Die Ausrichtung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft am Beispiel Chinas: Die Vor- und Nachteile eines Umschwungs von Kohle zu erneuerbaren Energien

Die Klimaneutralität ist ein globales Ziel, welches die hohe Integration und Nutzung von erneuerbaren Energien erfordert, um eine solche Transition zu gewährleisten. Hierbei steht besonders China als größtes Bergbauland der Welt sowohl durch die Steinkohle als auch durch die Seltenen Erden für die Produktion von erneuerbaren Energien an der Spitze. Das große Potential sieht sich entscheidenden Negativaspekten gegenübergestellt: Die Herstellung von Energiealternativen mittels Seltener Erden erzeugt umweltschädliche Gase und Abwässer. Weiterhin ist das Recycling solcher Erzeugnisse noch in den Kinderschuhen. Daher kann hier eine angewandte Ökobilanzierung oder auch Lebenszyklusanalyse (LCA) eine entsprechende Einordnung des Forschungsstands anhand eines Fallbeispiels der Bayan Obo Mine in Baotou, Innere Mongolei/China, geben. Die langfristigen Konsequenzen für Mensch und Umwelt werden aufgezeigt und geben zeitgleich Aufschluss über die bisherige Unterrepräsentanz der Methodik rund um die Ökobilanzierung. Obwohl diese maßgeblich die politischen Entscheidungsrahmen und strategisch benötigten Maßnahmen vorschattieren kann, fehlen oftmals ausreichende und zuverlässige Daten.

1  Einleitung

China hat vor kurzem seine Klimaneutralität für das Jahr 2060 angekündigt. Dies wirft viele Fragen zur Zukunft Chinas und zur Existenz seiner Steinkohlenindustrie auf. Mit einer Jahresproduktion von 4 Mrd. t Steinkohle ist China nach wie vor der größte Produzent dieser Ressource. Die Folgen für die Umwelt sind gewaltig und nicht nur ein nationales Problem, sondern ein globales, das jeden betrifft. Die Klimaneutralität stellt das rohstoffreiche Land vor neue Herausforderungen. Steinkohle ist nach wie vor der einfachste und sicherste Weg, die Energieversorgung der Bürger zu gewährleisten, wobei die Energiesicherheit eine hohe Priorität hat (1). Die Umstellung auf und die Integration von erneuerbaren Energien hat bereits begonnen und soll laut dem jüngsten Fünfjahresplan zum wichtigsten Wachstumsmotor der kommenden Jahre werden. Der Übergang zu einer grünen Entwicklung mit einer kohlenstoffarmen Wirtschaft als einem der wichtigsten Ziele steht unmittelbar bevor (2). Diese Entwicklungen werden die nächsten Jahre entscheidend prägen und den Strukturwandel vorantreiben. Da China auch über große Reserven an Seltenen Erden verfügt, die insbesondere für den Bau von regenerativen Energieoptionen (Elektroautos, Solarpaneele und Windräder) benötigt werden, stellt dies den Markt für den Handel vor neue Herausforderungen. China hat einen Marktanteil von bis zu 97 % und ist damit eindeutig der dominierende Akteur in diesem Handelsbereich, der in Zukunft weltweit an Bedeutung gewinnen wird. Aber auch hier wird nur ein Umweltproblem auf das nächste verlagert, da das Recycling von Seltenen Erden noch nicht besonders weit entwickelt ist und der Faktor der Nachhaltigkeit ein großes Fragezeichen darstellt (3).

2  Der Bergbau rund um Seltene Erden in China

Eine kürzlich veröffentlichte Fallstudie über die ökologischen und sozialen Auswirkungen des Abbaus von Seltenen Erden in der Bayan Obo Mine in Baotou im westlichen Teil des Jiuyan-Gebiets in der Inneren Mongolei/China zeigt, dass für den Aufbau neuer, vermeintlich nachhaltiger Energieerzeugung in einem Land oder an einem Ort in anderen großen Gebieten Verschmutzungen über ganze Landstriche hinweg in Kauf genommen werden (4). Generell kann gesagt werden, dass in China oder anderswo auf der Erde, wo 1 t Seltene Erden produziert wird, ca. 60.000 m³ salzsäurehaltige Abgase, 200 m³ säurehaltige Abwässer und 1 bis 1,4 t radioaktive Abfälle entstehen. Wenn nun bedacht wird, welche Mengen in China produziert werden – bis zu 85 bis 90 % der weltweiten Produktion – erhält man eine Vorstellung von der zerstörten Vegetation in den intensiven Produktionsgebieten Chinas (5).

Ein weiteres Beispiel ist Baotou, wo durch die Einleitung von verschmutzten und giftigen Abwässern ein künstlicher See entstanden ist. Der Ort ist vor allem für die Veredelung und Verarbeitung von Erzen bekannt, bei der u. a. das sogenannte Bastnäsitkonzentrat entsteht. Die Verarbeitung dieses Erzes wird später in diesem Artikel näher erläutert. Die bei diesem Prozess anfallenden Abwässer zerstören die Bodenvegetation und mögliche Lebewesen (3, 4). Außerdem sickern die Abwässer in das Grundwasser, wo sie ebenfalls das Trinkwasser verunreinigen und mögliche Krankheiten bei den dort lebenden Menschen verursachen (4). Auch wenn versucht wird, viel Geld in neue Abwasserrecyclinganlagen zu stecken, steht das Recycling von Seltenen Erden selbst noch ganz am Anfang und ist bei weitem nicht weit genug fortgeschritten. Zusätzlich zu Chinas eigenen Problemen mit nicht wiederverwertbaren Abfällen schicken auch andere Länder, z. B. Südkorea, Mitgliedsländer der EU, die USA und Japan, ihre Abfälle illegal nach China. Auf diese Weise müssen sie sich anscheinend nur um die „positiven“ Überreste kümmern, während China mehr Abfall in Gänze zu bewältigen hat (5).

Außerdem ist bekannt, dass die Arbeitsschutzmaßnahmen in China sehr niedrig angesetzt sind, insbesondere im Bergbausektor. Dies führt häufig zu Unfällen oder sogar zum Tod von Mitarbeitern und hat ebenfalls Auswirkungen auf die Umgebung (6). Dies ist nur eines von vielen Beispielen, speziell für diesen Bereich. Eine andere, neuere Studie befasste sich mit den Auswirkungen von wasserlöslichem Feinstaub, der bei der Verarbeitung von Seltenen Erden entsteht. Hier wurden die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit untersucht, und es wurde festgestellt, dass es zu einer Verschlechterung oder Hemmung der Entwicklung von Zellen und Proteinen in der Lunge kommt. Dies kann sogar zu einem Stillstand des Zellzyklus führen und die Entwicklung von Krankheiten wie Lungenkrebs fördern (7).

Da China über die größten Ressourcen an Seltenen Erden verfügt, wird sein globaler Anteil an erneuerbaren Energien auf 13,5 % (2018) des globalen Primärenergieverbrauchs geschätzt und soll sich bis zum Jahr 2050 verdoppeln (8). Die verschiedenen Anwendungen von 17 bekannten Seltenen Erden finden sich in Tabelle 1.

3  Die Lebenszyklusanalyse (LCA)

Da Seltene Erden in den kommenden Jahren als Alternative zu beispielsweise Stein- und Braunkohle weiter an Bedeutung gewinnen werden, ist diese Ressource aus dem Transformationsprozess zur Dekarbonisierung nicht mehr wegzudenken. Die zunehmende Produktion von alternativen Energieprodukten wie Hybridfahrzeugen oder Windkraftanlagen erfordert nach heutigem Stand der Wissenschaft vor allem den Einsatz von Seltenen Erden, die schwer zu recyceln sind. Die Folgen, die sich aus den Herstellungs- und Gewinnungsprozessen ergeben, wurden bereits im vorherigen Kapitel kurz beschrieben. Daher ist es sinnvoll, diese Prozesse aus der Perspektive der Lebenszyklusanalyse (LCA), auch Ökobilanzierung genannt, zu betrachten. Diese ermöglicht eine Einordnung des Niederschlags auf die Umwelt, indem der Lebenszyklus eines Produkts in der ganzheitlichen Dimension durchlaufen wird (9).

Die Methode der Ökobilanzierung stellt somit ein Instrument zur Bewertung der Produktentwicklung und deren Optimierung dar. Sie ist daher nicht nur fester Bestandteil politischer Entscheidungen oder strategischen Handelns, sondern auch nach DIN EN ISO 14040/44 genormt (10, 11). Grundsätzlich analysiert die Ökobilanz die vorhandenen Energieströme eines bestimmten Produkts über seinen gesamten Lebenszyklus. Dabei werden alle Emissionen in die Umwelt in Bezug auf Boden, Luft und Wasser einbezogen. Diese Emissionen werden dann im Hinblick auf ihre Auswirkungen, vor allem die negativen, auf die Umwelt bewertet. Dies kann durch Versauerung, Treibhauseffekt, Smog und vieles mehr ausgedrückt werden (Bild 1).

Die Durchführung der Lebenszyklusanalyse ist in vier Phasen zu unterteilen:

• Phase 1: Ziel und Umfang werden festgelegt, ebenso die Definition von systematischen Grenzen und notwendigen Anforderungen an die benötigten Daten.
• Phase 2: Im zweiten Schritt können der Umfang der Daten zusammengefasst und das sogenannte Inventar des Lebenszyklus individuell ermittelt werden (LCI). Dieses umfasst alle benötigten Stoffe und die im Produktionsprozess entstehenden Emissionen oder Abfälle.
• Phase 3: Nun erfolgt die Ökobilanzierung durch die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP). Dies geschieht mit Hilfe eines softwaregeschützten Verfahrens, das mögliche Risiken für die menschliche Gesundheit berücksichtigt. Gleichzeitig wird das Vorhandensein von Ressourcen überprüft, indem Modelle zur Charakterisierung durch die Sachbilanz berechnet werden.
• Phase 4: Der letzte Schritt ist die Interpretation der Ergebnisse aus der vorliegenden Sachbilanz und die Abschätzung der ökologischen Auswirkungen für die Ökobilanz (10).

4  LCA anhand der Bayan Obo Mine, Innere Mongolei

Auch wenn die Steinkohle nicht mehr die einzige Hauptquelle des Nachfragewachstums in China ist, macht sie immer noch die Hälfte der weltweiten Kohleproduktion und des Verbrauchs aus. Außerdem kann festgestellt werden, dass der Verbrauch von Steinkohle seit 2013 durch die Diversifizierung des Energiemixes entlastet wird. Dies bedeutet in Teilen eine geringere Abhängigkeit von Steinkohle und eine zunehmende Abhängigkeit von Alternativen wie Seltenen Erden. Der Übergang zu einer dekarbonisierten Wirtschaft hat also bereits begonnen, und erneuerbare Energien gewinnen immer mehr an Bedeutung (12). Ein Hauptziel des jüngsten Fünfjahresplans – Chinas Fünfjahrespläne listen die Hauptziele für die jeweils folgenden fünf Jahre auf, um eine verbesserte Wirtschaft und Gesamtentwicklung zu erreichen – ist die Entwicklung erneuerbarer Energien als einen der Haupttreiber für den Energieverbrauch (2, 13). Dennoch werden derzeit wieder vermehrt Kohlekraftwerke gebaut, was den Entwicklungen um eine grüne Wirtschaft und erneuerbare Alternativen zuwiderläuft. Gerade im Fall Chinas spielt jedoch ein Faktor eine entscheidende Rolle: das Wirtschaftswachstum. Dies ist auch eines der Hauptziele der Fünfjahrespläne, sowohl jetzt als auch in der Vergangenheit. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Wirtschaftswachstum und der Zufriedenheit der chinesischen Bevölkerung in Bezug auf eine sichere Energieversorgung, sichere Arbeitsplätze und Löhne, die Finanzierung der Rentenfonds und ganz einfach den sozialen Wohlstand. Die Schließung von Kohlekraftwerken bedeutet viele Arten von Konsequenzen wie Arbeitsplatzverlust und Unzufriedenheit durch mangelnde Alternativen, stockende Versorgungssicherheit, regionale Weiterentwicklung, insbesondere in kohleintensiven Regionen. Ein Ausgleich dieser großen Lücken ist nicht sofort möglich, sondern erfordert langfristige Planung und nimmt Zeit in Anspruch (14).

Diese Entwicklungen in der Kohleindustrie sind zwar wichtig, um sie im Detail zu betrachten, sie sollen aber nicht im Mittelpunkt dieses Artikels stehen. Vielmehr ist es wichtig, diesen Hintergrund zu kennen und ihn mit dem wachsenden Sektor der erneuerbaren Energieerzeugung in Relation zu setzen. Schließlich soll diese Energie sauber und „grün“ und damit ein besserer Ersatz für Kohle sein, aber ist sie das auch?

Inzwischen scheint das grüne Image der erneuerbaren Energien zu bröckeln, denn die Produktionsverfahren greifen auf den Einsatz und die Gewinnung von Seltenen Erden in großen Mengen zurück. Diese sind selten umweltfreundlich, da sie viel Material benötigen und große Mengen an Emissionen für Luft und Wasser erzeugen. Auch feste Abfälle mit ganzen Deponien, die zu diesem Zweck angelegt werden, spielen hier eine große Rolle. Da die Produktion von Seltenen Erden voraussichtlich weiter zunehmen wird, ist es umso wichtiger, eine Bewertung des Themas mittels des LCA-Verfahrens vorzunehmen. Außerdem kann dies dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck in Zukunft möglicherweise zu verringern, wenn diese Alternativen verstärkt und dauerhaft eingesetzt werden sollen (14). Wird nur die Produktion mittels Seltener Erden in China betrachtet, so hat die dortige Großproduktion auch die internationale Aufmerksamkeit auf die Umweltauswirkungen gelenkt. Vor allem die Emissionen von Schwermetallen und Radioaktivität haben das Grundwasser und die Flüsse sowie die Bodenvegetation stark geschädigt. Durch die langfristige Einwirkung dieser Emissionen in Kombination mit Faktoren, die auch die menschliche Gesundheit betreffen, z. B. durch das ständige Einatmen von Bergbaustaub, werden die Ökologie und die menschliche Entwicklung nachhaltig geschädigt (8, 15).

Im Hinblick auf die Verwendung von Seltenen Erden innerhalb Chinas fällt eines besonders auf: Die Stadt Baotou und das dortige Bergwerk Bayan Obo werden in Quellen und wissenschaftlichen Analysen zu diesem Thema immer wieder erwähnt. Hier scheinen die negativen Auswirkungen präsent und repräsentativ zu sein und bilden ein Negativbeispiel für diesen steigenden Trend. Daher wird die LCA auf das Bergwerk Bayan Obo in Baotou angewandt, um die Folgen genauer zu untersuchen. Für die folgende Analyse der Prozesse der Seltene Erden-Gewinnung werden die Ergebnisse von Navarro und Zhao (2014) verwendet. Sie nutzten die Methode der LCA, um sie auf den Produktionsprozess von Seltenen Erden anzuwenden (15).

Das Bergwerk Bayan Obo ist derzeit die größte Lagerstätte für Seltene Erden weltweit. „Die gemeldeten Gesamtreserven belaufen sich auf mindestens 1,5 Mrd. t Eisen (Durchschnittsgehalt 35 %) und mindestens 48 Mio. t RE-Oxide (REO) (RE = Rare Earth – Seltener Erden) (Durchschnittsgehalt 6 %) …“ (16). Das Bergwerk enthält hauptsächlich Bastnäsit und Monazit als Seltene Erden, die dort verarbeitet werden. Die Gewinnung dieser Elemente ist jedoch nur ein Nebenprodukt der dort stattfindenden Hauptgewinnung von Eisenerz. Das Erz wiederum wird klassisch mit Hilfe von Schaufeln abgebaut und dann per Bahn über die Eisenbahnlinie nach Baotou transportiert. Dort finden die Mahl- und Verarbeitungsprozesse statt. Untersuchungen haben ergeben, dass allein beim Abbau des Eisenerzes 11,9 kg Kohlendioxid pro Tonne entstehen. Der Ausstoß der Nebenprodukte, also der Seltenen Erden, kann daher nur über die Zuteilung berechnet werden. Darüber hinaus gibt es in diesem Bergwerk insgesamt sechs verschiedene Arten der Erzaufbereitung. Die gängigste Methode ist die Herstellung von Bastnäsit- und Monazitkonzentrat aus dem Roherz. Die Methode der Klassifizierung und magnetischen Trennung hilft zunächst, an die nichtmagnetischen Abgänge zu gelangen. Durch die Verwendung verschiedener Zusätze, z. B. Natriumcarbonat, ist es dann möglich, gemischte Bastnäsit- und Monazit-REO, aber auch Rückstände herzustellen. Eine letzte Entölung oder magnetische Abtrennung der Mischoxide führt zu einem Konzentrat aus Bastnäsit und Monazit (Bild 2) (15).

Danach folgt die chemische Behandlung. Eine Möglichkeit dieser Behandlung besteht darin, das gemischte hochgradige Bastnäsit- und Monazitkonzentrat einer Röstung mit Schwefelsäure zu unterziehen. Dies führt zu einer Aufspaltung der Freisetzung des ausgewaschenen Gases in die Luft und zu einer Neutralisierung des Rückstands durch Auslaugen mit Wasser und Zugabe von Magnesiumoxid sowie Eisen(III)-chlorid. Nach der Neutralisierung verbleibt ein Rückstand, der in gewissem Umfang auch Radioaktivität enthält. Auf der anderen Seite steht das gereinigte Sickerwasser, das dann zur Altersbestimmung der Gesteine, aber auch zur Herstellung des Seltenerdkarbonats hauptsächlich durch Filtration verwendet wird (Bild 3) (15).

Was die LCA für diese Prozesse angeht, so wird häufig eine allgemeine organische Chemikalie verwendet. Diese dient als Surrogat und führt manchmal zu großen Fehlern. Des Weiteren wurde bei der Allokation sowohl eine massenbasierte als auch eine umsatzbasierte verwendet, um die Probleme zu vermeiden, die oft durch die verschiedenen Schritte bei der Verarbeitung von Seltenen Erden entstehen. Die Normung nach DIN 14040 sieht hier eine Erweiterung des Systems für die Allokationen vor, die aber nicht umgesetzt werden kann. Außerdem haben beide Möglichkeiten der Allokation unzureichende Voraussetzungen. Bei der massenbezogenen Zuteilung werden häufig vorhandene Metalle in erhöhtem Maß belastet. Bei der erlösbasierten Allokation stellt der instabile Markt für Seltene Erden ein Problem dar, da hier die Preise teilweise stark schwanken, je nachdem, welches Metall gefragt ist (15).

Es gibt weitere Ansätze, die an dieser Stelle zu weit führen und sehr spezifisch für die chemischen Prozesse sind. Im Hinblick auf die Ökobilanz kann daher festgestellt werden, dass die Zahl der bisherigen Ökobilanzstudien überschaubar ist. Außerdem handelt es sich bei einem Großteil der verwendeten Daten um Informationen, die aus China selbst bereitgestellt wurden. Es muss daher berücksichtigt werden, dass nur wenige verwertbare und verlässliche Informationen zur Verfügung stehen. Infolgedessen mangelt es nicht nur an der Genauigkeit und Vollständigkeit der Daten, sondern auch an der Repräsentativität. Insbesondere im Fall der eindeutigen Auswirkungen der Herstellungsprozesse im Bergwerk Bayan Obo sollten weitere Analysen durchgeführt werden, um die Ökobilanz bestimmen zu können. Ansonsten kann diese nicht zu einer verbesserten Entwicklung für die Zukunft beitragen (15).

5  Fazit

Im Hinblick auf die angekündigte Klimaneutralität in China sind große Verschiebungen in der Steinkohlenindustrie zu erwarten. Vor allem der Aufstieg der erneuerbaren Energien hat gerade erst begonnen und wird das globale Zukunftspotential einer kohlenstoffarmen Wirtschaft sein. Der Umweltschutz wird zu einem wichtigen Bestandteil der Politik der Nationen, was zur Entscheidung für die Klimaneutralität in China geführt hat. Darüber hinaus hat China diese wachsende Bedeutung erkannt und ist bereits weltweit führend in der Produktion von erneuerbaren Energiealternativen wie Windkraftanlagen oder Solarzellen, indem es seine großen Reserven an Seltenen Erden nutzt.

Wenn die in diesem Artikel gezeigten Ergebnisse im Hinblick auf die Umweltauswirkungen zusammengefasst werden, stellt sich sowohl bei erneuerbaren Energien mit Hilfe von Seltenen Erden und durch die Nutzung von Steinkohle folgende Frage: Welche Auswirkungen haben diese für die Zukunft, mit dem Ziel einer grünen Wirtschaft und Klimaneutralität? Hinsichtlich des Faktors Nachhaltigkeit lässt sich sagen, dass auch erneuerbare Energien keine Wunderlösung bieten können. Auch hier wird Kohlendioxid für die Produktion regenerativer Nutzungen eingesetzt oder, nach heutigem Kenntnisstand, ist die Tatsache, dass Seltene Erden größtenteils nicht recycelbare Ressourcen sind, ein Problem, das es für die zukünftige Nutzung zu lösen gilt. Diese erzeugen nicht nur Kohlendioxid, sondern die Umwelt leidet auch unter Müll­deponien, Luftverschmutzung oder Wasserverunreinigung, was wiederum enorme Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat.

Nichtsdestotrotz hat die Energiewende bereits begonnen, und sie ist der erste Schritt in Richtung Veränderung und auch in Richtung der Bereitschaft, große Veränderungen für eine mögliche bessere Zukunft vorzunehmen. Allerdings ist dies nicht die Lösung, die oft versprochen oder der Außenwelt präsentiert wird. Es wird noch einige Jahrzehnte dauern, bis ausschließlich diese Energieerzeugung genutzt wird. Es erfordert viel mehr Fachwissen über diese Produktionsprozesse und eine effiziente Ökobilanzierung. Gerade im Fall Chinas stehen vor allem andere Faktoren wie Wirtschaftswachstum und Energiesicherheit im Vordergrund, wobei die Steinkohle und die damit verbundenen hohen Kohlendioxidemissionen auch in den nächsten Jahren noch eine große Rolle für die Umwelt und die Klimaauswirkungen spielen werden. Die Konsequenzen für die Umwelt sind langfristig und wirken sich nicht nur auf Boden, Luft und Wasser aus, sondern auch auf die menschliche Entwicklung durch induzierte Krankheiten und Entwicklungshemmung. Schließlich ist die Ökobilanzierung in diesem Forschungsbereich noch immer stark unterrepräsentiert und erfordert zuverlässigere Daten und Berechnungen für bessere politische Entscheidungen und strategische Maßnahmen in der Zukunft. Nur so können zukünftig weitere negative Folgen vermieden werden und Prävention durch entsprechende Planung vorangetrieben werden.