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Seltene Metalle für die Hightech-Industrie –
Konflikte sind vorgezeichnet

Ob LCD-Displays, Elektroautos oder Handys, für alle diese Produkte sind spezielle Metalle notwendig. Gallium, Neodym oder Indium sind bereits heute stark im Kommen. In Zukunft wird die Nachfrage noch deutlich steigen. Schwellenländer wie China wissen, dass sie ihre Exporte langfristig nicht mit Billigprodukten bestreiten können. Deshalb rüsten sie sich, die Hightech-Märkte des 21. Jahrhunderts zu besetzen.

Knappheiten bei seltenen Metallen resultieren in den folgenden Jahren weniger aus einer Erschöpfung der Lagerstätten, sondern aus monopolartig organisierten Märkten. Am Beispiel Neodym, das für starke Magneten in Elektromotoren gebraucht wird, wird deutlich, dass die Massenproduktion von Elektrofahrzeugen keineswegs gesichert ist. Konflikte sind vorgezeichnet. Eine unabhängige internationale Rohstoffagentur könnte helfen, Spannungen zu mindern.

Die Studie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien", als Grundlage dieses Beitrags, liefert zugleich Basiswissen für ein Schwerpunktthema von FAKTOR X: Welche Rohstoffe benötigt die Effizienzrevolution? Ist die Energiewende aus Ressourcensicht überhaupt machbar? Welche Materialien sind beispielsweise für Elektroautos notwendig? Dies sind einige der Fragen, denen sich die Aachener Stiftung in den folgenden Monaten widmen wird.

Technologie treibt Ressourcennachfrage

Technologie treibt Geschichte. Sicher nicht allein, aber sie eröffnet Möglichkeiten, wie wir uns ernähren und wohnen, wie wir Energie erzeugen, uns fortbewegen, kommunizieren, lernen oder entspannen. Das beste Beispiel aus der Geschichte ist vielleicht die industrielle Revolution mit Dampfmaschine und Eisenbahn.  Technische Systeme haben auch in Zukunft direkte Auswirkungen auf den Umfang und die Art und Weise des Ressourcenverbrauchs.

"Rohstoffe für Zukunftstechnologien"  heißt der Titel einer Studie, die 32 Zukunftstechnologien auf ihren möglichen Ressourcenbedarf hin analysiert. Der Schwerpunkt liegt dabei nicht auf Massenrohstoffen (commodities) wie Eisen, Stahl, Kupfer und Chrom, sondern auf seltenen Metallen und halbmetallischen Rohstoffen wie Gallium, Neodym, Indium, Germanium und Scandium. Auch wenn diese Rohstoffe oft nur in geringem Umfang genutzt werden, könnte die europäische Industrie durch Knappheiten bei kritischen Metallen durchaus in Mitleidenschaft gezogen werden.  In diesem Sinne will die Studie dazu beitragen, ein Frühwarnsystem für die Hightech-Industrie zu entwickeln.

Neben der technologischen Entwicklung wirkt als zweiter Treiber bei der Rohstoffnachfrage das allgemeine Wirtschaftswachstum. Vor allem die Dynamik der chinesischen Volkswirtschaft hat einen Boom bei der Rohstoffnachfrage ausgelöst und während der vergangenen Jahre zu einem erheblichen Anstieg der Preise geführt. Während sich das Wachstum der Weltwirtschaft insbesondere bei den commodities niederschlägt, dürfte die Nachfrage der Spezialmetalle in erster Linie durch den technischen Fortschritt angestoßen werden. Bei den Platinmetallen, Tantal, Silber, Titan und Kobalt wirken beide Treiber zusammen.

Gehen uns die Metallrohstoffe aus?

Ähnlich wie beim Erdöl laufen wir bei einigen Metallen in absehbarer Zeit in eine Peak-Problematik hinein.  Indium könnte zwischen 2015 und 2020 seinen Förderhöhepunkt erreicht haben. Und Gallium hat den Produktionspeak möglicherweise schon überschritten.  Bei vielen anderen metallischen Rohstoffen sind die ergiebigen Förderstätten bereits erschöpft. Die Konzentration der Erze, die heute verarbeitet werden, ist bereits deutlich geringer, entsprechend Energie-aufwändiger ist die Gewinnung.

Die Turbulenzen auf den Märkten in den vergangenen Jahren, insbesondere bei den Metallen, waren in erster Linie aber nicht durch Erschöpfung der Vorkommen, sondern ökonomisch bedingt. Auslöser war die bereits angesprochene gesteigerte Nachfrage aus den Schwellenländern. „Die statische Ressourcenreichweite von Chrom beträgt 600 Jahre, von Titan 280 Jahre, von Kobalt 220 Jahre, der Platinmetalle 190 Jahre, und trotzdem sind die Preise dieser Metalle hoch volatil.“

Durch die Finanz- und Wirtschaftskrise ist die Nachfrage nach Ressourcen deutlich zurückgegangen, was sich wiederum in sinkenden Preisen bemerkbar macht. Daraus darf man allerdings nicht den Schluss ziehen, dass die globale Ressourcennachfrage ihren Höhepunkt bereits überschritten hat. Im Gegenteil.
Die Basisstudie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien" mit ihrem Fokus auf der Technologie-getriebenen Nachfrage trägt dazu bei, mögliche Engpässe und daraus resultierende politische Spannungen auszuloten. Der Zeithorizont ist 2030.

Knappzeit-Kriterien

Das Institut der Deutschen Wirtschaft nennt vier Kriterien, die für die Sicherheit der Versorgung der Ökonomie ausschlaggebend sind:

Wenn

1.    die Mindestreichweite der Vorkommen bei gleichem Verbrauch weniger als 30 Jahre beträgt,
2.    sich mehr als 66 Prozent der Vorkommen auf drei Länder konzentrieren,
3.    sich mehr als 45 Prozent der Vorkommen auf drei Unternehmen konzentrieren,
4.    ein Stoff im Produktionsprozess nur schwer zu ersetzen ist.

Eine besonders kritische Versorgungslage ist aus Sicht des Instituts der Deutschen Wirtschaft gegeben,

„wenn in drei der vier Risikokategorien kritische Werte erreicht werden – dies trifft momentan etwa auf die Metalle Chrom, Molybdän und Niob zu, die allesamt zur Herstellung von Edelstahl nötig sind. Hinzu kommen das für Kondensatoren und in der Medizintechnik verwendete Tantal, das für die Keramikindustrie bedeutsame Zirkon sowie Platin, Palladium und Rhodium. Die drei so genannten Platinmetalle werden vor allem in der Chemie, der Medizin und der Schmuckherstellung eingesetzt. Alle diese Stoffe werden nur von wenigen Ländern und Unternehmen angeboten. Nach heutigem Stand der Forschung und Technik sind sie kaum austauschbar. Das sehr seltene Tantal wird zudem bei gleich bleibendem Verbrauch nur noch 29 Jahre lang reichen.“

Konflikte sind vorgezeichnet

Die Verletzbarkeit der Industrie in rohstoffarmen Ländern wie Deutschland wird noch dadurch erhöht, dass bestimmte metallische Rohstoffe häufig nur über  so genannte vergesellschaftete Vorkommen in Erzen erschlossen werden können.  

„Steigt der Bedarf nach einem Metall stark an, so ändert sich das gesamte Wertschöpfungs- und Preisgefüge von Haupt-, Kuppel- und Nebenprodukten. Vergesellschaftet kommen beispielsweise die für die Technologieentwicklung wichtigen Metalle der seltenen Erden vor, darunter Scandium und Neodym. Indium, ein extrem knapper Rohstoff, wird als Koppelprodukt von Zink gewonnen. Die Schließung der japanischen Zinkhütte Toyoha im Jahre 2006 verringerte das Indiumangebot deutlich, mit entsprechenden Preisreaktionen.“

Marktüblich bei den angesprochenen Ressourcen sind auch lange Lieferverträge. Entsteht dann ein weiterer Bedarf, sind die Nachfrager auf den Spotmarkt angewiesen. Und dort sind Preis-treibende Spekulationsgeschäfte an der Tagesordnung.
Zusammengenommen sind die Knappheitsrisiken für High tech-Rohstoffe erheblich. Internationale Konflikte sind aus Sicht des Wissenschaftlichen Direktors des Instituts für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT), Rolf Kreibich vorgezeichnet:

„Wir wissen also ganz genau: die Metalle, insbesondere die seltenen Metalle, auch die seltenen Erden, werden insofern knapp, als möglicherweise nur wenige auf den Säcken sitzen, wo sie produziert oder rezykliert werden... Deshalb brauchen wir eine Internationale Ressourcenagentur, die möglichst unabhängig ist und versucht, fair zwischen den Ländern Ausgleiche zu schaffen.“

Zukunftstechnologien und Faktor X

So wichtig die Versorgungssicherheit der Industrie, insbesondere mit Metallen, Mineralien und Energie auch ist, gibt es in diesem Zusammen doch einen weiter reichenden Gesichtspunkt: die Folgen des Ressourcenverbrauchs für die Ökosysteme. Im Kern geht es dabei um die Gesamtheit der von Menschen ausgelösten Stoffströme und die damit einher gehenden Schädigungen der Ökosysteme. Letztlich also die Frage: Wird es gelingen, einen zukunftsfähigen stofflichen Austausch (Metabolismus) zwischen Mensch und Natur zu etablieren?

Bei der Gewinnung von Kupfer werden enorme Stoffströme ausgelöst, für 1kg Kupfer werden rund 500 kg Material bewegt. So groß ist nämlich der ökologische Rucksack des Materials. Bei Edelmetallen sind die Dimensionen noch deutlich größer. Der typische Gehalt in einer südafrikanischen Goldmine beträgt fünf Gramm pro Tonne Erz. Es stammt in der Regel aus einer Tiefe von 3 000 bis 4 000 Metern. Wenn es an der Oberfläche angekommen ist, beginnt ein aufwändiger Prozess, um es zu gewinnen. (siehe Interview Christian Hagelüken) Der gesamte Prozess kostet erhebliche Mengen fossiler Energie. Viele der metallischen Rohstoffe werden außerdem in offenen Minen abgebaut. Dadurch gehen große Areale an Fläche verloren, die beispielsweise für die Nahrungsmittelproduktion gebraucht würden. Kurz, das zentrale Problem im Zusammenhang mit dem Metabolismus ist nicht die Erschöpfung der mineralischen Lagerstätten – auch die gibt es! –, sondern die Beanspruchung der Ökosysteme des Planeten. Prominentestes Beispiel ist das Klima. Aber auch Flächen sind knapp, Wasser ist knapp. Nach dem Ecological Footprint war die Biokapazität des Planeten im Jahr 2005 bereits zu 30 Prozent übernutzt, aktuell geschätzt sind es 40 Prozent.

So gesehen erhält die Frage nach der Verfügbarkeit von Metallen für Zukunftstechnologien noch eine weitere Bedeutung. Genau diese Technologien sind es nämlich, die eine Energiewende, weg von fossilen, hin zu regenerativen Quellen, und die erforderliche Effizienzrevolution erst möglich machen. Konkret: Wie könnte eine Stromerzeugung mit Hilfe der Photovoltaik im großen Maßstab aussehen? Wie ist es mit der Versorgungslage bestellt? Oder: Ist es denkbar, Elektromobilität im Maßstab einer globalisierten Automobilindustrie zu verwirklichen? Welche Speichertechnik braucht es dafür? Haben wir ausreichend Lithium für die entsprechenden Akkumulatoren? Oder müssen wir auf andere Technologien ausweichen?

Diesen Fragen geht die Studie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien" nicht explizit nach. Aber sie liefert wichtige Basisinformationen. Weitergehende Fragen nach einem zukunftsfähigen Metabolismus wird FAKTOR X in den folgenden Monaten für einzelne Technologiefelder mit journalistischen Mitteln versuchen zu beantworten.

Rohstoffe für Zukunftstechnologien – Ansatz und Grenzen

Die vorliegende Studie befasst sich mit einem klar definierten Fenster der Ressourcendiskussion. Weil Deutschland bei den Metallen fast vollständig von Importen abhängt, wurden ausschließlich metallische und halbmetallische Rohstoffe untersucht.

Aus einem Portfolio von knapp 100 rohstoffrelevanten Zukunftstechnologien wurden 32 für eine vertiefende Analyse ausgewählt, Hoch- und Spitzentechnologie spielt dabei eine maßgebliche Rolle.

Das Portfolio analysierter Zukunftstechnologien:

Fahrzeugbau,  Luft- und Raumfahrt,  Verkehrstechnik
1. Stahlleichtbau mit Tailored Blanks
2. Elektrische Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge
3. Brennstoffzellen Elektrofahrzeuge
4. Superkondensatoren für Kraftfahrzeuge
5. Scandium-Legierungen für den Airframe Leichtbau

Informations- und Kommunikationstechnik, optische Technologien,  
Mikrotechniken

6. Bleifreie Lote
7. RFID – Radio Frequency Identification
8. Indium-Zinn-Oxid (ITO) in der Displaytechnik
9. Infrarot-Detektoren in Nachtsichtgeräten
10. Weiße LED
11. Glasfaserkabel
12. Mikroelektronische Kondensatoren
13. Hochleistungs-Mikrochips

Energie-, Elektro- und  Antriebstechnik
14. Ultraeffiziente industrielle Elektromotoren
15. Thermoelektrische Generatoren
16. Farbstoffsolarzellen
17. Dünnschicht-Photovoltaik
18. Solarthermische Kraftwerke
19. Stationäre Brennstoffzellen – SOFC
20. CCS – Carbon Capture and Storage
21. Lithium-Ionen-Hochleistungs-Elektrizitätsspeicher
22. Redox-Flow Elektrizitätsspeicher
23. Vakuumisolation

Chemie-, Prozess-, Fertigungs- und Umwelttechnik,  Maschinenbau
24. Synthetische Kraftstoffe
25. Meerwasserentsalzung
26. Festkörper-Laser für die industrielle Fertigung
27. Nanosilber

Medizintechnik
28. Orthopädische Implantate
29. Medizinische Tomographie

Werkstofftechnik
30. Superlegierungen
31. Hochtemperatursupraleiter in der Elektrizitätswirtschaft
32. Hochleistungs-Permanentmagnete

Ausgehend vom Basisjahr 2006 haben die Wissenschaftler mittels Technologiefolgenabschätzung (technology assessment) mögliche Entwicklungen und Rohstoffbedarfe für das Jahr 2030 errechnet.

"Die Zahlen für 2006 zeigen, welcher Anteil der jeweiligen Weltrohstoffproduktion durch die analysierten Technologien erfasst wird. Die Zahlen für 2030 zeigen, welcher Anteil der heutigen Weltproduktion des jeweiligen Rohstoffs für diese Technologie 2030 benötigt werden wird. Sie sind ein Indikator für den Ausbaubedarf der Minenproduktion. Der Indikator erreicht bei Gallium den Faktor 6 und bei Neodym 3,8. Das heißt, der von absehbaren technischen Innovationen ausgehende Bedarf nach diesen beiden Rohstoffen wird 2030 6- bzw. 3,8-mal so hoch sein, wie deren gesamte heutige Weltproduktionsmenge.“

Nachfrage nach seltenen Metallen 2030

Der globale Rohstoffbedarf für die analysierten Zukunftstechnologien in einer Gegenüberstellung von 2006 (dem Basisjahr) und 2030 (dem Zeithorizont der Studie), im Verhältnis zur gesamten heutigen Weltproduktionsmenge des jeweiligen Rohstoffs:

Rohstoff

2006

2030

Zukunftstechnologien (Auswahl)

Gallium

0,28

6,09

Dünnschicht-Photovoltaik, IC, WLED

Neodym

0,55

3,82

Permanentmagnete, Lasertechnik

Indium

0,40

3,29

Displays, Dünnschicht-Photovoltaik

Germanium

0,31

2,44

Glasfaserkabel, IR optische Technologien

Scandium

Gering

2,28

SOFC Brennstoffzellen, Legierungselement

Platin

Gering

1,56

Brennstoffzellen, Katalyse

Tantal

0,39

1,01

Mikrokondensatoren, Medizintechnik

Silber

0,26

0,78

RFID, Bleifreie Weichlote

Zinn

0,62

0,77

Bleifreie Weichlote, transparente Elektroden

Kobalt

0,19

0,40

Lithium-Ionen-Akku, XtL

Palladium

0,10

0,34

Katalyse, Meerwasserentsalzung

Titan

0,08

0,29

Meerwasserentsalzung, Implantate

Kupfer

0,09

0,24

Effiziente Elektromotoren, RFID

Selen

Gering

0,11

Dünnschicht-Photovoltaik

Niob

0,01

0,03

Mikrokondensatoren, Ferrolegierung

Ruthenium

0

0,03

Farbstoffsolarzellen, Ti-Legierungselement

Yttrium

Gering

0,01

Hochtemperatursupraleitung, Lasertechnik

Antimon

Gering

Gering

ATO, Mikrokondensatoren

Chrom

Gering

Gering

Meerwasserentsalzung, marine Techniken


Wenn es darum geht, Angebot und Nachfrage kritischer Metalle in der Zukunft zu beschreiben, ist die aktuelle Weltproduktionsmenge ein recht grober Indikator. Die Wissenschaftler haben zwar bedacht, welche Rohstoffe ersetzbar sind und welche nicht. Nicht substituierbar beispielsweise ist Chrom in rostfreien Stählen, Kobalt in verschleißfesten Legierungen und Scandium in schlagfesten Aluminium-Scandium-Legierungen. Aber dies ist heutiger Wissensstand. Innovationen, auch systemische, sind nur bedingt zu prognostizieren, beispielsweise hochfeste Kunststoffe, die möglicherweise heutige Stähle ersetzen können. Bis eine neue Technik aus dem Forschungs- und Entwicklungsstadium in die breite Anwendung gelangt, das kann durchaus fünf, zehn Jahre oder gar länger dauern, je nachdem, wie komplex die Zusammenhänge sind. Grundsätzlich haben die Rohstoffkonzerne also ausreichend Zeit, sich auf die steigende Nachfrage einzustellen.

Schwer abschätzbar sind auch Effizienzpotenziale und Einsparmöglichkeiten, die sich aus technischen Innovationen oder Rahmenbedingungen der Märkte ergeben. Die Forscher selber verweisen des Öfteren auf die ungenügende Datenlage und fordern in diesem Zusammenhang den Aufbau transnationaler Institutionen, die die globale Ressourcenlage genauer protokollieren. Kurz, die Skizze gibt nur eine grobe Orientierung. Immerhin, sie ist die erste ihrer Art, schon deshalb hoch willkommen.

Case Study: Neodym

Neodym rechnet zu den Metallen der seltenen Erden (Lanthanoide). Das sind silbrig-glänzende, relativ weiche und reaktionsfreudige Stoffe, die an der Luft schnell oxidieren. In der Natur kommt es nur vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden vor und muss durch einen aufwändigen chemischen Prozess isoliert werden.

Wirtschaftliche Bedeutung hat Neodym in jüngster Zeit vor allem in Hochleistungs-Permanentmagneten erfahren. Die stärksten beruhen auf einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung und können bis zum 2000-fachen ihres Eigengewichtes tragen. Beispielsweise kann ein frei erhältliches Modell für Tüftler und Bastler mit einem Gewicht von 350 Gramm bis zu 400 Kilogramm heben.

„Hochleistungs-Permanentmagnete werden schon heute massenhaft in Windturbinen, elektrischen Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge und miniaturisierte Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik (z.B. im iPod) eingesetzt.“

Neben Kupfer (für die Kupferspulen) wird Neodym (für starke Permanent-Magnete) in Elektromotoren zu einem strategischen Rohstoff. Allerdings gibt es derzeit nur recht ungenaue Angaben, wie viel Neodym pro Elektroauto verbaut wird. Die Autoren der Studie gehen von einem Wert zwischen 0,5 und einem Kilogramm pro Fahrzeug aus.

Im Jahr 2006 lag die Weltproduktion für Neodym bei 7 300 Tonnen. Davon wurden 300 Tonnen für Elektroautos genutzt. Für das Jahr 2030 bietet die Studie unterschiedliche, erheblich differierende Szenarien für die Nachfrage an, die bis zu 53 000 Tonnen pro Jahr betragen. An diesem Beispiel wird die Unsicherheit in der Abschätzung des künftigen Rohstoffbedarfs noch einmal deutlich. Angefangen beim Bedarf pro Fahrzeug, der durch Innovationen auch gemindert werden kann, bis hin zum Verbreitungsgrad von Hybrid- bzw. Elektroautos insgesamt.

Trotz aller Unsicherheiten, so viel ist klar: Bei einer massenhaften Produktion von Elektroautos wird der Neodymbedarf weltweit beträchtlich zulegen müssen. Die Studie kommt zu folgenden Einschätzungen: Der aktuelle Neodym-Verbrauch durch High tech-Produkte beträgt etwa 55 Prozent der gegenwärtigen Weltproduktion. Im Jahr 2030 soll sich der Wert versiebenfachen, auf 3,82 Prozent – der heutigen Produktion, wohl bemerkt.

Mehr als 90 Prozent des aktuell produzierten Neodyms stammen aus China. Vor diesem Hintergrund sind politische Konflikte im Zusammenhang mit Neodym sehr wohl vorstellbar. Rolf Kreibich vom IZT (siehe Originaltöne):

„Wenn zum Beispiel China weltweit in Krisensituationen kommt oder dass man gegenüber China versucht protektionistisch vorzugehen, kann das Land natürlich sagen: Dann werden wir mal den Neodym-Markt sperren und dann sitzen die anderen ganz schön auf. Dann können die ganzen Hybridfahrzeugbetreiber in die Röhre gucken, weil sie ihre Magnete nicht mehr herstellen können. Aber das geht ja noch viel weiter. Solche Magnete gibt es auch im Turbinenbereich. Und das heißt natürlich, dass es auch dort zu Konflikten kommen kann.“

Allerdings, dass Monopol von China in der Neodymproduktion ist historisch gewachsen. Vor wenigen Jahren noch förderten die Vereinigten Staaten erhebliche Mengen. Mountain Pass, die wichtigste nordamerikanische Mine für Lanthanoide, befindet sich in Kalifornien. Dort wurde die Förderung aus verschiedenen Gründen, ökonomischen wie ökologischen, in den vergangenen Jahren heruntergefahren. Dem gegenüber weitete China seine Produktion von Lanthanoiden seit 1985 erheblich aus. Ausbeutbare Vorkommen existieren zudem in Schweden und Australien.

Aus geologischer Perspektive sind Lanthanoide gar nicht so selten, beispielsweise gibt es von diesen Stoffen deutlich mehr als Gold. Allerdings sind die Konzentrationen der entsprechenden Erze äußerst gering. So dass die faktische Produktion nur von einer Handvoll Minen stammt. Eine erweiterte Produktion von Neodym, auch außerhalb Chinas, scheint nach vorliegenden Informationen durchaus möglich, ist aber zugleich eine Frage des Marktes und des politischen Willens.

Fazit

„Niemand kann die künftige Entwicklung der Rohstoffmärkte prognostizieren. Die eingehende Analyse ihrer Treiber und die Herausarbeitung der fundamentalen Marktdaten erlauben es jedoch, mögliche zukünftige Entwicklungen einzugrenzen und sich vorsorglich auf sie einzustellen. Die in der vorliegenden Untersuchung erarbeiteten fundamentalen Marktdaten zeigen deutlich in die Richtung einer insgesamt steigenden Rohstoffnachfrage. Der im Zuge der globalen Finanzkrise eingetretene Preisrückgang bei den Rohstoffen sollte die Anstrengungen, die Rohstoffabhängigkeit zu reduzieren, nicht in Frage stellen.“

Originaltöne
Rolf Kreibich, IZT

Knappheit: Vergesellschaftete Metalle

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Knappheit: Neodym

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Nutzungskonkurrenz und Verwerfungen

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Internationale Ressourcenagentur

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