Bericht zur Tagung “Kritische Rohstoffe”
Bericht zur Tagung „Kritische Rohstoffe, Gewinnung bis Entsorgung: Die Geowissenschaften als Problemlöser“
Am 17. März 2022 veranstaltete die Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin die Tagung „Kritische Rohstoffe, Gewinnung bis Entsorgung: Die Geowissenschaften als Problemlöser“
Im Balkonsaal des Rathauses Berlin Tiergarten begrüßte die Präsidentin der Leibniz-Sozietät Gerda Haßler die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Tagung. In ihrer Eröffnung verwies sie zunächst darauf, dass es bereits eine lange Tradition in der Leibniz-Sozietät gibt, grundlegende Probleme in Natur und Technik aufzugreifen und den Umgang des Menschen und der Gesellschaft damit in ihren Veranstaltungen zu thematisieren. Sie hob hervor, dass der Arbeitskreis Geo-, Montan-, Umwelt-, Weltraum- und Astrowissenschaften, der diese Tagung organisiert hatte, einer der aktivsten und erfolgreichsten der Leibniz-Sozietät ist. In ihren Ausführungen ging sie auf die entscheidende wirtschaftliche Bedeutung von Rohstoffen ein und merkte an, dass viele von diesen innerhalb der europäischen Union nicht vorrätig sind bzw. nur begrenzt abgebaut werden können. Das wirft Fragen nach einer angemessenen Lagerhaltung auf, um Unterbrechungen der Produktion und Versorgung zu vermeiden. Auch die Suche nach alternativen Bezugsquellen sowie nach engeren Partnerschaften zwischen den Akteuren, die mit kritischen Rohstoffen befasst sind, spielt eine immer wichtigere Rolle. Bei derartigen Rohstoffen geht es neben der Verfügbarkeit oft auch um die politische Lage im Abbaugebiet sowie um Arbeits- und Umweltbedingungen, unter denen die Förderung stattfindet. Auch die Wiederverwendung kritischer Rohstoffe wird in diesem Zusammenhang immer wichtiger. Die COVID-19-Krise führte in vielen Regionen der Welt zu einer verschärften Auseinandersetzung mit der Organisation von Lieferketten, insbesondere dort, wo die Bezugsquellen für Rohstoffe und Zwischenprodukte sich stark auf wenige Länder konzentrieren. Der vor drei Wochen durch Russland begonnene Krieg in der Ukraine hat nicht nur eine humanitäre Katastrophe verursacht, sondern auch viele bisherige Überlegungen im Hinblick auf die Versorgung mit Rohstoffen infrage gestellt. Die Welt ist schon jetzt nicht mehr dieselbe wie vorher: Folgen werden abzuschwächen, Leid wird zu mindern und Zukunft wird neu zu denken sein. Die Präsidentin bedankte sich am Ende ihrer Ausführungen bei allen Referenten sowie bei den Organisatoren der Veranstaltung Reinhard O. Greiling (MLS) und Gerhard Pfaff (MLS) und wünschte der Tagung einen erfolgreichen Verlauf.
Nach der Eröffnung folgten im Verlauf der Tagung sechs Fachvorträge, die im ersten Teil von Gerhard Pfaff und im zweiten Teil von Reinhard O. Greiling moderiert wurden. Die Beiträge umfassten folgende Themen:
Christoph Hilgers (KIT Karlsruhe & Think Tank Industrielle Ressourcenstrategien): Rohstoffverfügbarkeit und Energiewende
Christoph Hilgers verdeutlichte in seinem Vortrag, dass die deutsche Energiewende und die damit assoziierte Mobilitätswende sowie der geplante Umbau des exportorientierten Industriestandorts Deutschland einen stark steigenden Rohstoffbedarf mit neuen Lieferketten bedingen. Gleichzeitig wird sich der Energie- und Rohstoffbedarf der Welt aufgrund steigender Weltbevölkerung und wachsendem Wohlstand weiter erhöhen. Da Rohstoffmengen und Anforderungen an Rohstoffqualität auch zukünftig nicht allein durch Recycling zu decken sind, werden neben Deutschland und der EU auch andere Länder, die die Energie- und Mobilitätswende sowie den Umbau der Industrie umsetzen wollen, Maßnahmen zur Deckung des Bedarfs implementieren müssen. Anlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energie benötigen etwa neunmal mehr (Erdgas vs. onshore Wind) und batteriebetriebene Autos etwa sechsmal mehr Rohstoffmenge als konventionelle Autos. Entsprechend müssen die Lagerstätten gefunden und die Jahresproduktion von Gewinnung, Verhüttung und Raffination je nach Element und Studie erhöht werden. So könnte allein für die Zukunftstechnologien wie neue Energietechnologien, Mobilität, Digitalisierung, Netzwerke und Wasserwirtschaft der Bedarf an Scandium 2040 um den Faktor 7,9 über der derzeitigen Jahresproduktion liegen (Ruthenium um den Faktor 19, Dysprosium und Terbium um den Faktor 6,9). Da die Rohstoffe eine hohe Länderkonzentration aufweisen und die Raffinade-Produktion hauptsächlich in China liegt, ist eine Diversifizierung mit resilienten Lieferketten herausfordernd. Grundsätzlich ist bei fortschreitender Innovation von Exploration und Gewinnung, Bergbau- und Aufbereitungstechnik ein geologischer Rohstoffmangel nicht absehbar. Die Recyclingquote kann erhöht, neue Technologien entwickelt und eine kurzfristige Lagerhaltung sichergestellt werden, wenn Verhüttung und Raffination zur Verfügung stehen. Dennoch wird die Verfügbarkeit von Energie und Rohstoffen eingeschränkt. Der Globalisierung einer vernetzten Wirtschaft, globalem Austausch von transportierten Gütern, von Kapital und von Menschen in einem freien Markt steht nun eine Änderung des globalen Machtgefüges mit zunehmenden nationalistischen und protektionistischen Entwicklungen gegenüber. Unterschiedliche Wirtschafts- und Gesellschaftsmodelle, geopolitische Machtansprüche, Handels- und Rohstoffstrategien könnten zu einer weiteren Fragmentierung der vernetzten Welt führen. Ob es Deutschland (ebenso der gesamten EU) neben zahlreichen Analysen und Studien gelingt, Bedingungen zu schaffen, auch zukünftig einer wettbewerbsorientierten Marktwirtschaft den Zugang zu Rohstoffen zu ermöglichen, bleibt abzuwarten.
Reimar Seltmann (MLS): Lithium for UK – Lithium for Europe: Research in Progress
In Abwesenheit von Reimar Seltmann hielt Axel Müller (MLS) den Vortrag in gekürzter Form. Das Element Lithium ist für alle bestehenden und in naher Zukunft zu erwartenden kommerziellen Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge und für eine effiziente Energiespeicherung unerlässlich. Es ist somit von entscheidender Bedeutung, dass sich die Lieferketten auf eine sichere, nachhaltige Beschaffung von Lithium konzentrieren, um die Batterieherstellung und die Null-Kohlenstoff-Ambitionen zu unterstützen. Ein wichtiges Ergebnis der jüngsten Forschung auf europäischer und speziell britischer Ebene ist, dass Cornwall in Südwestengland als eines der vielversprechendsten Gebiete für eine künftige Lithiumgewinnungs- und Produktionsindustrie identifiziert wurde. Das Projekt “Lithium for UK” (Li4UK) wurde in Auftrag gegeben, um die Durchführbarkeit der Produktion von Lithium in Batteriequalität aus britischen Quellen zu prüfen und das Potenzial für den Aufbau einer wichtigen neuen Industrie für Großbritannien zu bewerten. Derzeit wird der größte Teil des weltweiten Lithiums in Südamerika und Australien produziert und dann nach China verschifft, wo es zu Lithiumchemikalien für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verarbeitet wird. Diese Produktion ist mit einem hohen Kohlendioxidausstoß verbunden und bedeutet auch, dass die Batteriehersteller weltweit in hohem Maße von China abhängig sind, wenn es um ein Metall geht, das für die Energiewende hin zu einer grünen Wirtschaft von grundlegender Bedeutung ist. Von großer Bedeutung ist, dass es derzeit in ganz Europa keine kommerzielle Produktion von Lithium in Batteriequalität gibt. Die Ergebnisse des Konsortialprojekts (Li4UK), das von der Faraday Battery Challenge (FBC, UK Research & Innovation) finanziert wurde, sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung einer potenziell transformativen industriellen Aktivität in der Region Cornwall. Der im Rahmen des Li4UK-Projekts verfolgte Ansatz stützte sich auf die Erfahrungen der Konsortiumsmitglieder in verschiedenen lithiumbezogenen Disziplinen. Im Rahmen des Projekts wurde erfolgreich hochreines Lithiumkarbonat aus zwei britischen Quellen gewonnen – eine aus dem Trelavour-Projekt von Cornish Lithium in Cornwall und eine weitere aus einem Pegmatit in Schottland. In beiden Fällen handelt es sich um die erste bekannte Produktion von Lithiumkarbonat aus britischen Hartgesteinsquellen, was für die britische Wirtschaft von großer Bedeutung ist. Der Durchbruch im Projekt wurde bereits nach 18 Monaten erzielt. Die Li4UK-Studie unterstützte zugleich die Umweltinitiativen der britischen Regierung, indem sie die Möglichkeit der Gewinnung von Lithium aus dem Vereinigten Königreich für die heimische Automobil- und Batterieindustrie aufzeigte. Die Untersuchungen während der Studie haben es ermöglicht, Cornwall als potenzielle britische Region für eine Konversionsanlage zu identifizieren und ein Verständnis für die Produktqualität zu erlangen, die von Batterieherstellern benötigt wird, um ihren Bedarf zu decken.
Jens C. Grimmer (GeoThermal Engineering GmbH Karlsruhe): Lithiumextraktion aus Geothermalwässern im Oberrheingraben
Der Vortrag von Jens C. Grimmer zeigte auf, dass die derzeitige Produktion von Lithium auf der Erde überwiegend ausgehend von Salzsee-Solen arider Gebiete orogener Hochplateaus wie dem Altiplano-Puna Plateau (Chile, Argentinien, Bolivien) und dem Qaidam-Tibet Plateau (China) erfolgt. Ein weiterer Weg der Lithiumgewinnung ist die Aufbereitung aus Festgesteinen gut aufgeschlossener pegmatitreicher Granitgebiete (Australien, Kanada, Simbabwe u.a.). Die deutsche Lithium-Importquote beträgt derzeit 100 %. Ein neues Verfahren zur heimischen Produktion von Lithium bieten die Geothermie-Kraftwerke im Oberrheingraben. Für eine wirtschaftliche Produktion bieten sich anlageninterne technisch-energetische Ressourcen in einem integrierten Kreislaufbetrieb unter Ausnutzung hoher Fließraten an, wobei unerwünschte chemische Ausfällungen und damit verbundener Entsorgungsaufwand minimiert werden. Die Lithium-Konzentrationen liegen zwischen 150 ppm und 200 ppm und bilden mit den jeweils erzielbaren Fließraten in den derzeit fünf aktiven Geothermie-Anlagen des Oberrheingrabens (Bruchsal, Insheim, Landau, Rittershoffen, Soultz-sous-Forêts) ein jährliches Gesamtpotenzial von ca. 1500 Tonnen an gewinnbarem elementarem Lithium, entsprechend ca. 8000 Tonnen Lithiumkarbonat. Eine heimische Lithiumproduktion würde globale Abhängigkeiten reduzieren und den Aufbau europäischer Wertschöpfungsketten ermöglichen. Alterationsexperimente von Granitoiden mit hochsalinaren Lösungen deuten auf eine Herkunft des Lithiums sowie weiterer Elemente aus Fluid-Gesteinswechselwirkungen hin.
Rainer Herd (TU Cottbus-Senftenberg): Aerogeophysikalische Rohstofferkundung in der Mongolei – ein Projekt im Rahmen der Deutsch-Mongolischen Rohstoffpartnerschaft
Im Mittelpunkt des Vortrags von Rainer Herd stand ein Multisensor-Airborne-Erkundungssystem auf der Basis eines Ultraleichtflugzeugs, dass der Lehrstuhl Rohstoff- und Ressourcenwirtschaft der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg gemeinsam mit internationalen Partnern entwickelt hat. Im Rahmen der “Deutsch-Mongolischen Rohstoffpartnerschaft” wurde dieses Flugsystem für Rohstofferkundungen in die Mongolei transportiert und dort für umfangreiche Untersuchungen eingesetzt. Im Verlauf des Projekts hatte das Projekt-Team mit unterschiedlichen technischen, administrativen und klimatischen Bedingungen zu kämpfen. Während der Untersuchungskampagne 2019 wurden 2000 Linienkilometer in zwei Gebieten (Zentralgobi und Hangai-Gebirge) vermessen. Die Ergebnisse zeigen, dass luftgestützte Rohstofferkundungen mit einem Ultraleichtflugzeug in der Mongolei möglich und gleichzeitig kostengünstig sind.
Axel Müller (MLS): Vorstellung, Arbeit und erste Resultate des H2020 GREENPEG Rohstoffexplorationsprojektes
Das von Axel Müller vorgestellte GREENPEG-Projekt, das vom Horizont 2020 Programm der Europäischen Kommission “Klimaschutz, Umwelt, Ressourceneffizienz und Rohstoffe” finanziert wird, hat das Ziel, multimethodische Explorationswerkzeuge und -abläufe zur Identifizierung von europäischen, oberflächennahen Pegmatit-Lagerstätten zu entwickeln. Das Konsortium des viereinhalbjährigen Projektes, das im Mai 2020 startete, umfasst drei Explorationsdienste und Bergbaubetreiber, einen staatlichen geologischen Dienst, drei Beratungsunternehmen und fünf akademische Forschungs- und Lehrinstitute aus acht europäischen Ländern. Das Naturkundemuseum der Universität Oslo koordiniert das Projekt. Zielrohstoffe von GREENPEG sind Lithium, hochreiner Quarz und metallisches Silizium, keramischer Feldspat, Seltenerdenelemente, Tantal, Beryllium und Cäsium, die in der Natur in Pegmatiten konzentriert sind. Silizium und Lithium sind momentan zwei der gefragtesten Metalle für die Realisierung von grünen Technologien, da diese Elemente für die Photovoltaik bzw. die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar sind. Bisher wurden keine Explorationsstrategien für Pegmatit-Erzlagerstätten entwickelt, da die ökonomische Nachfrage gering war. Darüber hinaus gab es aufgrund technischer Herausforderungen eine extrem niedrige Entdeckungsrate für Pegmatit-Lagerstätten. Im Rahmen von GREENPEG werden neue Werkzeuge entwickelt bzw. konventionelle Methoden angepasst. Diese werden für die Untersuchung von verschiedenen Pegmatit-Typen in unterschiedlichen geographischen Umgebungen angewendet, um den Explorationserfolg zu erhöhen und die ökologischen und sozialen Auswirkungen zu verringern. Die entwickelten Methoden werden für die Kommerzialisierung an drei europäischen Demonstrationsstandorten getestet und optimiert. Die ausgewählten Standorte sind Wolfsberg in Österreich, Süd-Leinster in Irland und Tysfjord in Norwegen. GREENPEG ist ein Pionierprojekt, das den Fokus der Explorationsstrategien und -technologien von großvolumigen Erzen geringer Qualität hin zu kleinvolumigen Erzen hoher Qualität richtet. Dieser Vortrag erläuterte den methodischen Ansatz von GREENPEG und bot zudem einen Ausblick auf das grüne Technologiezeitalter aus der Perspektive des GREENPEG Konsortiums.
Hennes Obermeyer (MLS): Die sichere Endlagerung wärmeerzeugender Nuklearabfälle
Der Vortrag von Hennes Obermeyer behandelte die notwendige sichere Ablagerung radiotoxischer Abfälle. Die Schwierigkeit bei der Endlagerung besteht vor allem darin, dass technische Maßnahmen über den geforderten Sicherungszeittraum von einer Million Jahre nicht ausreichend evaluiert werden können. Zudem fehlt bisher ein schlüssiges Konzept der geologischen Barriere. Nach Jahrzehnten erfolglosen Experimentierens mit ungeeigneten Deponierungsmethoden (Asse-II) in ungeeigneten Barriere-Situationen (Asse-II, Schacht Konrad, Salzstock Gorleben) ist mit dem Standortauswahlgesetz vom 5. Mai 2017, welches das mehrstufige Verfahren für die Suche nach einem Endlager für langlebige wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle regelt, erstmals ein Kriterienkatalog für die Anforderungen an eine geologische Barriere aufgestellt worden. Es ist jedoch abzusehen, dass die Anforderungen dieses Gesetzes für eine Umsetzung auf deutschem Gebiet nicht erfüllt werden können. Kombiniert man die Forderung nach mächtigen Steinsalzformationen geringpermeabler Gebirgsdurchlässigkeiten mit einem geologischen Untergrund, der sich die nächsten Millionen Jahren nicht hebt, so drängen sich an großen Blattverschiebungen orientierte Pull-Apart-Strukturen als Lösungsansatz förmlich auf.
Bei dem an der Aqaba-Levante-Blattverschiebung orientierten Tote-Meer-Pull-Apart sind die Voraussetzungen für die Ablagerungen kritischer Abfälle so ideal, dass diese als „Goldstandard“ für eine geologische Barriere betrachtet werden kann. Die Aqaba-Levante-Blattverschiebung stellt eine durch die Gegenuhrzeiger-Bewegung der arabischen Halbinsel seit dem Oligozän aktive sinistrale Blattverschiebung mit einem nachgewiesenen Versatz von 106 km dar. An jedem Linksversatz der Blattverschiebung sind transtensive Pull-Aparts entstanden, deren Randstörungen die Erdkruste vollständig durchschlagen und das Beckeninnere bis in große Tiefen absenken. Im Toten Meer-Becken findet sich unter den bis zu 4000 m mächtigen tonig-mergeligen Sedimenten der Amora-, oder Lisan-Formation das Salinar der Sedom-Formation. In dem auf jordanischer Seite gelegenen Sedom-Diapir wurde das Salinar in Bohrungen bis zu 4430 m erkundet ohne die Liegendgrenze zu erreichen. Die seismische Liegendgrenze liegt zwischen 5200 und 7000 m. Bei einer Höhenlage des Toten Meeres von 400 m unter dem Meeresspiegel ist das Tote Meer sowohl die Vorflut für alle Oberflächengewässer, als auch für das Grundwasser. Allein der geringe Wärmefluss von 30 bis 50 mW/m² zeigt, dass kein Grundwasser, sondern lediglich Formationswasser vorhanden ist. Selbst innerhalb des Fluidkörpers der Tote Meer-Sole findet infolge der Dichtegradienten keine Durchmischung statt. Das Tote Meer-Becken stellt somit unter den beschriebenen tektonischen, lithologischen, hydrogeologischen und orographischen Bedingungen den optimalen Zustand einer geologischen Barriere dar.
Der außerdem vorgesehene Beitrag „Mineral Systems Analysis – von der Entstehung der Freiberger Silbergänge zur Entwicklung innovativer Explorationsvektoren“ von Mathias Burisch (Institut für Mineralogie, TU Bergakademie Freiberg; Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie) musste wegen Krankheit des Autors entfallen.
Es ist vorgesehen, die Vorträge im Laufe des Jahres 2022 in einem Band der „Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät der Wissenschaften“ (https://leibnizsozietaet.de/publikationen/sitzungsberichte/) zu publizieren.
Bericht: Gerhard Pfaff, Reinhard O. Greiling
Fotos: Gerhard Pfaff