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ludwig bölkow

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Kritische Metalle der Energiewende

Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultät für Elektro- und Informationstechnik (EIT)

21. März 2018

Dr. Werner Zittel

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH


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Klimapolitik

Energieszenario 100% Erneuerbar bis 2050

Neue Technologien und spezifischer Metallbedarf

Die Bewertung kritischer Metalle

Woher kommen die Metalle ?

Szenarioresultate

Recycling

Zusammenfassung

Inhalt


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Klimapolitische Verpflichtungen der Staatengemeinschaft

Limits to growth-Report 1972 CO2-Anstieg auf 400 ppm bis zum Jahr 2000 (Fortschreibung des Trends)

Verabschiedung der Klimarahmenkonvention (UN-FCCC) in Rio de Janeiro 1992 Diese bildet den rechtlichen Rahmen für alle klimapolitischen Folgeaktivitäten auf UN- und WMO-Ebene.

Kioto-Protokoll im Jahr 1997; Klimareduktionsverpflichtungen der Industriestaaten um ~5.2% bis 2008-2012 gegenüber desm Basisjahr 1990

Klimakonferenz von Paris (COP 21; 2015) mit drei langfristigen Zielen - Begrenzung der Erwärmung auf deutlich unter 2°C - Erhöhung der Fähigkeit zur Anpassung an den Klimawandel (Resilienz) - Umlenken aller Finanzströme, um sie mit diesen Zielen kompatibel zu machen

Völkerrechtlich verpflichtend zugesagtes gemeinsames Ziel (4.11.2016) Globales Ziel von Netto-Null-Treibhausgasemissionen in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts. Dies bedeutet den weitgehenden Verzicht des Verbrennens aller fossilen Energieträger

Nach Germanwatch 2016


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Energieszenarien mit fast Null THG-Emissionen bis 2050

LUT-Lappreenta University Finland: 100% EE Stromversorgung bis 2050 Bausteine: PV, WKA, Stromspeicher, Gasspeicher

GW 2015 2030 2050

PV 231 4124 13921

WKA 372 3293 3154

Wasserkraft 1028 1242 1282

Biomasse 120 598 664

Geothermie 13 67 67

Gasturbine 1789 2733 2077

sonstige 2650 1569 878

TWh 2015 2030 2050

Batteriespeicher 0,002 9,934 47,858

Gasspeicher 0 102,062 1001,898

Sonstige 0,135 1,955 4,010


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LUT/EWG Energieszenarien (PV, WKA und Batteriespeicher)

Maximale Zubauraten 2025 – 2035 Anlagelebensdauer: - PV ~30 Jahre - WKA ~20 Jahre - Batteriespeicher ~15 Jahre


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Kfz-Zulassungen weltweit (PkW, LkW)


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Neue Technologien und „neuer“ Metallbedarf

Hitzebeständige Werkstoffe (Speziallegierungen)

In einem Mobiltelefon enthaltene Elemente


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systemtechnik H 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 Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 112 113 114 115 ? ? 118

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Leichtmetalle Eisen und Stahlveredler Edelmetalle Kurzlebige radioaktive Edelmetalle Halbedelmetalle Halbleiter Sonstige Nichteisenmetalle Seltene Erden (RAO)

Halogene Edelgase

Halbleiterindustrie 1980er (12 El.)

Einteilung chemischer Elemente und Nutzung in der Halbleiterindustrie


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systemtechnik H 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 Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ti Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 112 113 114 115 ? ? 118

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Leichtmetalle Eisen und Stahlveredler Edelmetalle Kurzlebige radioaktive Edelmetalle Halbedelmetalle Halbleiter Sonstige Nichteisenmetalle Seltene Erden (RAO)

Halogene Edelgase

Halbleiterindustrie 1980er (12 El.) Halbleiterindustrie 1990er (16 El.) Halbleiterindustrie 2000er (60 El.)

(Nach Theis 2007 und Reller)

Einteilung chemischer Elemente und Nutzung in der Halbleiterindustrie


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Materialeinsatz in unterschiedlichen konventionellen Kfz

Quelle: Ashby 2009


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1

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100

1000

10000

100000

1000000

MJ je kg Energie MJ/kg

n.a.

Datenquelle: Ashby 2009, Hammond&Jones 2008, Wuppertal Institut, 2011

Materialien der Autoindustrie: Graue Energie je kg

Metalle Nichtmetalle


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Materialeinsatz in Batterie- oder Brennstoffzellenelektrischen Kfz

g/Kfz Cu Co Dy Nd Pr Tb In Ga/Ge Pt

E-Antrieb 9800 650 100-200 250-500 85 15 0,7

Leistungs-elektronik

22.000-33.000

0,1-9 ~1

BZ 1300 21 36 12 2.1 80

g/kWh Li Al Cu Mn Co Ni

LMO 80 1840 1000 1170 - -

NCA 80 2110 1000 - 100 544

LCO 80 1800 1000 - 680 -

NMC 80 1800 1000 210 230 230

Quelle:M DERA 2016, Oeko 2011

LMO=LiMn2O4 z.B. Nissan Leaf +Graphit ~1300g

NCA=LiNiCoAlO2 z.B. Tesla Model S +Elektrolyt ~1600g

LCO =LiCoO2 z.B. iPhones NMC=LiNiMnCoO2 z.B. Tesla-Powerball

Batterien (Annahme: 8 kg/kWh entsprechend 125 Wh/kg):

Quelle: Widmer 2012 Eigene Analysen


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Verwendung Seltener Erden in der Autoindustrie

Glas + Spiegelpolitur: Cer

Zusatz in NiMH-Batterie: Cer, Lanthan

Katalysator: Cer, Lanthan, Zirkon

25 kleine E-Motoren: Nd-Magnete

Hybridantrieb: Neodymium Praseodymium Dysprosium Terbium Nach Reller (2009)


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Die Bewertung kritischer Metalle I

EU Raw Materials Initiative (2008, 2014, 2017)

Deutsche Rohstoffinitiative (DERA 2016)

UNEP Resource Panel


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Die Bewertung kritischer Metalle

Raw Materials Initiative der Europäischen Union

– Drei Säulen:

• Fair and sustainable supply of raw materials from gobal markets

• Sustainable supply of raw materials within the European Union

• Resource efficiency and supply from secondary materials through recycling

– Definition der Kritikalität:

• Importabhängigkeit

• Marktkonzentration in Förderstaaten für einzelne Metalle

• Politische Risiken potenzieller Exportbeschränkungen (z.B. Zölle)

• Recycling-Rate

• Substitutionspotenzial

• Ökonomische Relevanz


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Ga

EU-Liste kritischer Metalle 2010

Basiert auf im Jahr 2030 erwartetem Bedarf in Europa

Economic Importance (EI)

Supp

ly R

isk

REE

PGM

Sb Mg

Ge

In

Be Co Tm

W

Nb


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EU-Liste kritischer Metalle 2017

Ga

LRE/HRE

PGM

Sb

Mg

Ge

In Be

Co

Bi

Nb

W


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DERA* Liste kritischer Elemente

* DERA = German Raw materials Agency

Mining Products

Country Concentration [HHI]

low risk high risk medium risk

Wei

ghte

d co

untr

y ri

sk

Metals Coke Industry minerals

high risk

low risk


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Vergleich verschiedener Listen „kritischer Metalle“

EU-CRM-List 2017 [2010] EU-CRM-List-2017 [2010] DERA-CRM-List-2016 DERA-CRM List -2016

Antimony Baryte Beryllium Bismuth Borate Cobalt Fluorspar Gallium Germanium Hafnium Helium HREE Indium LREE Magnesium Natural Graphite

Natural Rubber Niobium PGM PhosphateRock Phosphorus Scandium Silicon metal Tantalum Tungsten Vanadium Not in 2017-List: Chromium Coke Magnesite

Aluminium Antimony Baryte Beryllium Lead Borate Chromium Diamonds Iron Feldspar Fluorspar Gallium Germanium Gypsum Glimmer Granate Graphite Indium Cobal Coke Copper Magnesite

Magnesium Mangane Molybdenum Nickel Niobium Palladium Phosphate Platinum Mercury Rhodium REE Silicon Stronium Talcum Tantal Titan Vanadium Bismuth Tungsten Wollastonite Zeolithe tin


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Kritischer Kommentar

Heutige Daten dienen als Grundlage für die Einstufung kritischer Metalle

EC 2010: Die Arbeitsgruppe geht davon aus, dass geologische Knappheit kein Kriterium zur Bewertung der Kritikalität von Rohstoffen im Betrachtungszeitraum bis 2030 darstellt.

Umweltaspekte gehen kaum in die Bewertung ein

Die mathematische Bewertung von Kritikalität ist fragwürdig

Seit 2010 ist die Liste kritischer Metalle deutlich angewachsen

Die Vernachlässigung geologisch bedingter Knappheit ist nicht besser zu rechtfertigen wie die gewählten Kritierien und deren Quantifizierung

Der Zeithorizont bis 2050 wird nicht betrachtet

Potenzielle Knappheit auf Weltebene wird nicht betrachtet


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Das UNEP Resource Panel

Mehrdimensionale Bewertung des UNEP Resource Panel:

– Berücksichtigung von Umweltaspekten

– Versorgungsrisiken basieren auch auf geologischen Knappheitskriterien

– Bewertung des Vulnerabilitätsrisikos (Abhängigkeit von Metallen)

Stand der Arbeiten

– Detaillierte Untersuchung einzelner Metalle

– Detaillierte Untersuchung von Metallflüssen und Metallgebrauch (Stocks)

– Detaillierte Analyse des Recycling

– Szenariobetrachtungen bis 2050 fehlen noch für die meisten Materialien


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UNEP Resource Panel – Supply Risk

Source: Graedel et al. 2015, Criticality of metals and metaloids, PNAS, 7 April 2015, vol 112(14), pp 4257-4262


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UNEP Resource Panel – Environmental Implications

Source: Graedel et al. 2015, Criticality of metals and metaloids, PNAS, 7 April 2015, vol 112(14), pp 4257-4262


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systemtechnik Woher kommen die Metalle?

Die Entstehung von Lagerstätten


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Weltproduktion von Rohstoffen 2014

Tonnen

Fossile Energieträger

Eisen und Eisenveredler

Nichteisenmetalle

Edelmetalle

Sonstige


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Die Entstehung von Erzlagerstätten

Die Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem: In den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden H und He. Diese machen 98% aller Materie aus

Elemente bis Fe: Fusionsprozesse Schwere Elemente: Neutronenreaktionen (z.B. Supernova- ausbrüche)


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Massenanteil der Elemente auf der Erde:

O 32%

Fe 29%

Mg 15,8%

Si 17,1%

Al 1,5%

Ca 1,6%

Ni 1,7%

C 0,9% Cr 0,4%

Rest 0,1%

Massenanteil der Elemente in der Erdkruste:

O 47,5%

Fe 3,9%

Mg 1,5%

Si 31,1 %

Al 8,2%

Ca 2,6%

Ti 0,4% K 2,4%

Rest 0,1% Na 2,4%

Henderson 2009 Gao 2010

Wikipedia


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Massenanteil der Elemente in der kontinentalen Erdkruste:

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti Mn

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Mn Ba Zr V Rb Cr Zn Li Ni La Cu

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

Nd Ga Pb Co Pr Cs Gd Dys U

0

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

0,00006

0,00007

In Ag Au Pt

0,00

0000

5

%

%0

%0

Henderson 2009 Gao 2010

Silizium

Eisen/Stahl Leichtmetalle

Batterien

Kathodenmaterial

Basismetall

Kathodenmaterial

Seltene Erden

S.E.

Alu

~Prozentbereich

~1/100-Prozent

~1/1000- Prozent

~1/1.000.000- Prozent


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Primäre Lagerstätten (Vulkanismus, Magma) Sekundäre Lagerstätten (v.a. durch Hydrothermale Prozesse)

Black Smokers (Im Atlantik)


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Die Entstehung von Erzlagerstätten (Bsp. Kupfer)

Subduktionszonen (Anden, Rocky Mountains)

Copper ore deposits Source: Grassmann 2002 Doctoral Thesis


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Die Mengenverteilung der Elemente als Funktion der Erzkonzentration

Durchschnittsverteilung in der Erdkruste

Anreicherung in Lagerstätten

Prozent oder ppm Durchschnittliche Konzentration

Häufigkeit

gering hoch


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Häufige Metalle : Mineralogische Barriere für Elemente > 0,1% Anteil an der Erdkruste

Metall-

menge

Erzgehalt (%) Durchschnitts- Konzentration in der Erdkruste

Gegenwärtiger Abbau

Mineralogische Barriere Verbleibende abbauwürdige Ressourcen

• Bauxite (Aluminium) • Eisen, • Silizium, • Magnesium • Titan • Kalium • Kalzium

Nach Skinner (1976)

Extrem steigender Aufwand


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Seltene Metalle Mineralogische Barriere für Elemente <0,1% Anteil an der Erdkruste

Menge

Erzgehalt (%) Durchschnitts- Konzentration in der Erdkruste

Gegenwärtiger Abbau

Mineralogische Barriere

Verbleibende abbauwürdige Ressourcen • selten: Cu, Sn, Sb, Ag, … • In Spuren: Pt, In, Sa,

Nach Skinner (1976)


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Eisenerz und Eisenveredler


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Szenarioergebnisse


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Szenarien - ICE (oben) versus BEV (unten)

ICE ICE

BEV BEV

Aluminium Kupfer


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Aluminium Bedarf

Annahmen: Transport +4% p.a. Infrastruktur +2%p.a. Gebäude + 3% p.a. Sonstige 2% p.a.

BEV ~2kg/kWh +200kg/car

BEV ~2kg/kWh

Bis 2035: +120% Bis 2060: +250%


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Primäraluminium Produktion


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Kupferbedarf

Bis 2035: + 100% Bis 2060: +230%


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Hoher Metallgehalt Geringe Kosten Geringer Metallgehalt

Hohe Kosten, Große Umweltauswirkungen

Technische Entwicklung

Künftige technologische und ökologische Entwicklung

Zeit

Jahr

esfö

rder

ung

Typisches Förderprofil bei steigendem Aufwand und endlicher Ressource


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Sinkender Erzgehalt bei zunehmender Erschöpfung der Lagerstätten

USA


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Quelle: R. Koppelaar 2016

Beispiel Kupfer: steigender Energieaufwand bei sinkender Konzentration


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Source: Xstrata, Annual Report 2009


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Lithium – Bedarf im BEV-Szenario


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Lithium demand/supply in the BEV-scenario


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Cobalt demand/supply in the BEV-scecnario


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Primärproduktion von Kobalt


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Platinum demand in the FC-scenario


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REO-demand for FC and BEV vehicles - world


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systemtechnik Recycling


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Kupferkreislauf 2015

Quelle: The Copper Fact Book 2017


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Recycling-Raten von Aluminium


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Recycling


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Die Konsequenzen I

Bei vielen Metallen wird man bis 2050 an Verfügbarkeitsgrenzen stoßen - der Erzgehalt sinkt - der Energieaufwand zur Produktion steigt - die Umweltauswirkungen steigen

Der Umstieg auf EE ist eine notwendige Voraussetzung

Recycling von Metallen wird eine notwendige Voraussetzung

Heute sind die EOL-Recycling Raten bei vielen Metallen sehr gering

Selbst bei Kupfer mit einer EOL-Recycling Rate von 50% beträgt die EOL-Recycling Input Rate (RIR) nur 21% bzw. die gesamte RIR 35%.

Diese Szenarien wird es nie geben - entweder wird das Wachstum nicht kommen - oder der spezifische Materialbedarf muss deutlich reduziert werden - oder es müssen Substitute (vollkommen neue Materialien) gefunden werden


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Die Konsequenzen II

Es drohen Strukturbrüche

Der Erhalt der sozialen Stabilität muss hohen Stellenwert erhalten (Bsp. Diebstahl von Kupfer, Eisenbahnschienen etc.)

Technologische Optimierungen sind nicht immer sinnvoll, die Reduktion von Dämpfungsgliedern erhöht das Risiko einer Instabilität (Resilienz)

Neues Denken ist gefordert: Die Aufgabe heißt Umstrukturierung der Gesellschaft zu nachhaltigem Denken und Handeln


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Die Aufgabe

Der Umbau der Energieversorgung:

Der Umbau der Produktion:

Fossile Energie Erneuerbare Energie

Rohstoffe Produkte Abfall

Rohstoffe Produkte Biologisch abbaubar


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Zusammenfassung

Unser bisheriges Verhalten führt unweigerlich in Crash-Szenarien mit Strukturbrüchen!!!

Gefordert sind neue Technologien/Strukturen mit geringem Materialverbrauch

– Miniaturisierung

– Poröse Strukturmaterialien

– Vollständiges Recycling

– Biologisch abbaubare Endprodukte (Multifunktionsmaterialien auf biogener Basis)

– Minimale Produktionsverluste (3D-Drucker)

Neue gesellschaftliche Leitbilder:

– Suffizienz versus Bulimie [Warum ist mehr besser?]

– Kooperativ versus sozialdarwinistisch

– Lebensfreude versus Lebensangst

– Positiv motiviert und nach vorne orientiert

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