von Seltenen Erden aus Aschen und Schlacke der Müllverbrennung und Deponien (Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF)

11 Seltene Erden China Internet Information Center (CIIC).

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13 Globaler Ressourcenverbrauch, Erze und Industriemineralien Fossile Energieträger Baumineralien Biomasse BSP

14 Reichweite weltweit (bei statischer Betrachtung) Rohöl 42 Jahre* Erdgas 63 Jahre* Uran 68 Jahre* Steinkohle 169 Jahre* Tantal (Coltan) 25 Jahre* Indium (Bildschirme) 10 Jahre* Neodym?? Quelle: *BMWi 2006 Kurzbericht Verfügbarkeit und Versorgung mit Energierohstoffen *USGS, 2009

15 Was sind Seltene Erden? - 3. Gruppe des Periodensystems (ohne Actinium) und die Lanthanoide insgesamt also 17 Elemente - Chemische Ähnlichkeit macht Trennung schwer

16 Lanthanoidenkontraktion Eigenschaft der f- Elemente, da innerhalb einer Gruppe immer der Radius der einzelnen Elemente von rechts nach links abnimmt. aufgrund der abnehmenden Größe ist eine Trennung möglich beim Holmium ist der Radius der Ln 3+ so klein, dass er fast dem des Y 3+ entspricht; Die Zunahme der Kernladung wird zwar durch gleichgroße Zunahme der Elektronenladung ausgeglichen, jedoch können aufgrund der Richtungseigenschaften der 4 f-orbitale die 4-f- Elektronen sich selbst und andere Elektronen aus niedrigeren Orbitalen nur unvollständig von der Kernladung abschirmen. Gesamte Elektronenwolke wird bei zunehmender Kernladung angezogen und der Radius erliegt der Kontraktion.

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18 Abbau der Seltenen Erden Die Volksrepublik China deckt 97 Prozent des Weltbedarfs Dort sind kaum mehr als ein Drittel der weltweiten Vorkommen zu finden Beim Abbau fallen große Mengen an radioaktiven Schlämmen an, die in künstlichen Teichen gelagert werden

19 Übersicht über die verschiedenen Sorten an Seltenen Erden

20 Anwendungen der Seltenen Erden Hightechprodukte wie: e m Seltene Erden werden auch "Gewürzmetalle" genannt, weil sie die Fähigkeiten anderer Stoffe verstärken und sich so viele Bauteile kleiner und effizienter herstellen lassen - bei gleich bleibender Leistungsfähigkeit. Mischt man beispielsweise Magneten Neodym bei, sind diese 25-mal stärker als herkömmliche Verbindungen.

21 Neodym Quelle: Jumk, Neodym PHP Eigenschaften: stark magnetisch korrosionsbeständig leicht entzündlich reizend Einsatzbereiche: extreme starke Neodym-Bor- Magnete können das fache ihres Gewichtes tragen für Turbinen, hocheffektive Elektromotoren, Mikrofone, Lautsprecher, Smartphone, Festplatten Fakten: Schmelzpunkt C spezifisches Gewicht 7,0 g/cm³ Massenanteil/Erdhülle: 44 ppm

22 Neodym im Mobiltelefon Mobiltelefon mit Extramotor Mobiltelefone ohne extra Motor Bauteil Neodym in mg Neodym-Anteil in % Neodym in mg Neodym- Anteil in % Motor 32,46 26, Vibrationsarlarm Lautsprechermagnet 29,93 11,26 49,56 13,8 Gesamtmasse 42,92 0,057 49,56 0, Referent: Luise Westphal, TUHH Vortrag: Recyclingpotenzial von Permanentmagneten aus

23 Neodym in Windkraftanlagen Pro installierter MW Leistung einer Windkraftanla ge wird zwischen 400 kg* kg* Neodym benötigt. *Avalon (zitiert nach Oakdene Hollins 2010) * Lifton (2010)). Foto: Jan Oelker Repower

24 in Mg 2004 (₁) 2005 (₂) 2006 (₁) 2007 (₁) (₂) 2008 (₁) (₂) (₃) 2009 (₄) 2014 Bedarf (₅) Seltene Erden Produktion und Bedarf Ref: (1) USGS Minerals Yearbook (2) Lynas Corp (3) vbw Vereinigung der Bayerischen Wirtschaft (4) Mittelwerte aus USGS Minerals Yearbook, Lynas Sorp., Avalon Rave Metels, Institut für Zukunftsstudien IZT, Fraunhofer ISI (5) Avalon Rave Metals Ce- Cer La- Lanthan Nd- Neodym Y- Yttrium Pr- Praseodyn Sm- Samarium Sc- Scandium Pm- Promethium Eu- Europium Gd- Gadolinium Tb- Terbium Dy- Dysprosium Ho- Holmium Er- Erbium Tm- Thulium Yb- Ytterbium Lu- Lutetium Ta- Tantalum

25 Mai 10 Juli 10 Sept 10 Nov 10 Jan 11 März 11 Mai 11 4.Nov.2011 Preise / kg Preisentwicklung innerhalb eines Jahres 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Nd Neodym Se Selenium Y Yttrium Ce Cer La Lanthan Bi Bismut Ti Titan 20,00 0,00 Quelle: Eigene Berechnung Kurse Shanghai Metals Market

26 (Nach Ad-hoc Working Group on Defining Critical Raw Materials: Critical Raw Materials for the EU. Brussels, 2010/Frauenhofer ISI

27 Ressourcenstrategien Verbrauch reduzieren Sustitution Neue Technologien Recycling

28 Forschungsmotivation Recycling Seltener Erdmetalle Aktuell kein Recycling von Seltenerdmetallen Unzureichende Angaben der Stoffzusammensetzungen Komplexe Zusammensetzungen der Elektro- und Elektronikgeräte Geringe Einsatzmengen / Konzentrationen

29 Zielsetzung Verminderung der Abhängigkeit der deutschen Industrie von Importen durch Rückgewinnung von Seltenerdmetallen und strategischen Metallen aus Elektro- und Elektronikaltgeräten Identifikation von Bauteilen mit hohem Potenzial Steuerung ressourcenreicher Stoffströme Angepasste Entwicklung innovativer Verwertungsverfahren

30 Konsumprognose IT- und Telekommunikationsgeräte Hamburg Obergrenze 3 % Steigerung der Ausgaben Nach Bräuninger 2012

31 IT Ausstattungsbestand je Haushalt 3 2,5 Deutschland Hamburg 2 1,5 1 0,5 0 Notebook Desktop PC Mobiltelefon Spielekonsole TV SRH / HWWI 2012

32 - 11,8 Millionen verkaufte Smartphones in 2011 deutschlandweit (Anstieg von 31% im Vergleich zu 2010) - Verkauf herkömmlicher Handys betrug 15,6 Millionen (19% weniger als 2010) - 43% aller in Deutschland verkauften Handys sind Smartphones

33 Edelmetalle in Elektro- und Elektronikgeräten EEE Gesamter Metallgehalt LCD- Monitor Metallgehalte pro Gerät Verkaufszahlen Deutschland Au Ag Pd 2011 Au Ag Pd (private Haushalte) mg 1000 Stk kg Anwendung in den Geräten Leiterplatten, Kontakte LCD-TV Leiterplatten, Kontakte Notebook Mainboard, sonstiges Leiterplatten Smartphon e Mobiltelefon ** Leiterplatten, Kontakte 24* 250* 9* ** Leiterplatten, Kontakte Source: ; Recycling kritischer Rohstoffe aus EAG; *C. Hagelüken; **Bitkom,

34 Edelmetalle und strategische Metalle in Mobiltelefonen Metall Bauteil Preis /g Silber Platine 7,72 Tantal Platine 1,03 Gold Kontakte, Platine 42,8 Indium Display 0,38 Kobalt Akkumulator 0,05 Kupfer Platine 0,007 Neodym Lautsprecher 0,2 Palladium Platine, Kontakte 18,8

35 Zielsetzung des Recyclings - Stoffliche Rückgewinnung von: Metallen, Kunststoffen, Glas - Energetische Rückgewinnung von: gemischten Kunststoffen, Holz, Verbunde - Schadstoffentfrachtung: Halogenierte Verbindungen (e.g. PCB), Schwermetalle (z.b. Beryllium, Cadmium) 35

36 Wohin mit alten Elektrogeräten? Tonne oder Umschlag Sz, Kann der kaputte MP3-Spieler einfach beim Händler zurückgegeben werden? Wo können Geräte abgegeben werden, wenn man sich kein neues kauft? Wie funktioniert das Elektro-Recycling per Post? Kann man alte Elektrogeräte auch bei der regulären Müllabfuhr loswerden? Was, wenn ein Gerät noch gar nicht kaputt ist, sondern nur alt?

37 Gesammelte IT Geräten Informations- / Telekommunikationsgeräte, Geräte der Unterhaltungselektronik 15% 1% Fernseher & Zubehör 40,4% Flachbildschirmgeräte 43% Computer & Zubehör 1% Musikzubehör Andere

38 Elektroschrott im Hausmüll 38

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40 Mobilfunktelefone Lagermenge in Deutschland Gewicht (ohne Akkus) Gesamtgewicht Kupfergehalt Goldgehalt ca. 80 Mio. Stück 100 Gramm Tonnen 9 g/stück 720 Tonnen 24mg/Stück 1.9 Tonnen

41 Gesetzliche Rahmenbedingungen Anspruch vs. Realität Anspruch - WEEE (Waste Eletric and Electronic Equipment) Direktive regelt Rücknahme von Altgeräten - Feste Verwertungs- und Recyclingquoten vorgeschrieben - Einsatz bester Behandlung-, Verwertungs- und Recyclingtechniken gefordert Realität - Ungehinderter Export von Elektro- und Elektronikschrott - Recycling unter fragwürdigen Bedingungen in Asien und Afrika - Verlust von Wertmetallgehalten durch unzureichende Technologie Hinterhofrecycling Ergebnis - Keine Sicherheit für Investitionen - Verlust von einheimischen (Recycling-) Rohstoffen

42 Rohstoffe Bauteile/ Geräte Nebenprodukte Produktion Konsum Erfassung Sortierung/ Vorbehandlung Mono/gemischte Fraktion Mono/gemischte Fraktion Methoden und Verfahren zum Recycling kritischer Metalle Refining

43 Vielen Dank Fragen??