Lithium, Silizium und Kupfer: ein strategisches Trio für saubere Energie

SPANIEN – Bei den sogenannten kritischen oder strategischen Mineralien handelt es sich um in der Natur vorkommende chemische Elemente, die einer hohen Nachfrage unterliegen, deren Angebot jedoch knapp ist, weil die in der geologischen Kruste des Planeten verfügbare Menge sehr begrenzt ist oder weil es Probleme im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Geopolitik der Länder oder Handelsblockaden gibt.

Lithium, Silizium und Kupfer sind drei wesentliche Mineralien für den Übergang von den derzeitigen Methoden der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung auf Basis fossiler Brennstoffe (Gas, Öl und Kohle) zu anderen Modellen, die auf der Stromerzeugung aus erneuerbaren und weniger umweltschädlichen Energiequellen (Wasserstoff, Wind, Sonnenlicht und Erdwärme) basieren.

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Der Ausschuss für essentielle Mineralien für die Energiewende der Vereinten Nationen (UN) warnt: „In einer Welt, die mit erneuerbaren Energien betrieben wird, wird es an kritischen Mineralien mangeln. Die Nachfrage nach diesen Mineralien wird sich bis 2030 voraussichtlich fast verdreifachen, da wir zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energien umsteigen.“

DIE DREI STÜTZEN DER ENERGIEVERSORGUNG

Die Frage im Hinblick auf Lithium, Silizium und Kupfer ist, ob ausreichende Förder- und Verarbeitungskapazitäten für diese Mineralien vorhanden sind, um den weltweit steigenden Bedarf an erneuerbarer Energie zu decken, so Manuel Moral, Professor für Masterstudiengänge im Bereich Erneuerbare Energien und Energiewende an der Europäischen Universität (UE), einer privaten Einrichtung mit Sitz in Madrid, Spanien.

„Wir müssen nicht die Frage der aktuellen Produktion untersuchen, sondern Prognosen hinsichtlich der Kapazität zur Deckung des zukünftigen Verbrauchs unter Berücksichtigung der Vorkommen, von denen wir wissen, dass sie wirtschaftlich rentabel sind“, stellt der EU- Professor fest.

„Kritische Mineralien stellen eine der wichtigsten Säulen der Energiewende dar, aber wir müssen sicherstellen, dass ihre Gewinnung keine neuen ökologischen oder geopolitischen Probleme schafft“, warnt der Experte.

Für Moral ist es außerdem wichtig, sich vor Augen zu halten, dass die verfügbaren Ressourcen ungleich verteilt sind und dass bei der Erschließung dieser Ressourcen sehr langfristige geostrategische Maßnahmen eine Rolle spielen.

Einige Nationen haben Jahrzehnte damit verbracht, sich in Ländern mit kritischen Mineralien zu wettbewerbsfähigen Preisen zu positionieren, während andere Allianzen entwickeln und sich auf strategischen Märkten positionieren müssen, um Zugang zu diesen Rohstoffen zu erhalten“, so Moral.

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Er weist darauf hin, dass „Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energien auf der Bereitstellung von Energie in Form von Elektrizität basieren, wofür enorme Mengen an Kupfer (Stromerzeugung und -übertragung), Silizium (Photovoltaik-Erzeugung) und Lithium (Speicherung) benötigt werden.“

Deshalb, so einige Experten, „laufen wir Gefahr, von einer Wirtschaft, die auf endlichen Ressourcen basiert – dem derzeitigen Energiesystem, das auf fossilen Brennstoffen wie Öl und Kohle basiert – zu einer anderen Wirtschaft überzugehen, in der Energie zwar nicht derartigen Beschränkungen unterliegt, die aber wiederum endliche Materialien benötigt und Umweltkosten verursacht“, meint er.

Darüber hinaus „schüren Abbaustätten aus sozialer Sicht, obwohl sie möglicherweise Arbeitsplätze schaffen, die Angst vor Umweltverschmutzung, die letztlich den Tourismus oder den Agrarsektor abschrecken könnte“, betont er.

Derzeit würden verschiedene alternative Verfahren für den Abbau und die Rückgewinnung und das Recycling dieser drei Mineralien untersucht, ebenso wie andere Systeme, Materialien oder Verbesserungen zur Erzeugung, zum Transport und zur Speicherung von Elektrizität mit geringerer Umweltbelastung. Sie seien jedoch noch nicht wirtschaftlich konkurrenzfähig oder industriell umsetzbar, erklärt er.

Anschließend erläutert der Professor die Verwendung dieser drei Elemente, ihren Extraktionsprozess, ihre Auswirkungen auf die Umwelt und wie diese reduziert werden könnten.

LITHIUM: UNVERZICHTBAR FÜR BATTERIEN

Technologische Nutzung. „Dieses metallische chemische Element ist die Grundlage der Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden. Ohne dieses Element wäre die Mobilität, die der Planet braucht, ernsthaft beeinträchtigt“, erklärt Professor Manuel Moral.

Extraktionsverfahren. „Die häufigste Form der Gewinnung ist der Tagebau“ (Bergbauarbeiten an der Erdoberfläche, bei denen mit mechanischen, chemischen oder explosiven Mitteln der Boden entfernt wird, der die geologische Formation, aus der das Mineralvorkommen besteht, bedeckt oder umgibt).

Auswirkungen auf die Umwelt. „Der Abbauprozess bringt lokale Umweltprobleme mit sich, beispielsweise optische Auswirkungen oder Störungen der Landschaft und des Territoriums, sowie weitreichende Probleme, wie etwa eine mögliche Kontamination des Grundwassers oder Auswirkungen auf die Vogelwelt“, betont er.

Alternativen zur aktuellen Gewinnung. „Um die Probleme zu lösen, die durch die Lithiumabhängigkeit entstehen, untersuchen wir elektrische Speichersysteme auf der Basis anderer Materialien, die leichter zu gewinnen sind, eine geringere Umweltbelastung aufweisen und/oder geringere Kosten verursachen, wie z. B. Natriumbatterien, und die andere Energieträger nutzen, wie z. B. die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff“, erklärt Moral gegenüber EFE.

Darüber hinaus würden Systeme zur direkten Solegewinnung, zur selektiven Solegewinnung, zur geothermischen Solegewinnung sowie zur Meerwasser- und Tongewinnung untersucht, ebenso wie die Rückgewinnung von Lithium aus Batteriezellen, die ihre Nutzungsdauer erreicht haben, erklärt er.

SILIZIUM: DER SCHLÜSSEL FÜR SOLARMODULE

Technologische Nutzung. „Dieses halbmetallische chemische Element bildet das Grundmaterial für die meisten Photovoltaik-Solarmodule und ist damit der Protagonist einer Technologie, die bereits heute weltweit führend bei der Erzeugung erneuerbarer Energien ist“, so Moral.

Extraktionsprozess. „Der erste Schritt bei der Gewinnung und Reinigung von Silizium ist die Extraktion und der Abbau von Quarzit, einer Verbindung, die dieses wichtige Mineral enthält. Quarzit wird dann bei extrem hohen Temperaturen geschmolzen, um durch einen chemischen Prozess Silizium in metallurgischer Qualität zu erhalten“, erklärt er.

Dieses metallurgische Silizium wird dann verschiedenen Reinigungs- und Behandlungsverfahren unterzogen, um Formen des Minerals zu erhalten, die eine höhere Effizienz im Photovoltaikprozess (der von Solarmodulen verwendet wird) ermöglichen, merkt er an.

Auswirkungen auf die Umwelt. „Die größte Schwierigkeit besteht darin, dass bei der Gewinnung von Silizium aus den Mineralien, aus denen es besteht, sowie bei seiner Reinigung und bei der Herstellung von Silizium-Wafern, die in Photovoltaikzellen verwendet werden, viel Energie verbraucht wird“, so Professor Manuel Moral.

Alternativen zur Stromgewinnung. Professor Moral erklärt, dass „Technologien entwickelt werden, die die Effizienz von Photovoltaikzellen erhöhen“ und dass „wenn sich diese Effizienz beispielsweise verdoppeln lässt, der Energieverbrauch für die Herstellung einer bestimmten Anzahl von Photovoltaikzellen um die Hälfte reduziert werden könnte.“

KUPFER: EFFIZIENTE STROMNETZE

Technologische Nutzung. „Dank seiner hervorragenden Leitfähigkeit ist dieses Metall für die Schaffung effizienterer Stromnetze von entscheidender Bedeutung“, bemerkt der EU-Professor.

Extraktionsprozess. Bei der Kupfergewinnung wird dieses Metall aus Mineralien gewonnen, die in der Erdkruste vorkommen. Dabei kommen zwei Hauptmethoden zum Einsatz: Tagebau oder Untertagebau, je nach Standort und Konzentration der Lagerstätte, erklärt er.

Das Mineral, aus dem Kupfer gewonnen wird, wird dann verschiedenen Prozessen unterzogen, bis die Kupferbarren gewonnen werden.

Auswirkungen auf die Umwelt. „Die Auswirkungen der Kupfergewinnung hängen mit den Prozessen zusammen, mit denen das Kupfer aus der Erde gewonnen wird, sei es im Tagebau oder im Untertagebau. Sie reichen von sichtbaren Auswirkungen auf die natürliche Umwelt bis hin zu potenziellen Auswirkungen auf die aquatische Umwelt, Grundwasserleiter und dem Risiko von Chemikalienunfällen“, erklärt er.

Alternativen zum derzeitigen Bergbau. „Es werden einige Verbesserungen der derzeitigen Systeme untersucht, beispielsweise Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs pro geförderter Tonne oder zur Vermeidung von CO2-Emissionen. Auch die ökologische Sanierung von Bergbaustandorten nach Erschöpfung der Lagerstätte, also die Wiederherstellung des natürlichen Lebensraums in den Zustand vor dem Bergbau, wird untersucht“, stellt er fest.

Untersucht wird auch die „Verringerung der Verwendung bestimmter umweltschädlicher chemischer Verbindungen, die bei der Gewinnung, Auswahl, Reinigung und Raffination von Kupfer verwendet werden, sowie die Steigerung des Recyclings dieses Metalls, um den Bedarf an extraktivem Bergbau zu verringern“, so Professor Manuel Moral abschließend.

HÖHEPUNKTE :

- Das Trio aus Lithium, Silizium und Kupfer gilt als entscheidend oder strategisch für den Übergang zu saubereren, erneuerbaren Energiequellen, da es laut den Vereinten Nationen für die Herstellung von Elektrofahrzeugen, Windturbinen, Solarmodulen und Batterien zur Speicherung von Elektrizität unerlässlich ist.

- Diese strategischen Mineralien spielen eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf sauberere Energie, doch das exponentielle Wachstum ihrer Nachfrage sowie ihrer Verfügbarkeit und der mit ihrer Gewinnung verbundenen ökologischen und sozialen Risiken lassen nach Ansicht der Europäischen Universität (EU) Zweifel an dieser Lösung aufkommen.

„Lithium ist die Grundlage der Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden; Silizium ist das Grundmaterial für die meisten Photovoltaik-Solarmodule; und Kupfer ist für die Schaffung effizienterer Stromnetze von entscheidender Bedeutung“, so Manuel Moral, Professor des EU-Masterstudiengangs Energiewende.

Von Ricardo Segura EFE-Reports.