Rohstoffknappheit und Ressourceneffizienz

Dr. Ramona Langner

Der jährliche globale Verbrauch an natürlichen Ressourcen wie Bau- und Industriemineralen, Erzen, fossilen Energieträgern und Biomasse steigt rasant an und verdoppelte sich zwischen den Jahren 1979 und 2009 von rund 35 auf fast 70 Milliarden Tonnen. Grund dafür sind eine wachsende Weltbevölkerung, aber auch ein zunehmender Wohlstand in weiten Teilen der Welt. Insbesondere die wirtschaftliche Entwicklung der Schwellenländer führte durch den zusätzlichen Ressourcenbedarf zu einer teilweisen Rohstoffverknappung sowie zu einem Anstieg des Preisniveaus, mit enormen Auswirkungen auf die Versorgung der deutschen Wirtschaft mit natürlichen Ressourcen. Gleichzeitig führt eine übermäßige Nutzung natürlicher Ressourcen zu erheblichen Umweltbeeinträchtigungen bei der Gewinnung von Rohstoffen sowie ihrer Verarbeitung, Nutzung und Entsorgung.

Während Deutschland einen Reichtum an Baustoffen wie Sand, Kies und Natursteinen aufweist, ist das Land stark vom Import von Metallerzen abhängig. Dies gilt insbesondere für die sogenannten Seltenen Erden, eine für eine Vielzahl von Hochtechnologien benötigte Elementgruppe. Seit einigen Jahren steigt der Preis metallischer Rohstoffe beträchtlich, nicht nur bei den Seltenen Erden oder Platingruppenmetallen, sondern auch bei Massenmetallen wie Eisen und Kupfer. Zum einen belastet das industrielle Bereiche, die einen hohen Bedarf an einzelnen Ressourcen aufweisen. Andererseits hat die Einführung neuer – insbesondere „grüner“ – Technologien in vielen weiteren Industriesparten zu einem breit gefächerten Einsatz seltenerer Rohstoffe geführt. Diese werden zwar nur in geringen Mengen benötigt, lassen sich aber üblicherweise nicht durch andere Rohstoffe ersetzen und sind damit ebenfalls versorgungskritisch.

Ein Grund für die beobachtete Verknappung liegt in der Art der geologischen Verfügbarkeit bestimmter Rohstoffe. Einige Metalle wie Indium und Silber weisen nur eine geringe Häufigkeit in der Erdkruste auf oder sind nur an wenigen Stellen genügend angereichert, um wirtschaftlich sinnvoll abgebaut zu werden. Die statistische Reichweite aller Industriemetalle beträgt aktuell zwar noch mindestens 100 Jahre und wird zum Teil noch deutlich höher eingeschätzt. Sie berechnet sich aber nicht nur aus bekannten und gewinnbaren Reserven, sondern auch aus Ressourcen, die entweder aktuell aus technischen oder aus wirtschaftlichen nicht abbaubar sind, oder aufgrund geologischer Gegebenheiten vermutet werden, aber noch nicht prospektiert wurden. Auch wird die statistische Reichweite aus dem aktuellen Verbrauch berechnet und trägt damit nicht eventuellen zukünftigen Verbrauchssteigerungen Rechnung. Zudem können Rohstoffe wie Kupfer, die eigentlich in ausreichender Menge vorhanden sind, an denen aber phasenweise ein hoher Bedarf besteht, durch Förderengpässe kurzzeitig nur begrenzt zur Verfügung stehen. Durch den stark steigenden Rohstoffbedarf wird ihr Abbau zunehmend auch in Abbaustätten mit geringer Rohstoffkonzentration lukrativ. Gleichzeitig werden Lagerstätten erschlossen, die in schwer zugänglichen und bisher nur wenig durch den Menschen geprägten Gebieten wie Grönland liegen. Daraus resultieren ein höherer Material- und Energieverbrauch für Abbau und Transport sowie eventuell weitreichende ökologische Folgen.

Auch wirtschaftliche oder politische Entwicklungen können Grund für eine Verknappung und Verteuerung von Rohstoffen sein. Oftmals sind in die Förderung bestimmter Rohstoffe nur wenige große Bergbauunternehmen involviert, oder die Abbaustätten sind in nur wenigen Förderländern konzentriert. Ein viel genanntes Beispiel sind die Erze der Seltenen Erden. Diese weisen zwar insgesamt eine ausreichende Häufigkeit in der Erdkruste auf, sind aber nur an wenigen Stellen abbauwürdig konzentriert. Lange wurden die Elemente nur für Nischenanwendungen benötigt und waren günstig zu erwerben, weshalb Minen als unrentabel geschlossen wurden. Mittlerweile werden Seltenerdelemente fast ausschließlich in China gefördert oder aufbereitet. Zugleich werden diese Elemente für eine Vielzahl neuer Hochtechnologien verwendet. Über Exportkontrollen und –beschränkungen kann so politischer und wirtschaftlicher Druck ausgeübt werden. Ein anderes Beispiel stellen Eisenerze dar, die zu einem Großteil in China, Australien und Brasilien gefördert werden. Die Minen anderer bedeutender Metallerze, wie die von Kobalt oder Lithium, befinden sich in Gebieten mit instabilen politischen Verhältnissen, was eine langfristige Planung der Versorgung ebenfalls erschwert.

Aus den genannten Gründen werden verschiedenste Maßnahmen ergriffen, um den Nachschub an dringend benötigten Rohstoffen auch in Zukunft sicherzustellen. Unternehmen selbst bemühen sich um eine verstärkte Rückintegration des Bergbaus in die Produktion, entweder durch Partnerschaften mit Rohstofflieferanten, durch Aufkauf entsprechender Unternehmen oder durch eigene Fördertätigkeiten, vorzugsweise innerhalb Deutschlands. Entsprechende Prospektionsaktivitäten sind insbesondere im Erzgebirge zu bemerken. Für kleinere und mittlere Unternehmen ist das jedoch finanziell nicht durchführbar, weshalb ein Aktionsplan zur Gründung einer deutschen Rohstoffeinkaufsgemeinschaft erstellt wurde. Von Seiten der Politik wurde 2010 die Deutsche Rohstoffstrategie verabschiedet sowie die Deutsche Rohstoffagentur (DERA) innerhalb der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Bergbau (BGR) gegründet, um die deutsche Wirtschaft durch Beratungs- und Förderprogramme zu unterstützen. Auf europäischer Ebene hat die Europäische Kommission in den Jahren 2008 und 2011 Rohstoffstrategien veröffentlicht. Gleichzeitig kommt es in einzelnen Ländern zu einem Aufbau von Reserven an strategisch bedeutenden Metallen. Herkömmliche Prognosemethoden sind bisher nur ungenügend geeignet, zukünftigen Bedarf und Preisentwicklung abzuschätzen. Neue interdisziplinäre Ansätze, die beispielsweise auf der Szenariotechnik basieren, sollen hier Abhilfe schaffen.

Parallel dazu wird schon seit geraumer Zeit versucht, den Rohstoffbedarf durch eine verstärkte Ressourceneffizienz zu senken. Einsparmöglichkeiten bieten sich hier durch eine effizientere Nutzung von Rohstoffen in Produkten und Prozessen, aber auch durch eine Substitution kritischer Rohstoffe durch solche mit einer größeren Verfügbarkeit und/oder einer höheren Preisstabilität. Eine weitere Möglichkeit stellt die Nutzung von durch Recycling erhaltenen sogenannten Sekundärrohstoffen dar.

Ein Beispiel für eine effizientere Nutzung von Rohstoffen ist die Verringerung des Gehalts an Spurenelementen in Legierungen. Diese werden zugesetzt, um Mikrostruktur, Prozessierbarkeit oder andere Faktoren zu verbessern. Die Auswirkungen solcher Fremdatome auf Phasenumwandlungen, Korngrenzensegregation und weitere Phänomene sind jedoch meist nur ungenügend verstanden, so dass kaum abgeschätzt werden kann, um wie viel sich ihr Anteil verringern ließe, ohne Qualitätseinbußen zu riskieren. Ein größeres Verständnis der wirkenden Mechanismen würde es nicht nur ermöglichen, weniger Rohstoffe einzusetzen, sondern auch, vermehrt aufbereitete Sekundärrohstoffe mit einer geringeren Reinheit zu verwenden. Noch weiter führt die Substitution kritischer Elemente durch andere, unkritische Rohstoffe. Auch hier ist oft noch ein größeres Verständnis der exakten Funktion des zu ersetzenden Elements notwendig. Wünschenswert wäre es, nicht nur dauerhaft ein Element durch ein anderes zu ersetzen, sondern flexible Formeln zu finden, um je nach Rohstoffangebot und Preisentwicklung unterschiedliche Ausgangsstoffe einsetzen zu können. Eine weitere Alternative in einem allgemeineren Rahmen stellt das Ersetzen abiotischer Rohstoffe durch biotische, d.h. nachwachsende, Rohstoffe dar. Beispiele hierfür sind Dämmstoffe im Bauwesen oder der Ersatz metallischer Katalysatoren durch Enzyme in der chemischen Industrie. Einschränkend könnte jedoch auch hier die Verfügbarkeit entsprechender Anbauflächen und eine mögliche Konkurrenz zum Anbau von Lebensmitteln wirken.

Ein weiteres großes Themengebiet stellt die Verwendung von so genannten Sekundärrohstoffen dar, die beim Recycling von Altmaterial anfallen. Der aktuelle Stand der Entwicklung auf dem Gebiet des Recycling ist je nach Werkstoffklasse extrem unterschiedlich ausgeprägt. Allgemein machten im Jahr 2010 die Sekundärrohstoffe rund 10 % des Rohstoffeinsatzes der deutschen Industrie aus. Bei Gläsern liegt die Recyclingquote bei 94 %, bei Stählen ungefähr bei 45 %. Global werden 30-35 % des Bedarfs an Aluminium

und Kupfer durch Schrotte gedeckt, was neben der Vermeidung von Abraum und Umweltverschmutzung den zur Herstellung dieser Rohstoffe notwendigen Energieverbrauch enorm senkt. Nanomaterialien als solche werden dagegen bisher noch gar nicht wiederverwertet, und auch das Recycling von Verbundwerkstoffen stellt häufig noch ein ungelöstes Problem dar. Trotz aller Anstrengungen landen in der EU derzeit fast drei Milliarden Tonnen hochwertiger Stoffe auf Müllhalden oder werden in Verbrennungsanlagen als so genanntes quaternäres Recycling energetisch verwertet. Dadurch gehen aber dringend benötigte Ressourcen ungenutzt verloren.

In den letzten Jahren setzte verstärkt eine Entwicklung ein, den Bereich an verfügbaren Recyclingquellen auszudehnen. Unter dem Stichwort „Urban Mining“ wird die gesamte städtische Gesellschaft als Rohstoffmine gedacht und analog zu natürlichen Lagerstätten prospektiert. Das beinhaltet beispielsweise die Einführung neuer Pfand- und Rücknahmesysteme zur Erhöhung der Rücklaufrate von Ressourcen oder die erneute Analyse bereits vorhandener Halden, die mit heutigen technischen Möglichkeiten abbaubare kritische Rohstoffe enthalten könnten.

Zumeist bedeutet Recycling im Augenblick noch eine Abwertung der Rohstoffe, d.h. Sekundärrohstoffe weisen einen geringeren Gütegrad auf als die originären Rohstoffe und kommen damit nur für einen minderwertigeren Einsatzzweck als den ursprünglichen in Frage (Downcycling). Ein Grund dafür ist in den teils sehr energieaufwändigen und ineffizienten Recyclingverfahren zu suchen. Aber auch die chemische Zusammensetzung von Produktkomponenten kann eine Wiederverwendung erschweren oder gar unmöglich machen. So müssten Nickellegierungen bei der Aufbereitung zunächst von Schwefel befreit werden, um die Bildung niedrig-schmelzender Nickelsulfide während einer erneuten Verarbeitung zu vermeiden. Hier wird zum Teil bereits Abhilfe geschaffen, indem schon während des Designprozesses für ein neues Produkt eine effiziente Ressourcenverwertung nach dessen Verwendung berücksichtigt wird (Design for Recycling). Zum einen sollen unterschiedliche Komponenten so angeordnet und verbunden werden, dass eine leichte Auftrennung in die verschiedenen Stoffklassen gewährleistet werden kann. Ein Beispiel sind elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge oder ähnliches deren Batterien oder Akkus sich ohne aufwändige und energieintensive Prozesse vom restlichen Gerät trennen und einer Weiterverarbeitung zuführen lassen. Aber auch die chemische Zusammensetzung einzelner Stoffklassen selbst wird zunehmend nicht nur für den aktuellen Einsatzzweck optimiert, sondern so geplant, dass auch weitere Verwendungen des späteren Abfalls möglich sind.

Zukünftig ist mit der Entwicklung von einer Vielzahl neuer Aufbereitungsprozesse zu rechnen, die mit einem möglichst geringen Einsatz von Energie und Material auch komplexe Stoffgemische aufzutrennen vermögen. Ein Forschungsgebiet ist beispielsweise die Trennung von Seltenerdmetallen von Massenmetallen wie Eisen oder Kobalt unter anderem zur Aufbereitung von Neodym-Eisen-Bor- oder Samarium-Kobalt-Permanentmagneten. Während der Schwerpunkt des Recyclingprozesses zurzeit noch auf dem Durchsatz großer Massen liegt, wird es zukünftig unumgänglich sein, ressourceneffizient zu recyceln und je nach Bedarfslage den Fokus auf einzelne Rohstoffe zu legen. Da sich die komplexen Stoffgemische bislang nicht beliebig aufbereiten lassen, ist eine präzise Planung notwendig, die festlegt, welche Rohstoffe aktuell gewonnen werden sollen. Ein gesellschaftlicher Trend ist die gezielte Nutzung von Abfällen zur Produktion hochwertiger Alltagsgüter (Upcycling). Dabei werden beispielsweise aus Holz-, Stoff- und Kunststoffabfällen Designermöbel oder ‑kleidungsstücke oder auch Elemente für das Interiordesign hergestellt.

Noch weiter führt das „Cradle-to-Cradle“-Konzept (C2C, „Von der Wiege zur Wiege“) des deutschen Chemikers und Verfahrenstechnikers Michael Baumgart und des US-amerikanischen Architekten William McDonough. Es soll das gerade in Deutschland weit verbreitete „Cradle-to-Grave“-Denken („Von der Wiege zur Bahre“) ablösen, bei dem der Großteil der Produkte nach ihrer Verwendung nicht wieder aufbereitet und höchstens energetisch verwertet wird. Beim C2C-Konzept sollen aber nicht nur einzelne Produkte auf ihre Recyclingfähigkeit hin optimiert werden, sondern hier wird der gesamte Stoffkreislauf als Einheit gesehen, sodass weder Abfälle anfallen noch Ressourcen verschwendet werden. Das Konzept lehnt sich an natürliche Systeme an, wo jeglicher Abfall – beispielsweise abgestorbene Pflanzen – als Nahrung für andere Organismen dient und so dem System erhalten bleibt. Entsprechend sollen sämtliche Produktkomponenten entweder vollständig biologisch abbaubar sein, oder ihre Herstellung und ihr Design müssen es ermöglichen, dass sämtliche Ressourcen in einer stetigen Kreislaufwirtschaft immer wieder aufbereitet und für denselben oder für andere Zwecke weiterverwendet werden können. Neben der Ressourcenschonung böte das den positiven Nebeneffekt, dass keinerlei Giftstoffe in die Umwelt gelangen könnten. Auch die benötigte Energie soll ausschließlich nachhaltig erzeugt werden, insbesondere durch den Verzicht auf eine Verbrennung fossiler Energieträger. Ein weiterer Aspekt ist das Verleihen von Dienstleistungen anstelle eines Verkaufs von Produkten. Konsumenten sollen sich im C2C-Konzept keine Geräte, Möbelstücke etc. kaufen, sondern sie nur für eine bestimmte Zeit verwenden und danach an den Hersteller zurückgeben können. Dieser verbleibt damit im Besitz der verwendeten Rohstoffe und muss diese nicht erneut teuer einkaufen. Bisher sind noch relativ wenige Unternehmen C2C-zertifiziert, bei denen es sich größtenteils um kleinere und mittlere Unternehmen handelt. Tendenziell vergrößert sich der Teilnehmerkreis aber stetig, und auch Produzenten von Massenware beteiligen sich mittlerweile an dem Projekt.

Auch wenn bisher schon vielversprechende Erfolge erreicht worden sind, hinkt Deutschland auf dem Gebiet der Rohstoffeffizienz und der Rohstoffversorgung anderen Ländern hinterher. Zwar ist aufgrund von gesellschaftspolitischen wie auch wirtschaftlichen Entwicklungen ein Umdenken hin zu nachhaltig und ökologisch produzierten Gütern erkennbar. Viele Unternehmen scheuen aber bisher noch den Aufwand, der mit einer Umstellung verbunden wäre. Dabei ließen sich nach Berechnungen des Bundesumweltamtes die Materialkosten der gewerblichen Wirtschaft um ein Fünftel reduzieren. Aber auch die Verbraucher sind hier in der Verantwortung, entscheidet doch ihr Konsumverhalten ebenfalls über die Nutzung von Rohstoffen. Angesichts ihres Ausmaßes ist die Wendung hin zu mehr Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz eine Aufgabe, die nur gesamtgesellschaftlich gelöst werden kann und in Anbetracht der stetigen Verknappung von Rohstoffen und anhaltender Umweltbelastungen verstärkt behandelt werden sollte.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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