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Festlegung der für die SEE-Industrie spezifischen Kriterien und ihre bedeutende Rolle bei der Durchführbarkeit von Tiefbauprojekten für seltene Erden

Die Bewertung der Machbarkeit eines zukünftigen Tiefbauprojekts ist ein komplexes Problem, da eine Vielzahl unterschied­licher Parameter betrachtet und bewertet werden muss, um Investitionsentscheidungen hinsichtlich der Durchführbarkeit eines jeden potentiellen Tiefbauprojekts zu rechtfertigen. Dieses Verfahren ist jedoch noch komplizierter, wenn es um die Erschließung von Lagerstätten seltener Erden geht. Immer wieder werden Bedenken bezüglich der Umweltbelastungen geäußert, die der untertägige Abbau von seltenen Erdelementen (SEE) durch Radioaktivität im Zuge der Gewinnung und Bergeentsorgung hervorrufen könnte. Darüber hinaus können u. a. der fragile Markt und die unterschiedliche Angebots- und Nachfragesituation bei den einzelnen seltenen Erdelementen die Durchführbarkeit eines solchen Projekts stark beeinflussen. Dieser Beitrag befasst sich mit der Definition und Klassifizierung von spezifischen Kriterien, die dem SEE-Bergbau zugrunde liegen. Darüber hinaus wird im Detail diskutiert, wie diese Kriterien nicht nur die Auswahl der geeigneten untertägigen Abbauverfahren bestimmen, sondern auch deren mögliche Auswirkungen auf die Durchführbarkeit eines potentiellen Projekts.

Dieser Beitrag wurde von George Barakos anlässlich der Konferenz der Society of Mining Professors (SOMP) am 24. Juni 2015 an der TU Bergakademie Freiberg vorgestellt

Autoren:
George Barakos, Helmholtz Institut Freiberg für Ressourcentechnologie
Helmut Mischo, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Deutschland

Einführung

Die ständig wachsende Nachfrage nach seltenen Erdelementen (SEE) zusammen mit der Marktkrise 2009 und dem Preishoch 2011 haben in den letzten Jahren weltweit eine wahre Schatzsuche nach neuen Lagerstätten seltener Erden ausgelöst. Das hat zur Entdeckung zahlreicher solcher Lagerstätten geführt, woraus sich potentielle Tagebau- und Tiefbaubauprojekte entwickeln könnten.

Die Geschichte des SEE-Bergbaus kann in drei Perioden unterteilt werden:

  1. Monazitseifen,
  2. Mountain Pass-Ära und
  3. Chinesische Ära.

China ist seit über 30 Jahren führend in diesem Markt, da es den geologischen Vorteil hat, über mehr als die Hälfte der bekannten und zu wirtschaftlichen Bedingungen abbaubaren SEE-Ressourcen weltweit zu verfügen. Außerdem findet man in China das nötige „intellektuelle Kapital“, um diese SEE-Industrie zu entwickeln. Der Rest der Welt hat hier noch Nachholbedarf und es wird Jahre dauern, um das Fachwissen der Chinesen zu erreichen, insbesondere im Bereich des Tiefbaus, wo ein noch größeres Maß an Expertise erforderlich ist. Dennoch könnte eine vierte, neue Ära beginnen, in der neue Seltenerdprojekte entwickelt werden.

Allerdings gibt es einige spezielle Fragen, die, in noch stärkerem Maße als bei den gängigen Erzen, für seltene Erdlagerstätten relevant sind, wie beispielsweise die Auswirkungen, die Abbau und Weiterverarbeitung auf die Umwelt haben können. China ist hierfür das Beispiel schlechthin, denn lasche Umweltgesetze und -normen haben zu weitreichender Verschmutzung der Regionen geführt, in denen seltene Erden abgebaut werden (1,2).

Hinzu kommt, dass das Gleichgewicht zwischen Nachfrage und natürlichem Vorkommen einzelner SEE in den Gemenge­erzen ein Hauptproblem für die Industrie darstellt, bekannt als das „Gleichgewichtsproblem“, das von größerer Bedeutung ist als die Verfügbarkeit von Ressourcen seltener Erden an sich.(3). Der fragile SEE-Markt in Verbindung mit sozioökonomischen Argumenten und einer unzureichenden Gesetzgebung ist ebenfalls ein maßgeblicher Faktor für die SEE-Industrie.

All diese Kriterien zusammen beeinflussen nicht nur die Machbarkeit von Bergbauaktivitäten im Hinblick auf die Auswahl eines geeigneten Abbauverfahrens, sondern können auch für die technisch-technologische und wirtschaftliche Durchführbarkeit eines potentiellen Tiefbauprojekts für seltene Erden insgesamt ausschlaggebend sein.

Traditionelle Bewertungsmethoden und standardisierte Kriterien im internationalen Bergbau

Die Auswahl des geeigneten Abbauverfahrens bedarf der Betrachtung vieler Einzelfaktoren. Ein solches Vorgehen ist umso anspruchsvoller, wenn es sich um eine Tiefbaugrube handelt. In der Vergangenheit sind verschiedene – sowohl linguistische als auch numerische – Ansätze für Auswahlprozesse von Abbauverfahren gängiger Erze vorgestellt worden. Die meisten konzentrieren sich nur auf die Bestimmung des geeignetsten Abbauverfahrens, in den Fällen, in denen es eine Anzahl möglicher Optionen gibt. Aber der eigentliche Auswahlprozess selbst ist noch weit komplizierter (4).

Boshkov und Wright (5) haben eines der ersten Instrumente zur Auswahl von Abbauverfahren speziell für den Tiefbau entwickelt und eingeführt. Dieses Instrument basiert auf einem qualitativen Klassifizierungssystem und verwendet allgemeine Beschreibungen von Mächtigkeit, Einfallen und Festigkeit des Erzes. Morrison (6) verfolgte einen anderen Ansatz, indem er die Verfahren für den untertägigen Abbau in drei Hauptgruppen der Dachbehandlung unterteilte: (a) Pfeilerbau, (b) planmäßige Absenkung und (c) Bruchbau. Durch die Betrachtung der Gangmächtigkeit des Erzes, des Ausbautyps und der Spannungsanreicherung basiert dieses Instrument darauf, aus jeweils zwei Verfahren das besser geeignete auszuwählen und so fortzufahren bis schlussendlich das beste ermittelt worden ist.

Laubscher (7) hat einen Auswahlprozess für ein geeignetes untertägiges Abbauverfahren vorgestellt, das auf dem von ihm selbst erstellten Gebirgsklassifizierungssystem beruht. Er legt den Schwerpunkt in erster Linie auf das Bruchverhalten und vergleicht Blockbruchbau und Strossenbau. Nicholas (8) legte eine quantitative Analyse vor, in der mit Hilfe einer numerischen Rangfolge die Eignung von Abbauverfahren bei gegebenen Eigenschaften dargestellt wurde. Durch das Addieren der Werte für jedes Verfahren wählen Ingenieure zwei oder drei Abbauverfahren aus, die unter technisch-technologischen Gesichtspunkten das beste Gesamtergebnis für einen gegebenen Einsatzfall erreicht haben, und analysieren dann deren Wirtschaftlichkeit, um zu einer endgültigen Entscheidung zu kommen. Hartman (9) stellte eine qualitative Methode vor, ähnlich zu Boshkov und Wright, mit einer Auswahltabelle, basierend auf der Geometrie der Lagerstätte und den Gebirgsverhältnissen der jeweiligen Erzzone.

Miller-Tait und andere (10) präsentierten ein abgeändertes Schema des Systems von Nicholas und entwickelten das UBC (Universität von British Columbia) Instrument zur Auswahl von Abbauverfahren, das die für den kanadischen Bergbau typische Planungspraxis widerspiegelt. Zahlreiche weitere Forscher haben in den zurückliegenden Jahren (11, 12, 13) numerische Methoden und Methodologien vorgestellt, die auf multi-kriteriellen Entscheidungshilfen und analytischen, hierarchischen Prozessen basieren. Schlussendlich haben Hartman und Mutmansky (14) insgesamt 36 Kriterien vorgeschlagen, unterteilt in sechs Hauptgruppen, um das Problem der Auswahl von untertägigen Abbauverfahren im Detail zu analysieren.
Allerdings hat keiner dieser Ansätze die besonderen Grenzbedingungen betrachtet, die den Abbau von Lagerstätten seltener Erdelemente definieren. Daher besteht die Notwendigkeit, ein neues Bewertungsinstrument für Bergbauprojekte im Bereich seltener Erden zu entwickeln, das die spezifischen Kriterien der SEE-Industrie berücksichtigt und diese zusammen mit den standardisierten Spezifikationen evaluiert, die die Durchführbarkeit derartiger Investitionen bestimmen.

Spezifische Kriterien der SEE-Bergbauindustrie

Es ist bereits eine erste Beschreibung der besonderen Faktoren erfolgt, die den Abbau von seltenen Erden im Allgemeinen bestimmen. Im Zuge einer tiefer gehenden Analyse kann man die für die SEE-Bergbauindustrie spezifischen Kriterien in vier Hauptgruppen unterteilen:
1.)    wirtschaftliche Kriterien,
2.)    Umweltkriterien,
3.)    soziopolitische Kriterien und
4.)    technische Kriterien.

All diese Kriterien, einzeln oder in Kombination, können sowohl das anzuwendende Abbauverfahren als auch die Durchführbarkeit eines zukünftigen Tiefbauprojekts für seltene Erden und die damit verbundenen Investitionsentscheidungen vorbestimmen.

Wirtschaftliche Kriterien

Neben den in der Bergbauplanung gängigen wirtschaftlichen Bewertungen, die für alle Fallstudien im Untertagebergbau durchgeführt werden, liegen bei seltenen Erden besondere Grenzbedingungen vor. Der SEE-Markt ist klein und aufgrund seiner Vielschichtigkeit undurchsichtig, was dazu führt, dass in der Vergangenheit große Bergbauunternehmen vor dem Einstieg in diesen Markt zurückschreckten. Zurzeit hält China einen Anteil von mehr als 90 % der Weltproduktion. Der Rest der Welt ist abhängig von der Exportpolitik der chinesischen Regierung und trotz der Forderung nach Schaffung eines zentralen Börsenplatzes für SEE bleibt die Situation weiter unklar.

Zwar sind die Preise gegenwärtig relativ stabil, aber die Krise im Jahr 2009, das Preishoch im Jahr 2011 und der rasante Preisrückgang danach machen deutlich, wie fragil der SEE-Markt ist. Es ist schwierig, zukünftige SEE-Preise und damit auch zukünftigen Cash-Flow für die wirtschaftliche Bewertung von SEE-Projekten einzuschätzen.

Parallel zur Erkundungswelle sind erfolgreiche Bemühungen gestartet worden, bekannte Ressourcen außerhalb Chinas zu erschließen. Die Bergwerke Mountain Pass in den USA und Mount Weld in Australien haben bereits wieder mit dem Abbau begonnen. Dennoch reichen diese Projekte nicht aus, den erwarteten Bedarf an seltenen Erden zu decken, so dass weitere Bergbauprojekte auf den Weg gebracht werden müssen. Das Hauptproblem jedoch liegt in der Durchführbarkeit dieser Investitionen, da es keine zuverlässigen Kostenschätzungen für Abbau und Aufbereitung von seltenen Erden gibt, ganz abgesehen davon, dass insbesondere die adaptierten Gewinnungsverfahren für den untertägigen Abbau kostenintensiv sein können. Es ist zu erwähnen, dass es derzeit keine laufenden aktiven Tiefbauprojekte für seltene Erden gibt, aus denen man Wissen und Erfahrung schöpfen könnte. Es gibt nur einige wenige potentielle Untertagebergwerke, die sich in der Planungsphase befinden. Aber selbst wenn ein entsprechendes Wissen zugänglich wäre, würden Chinas niedrige Arbeitskosten und die Manipulation des globalen Marktes und der Preise immer noch schwer zu überwindende Hindernisse darstellen.

Illegaler Abbau und das Schmuggeln seltener Erden sind aktuell ebenfalls ein ernstes Problem und machen Vorhersagen schwierig, besonders in China, da die Preise dadurch niedrig bleiben und die Ressourcen sich schneller erschöpfen, was bereits jetzt zu Lieferengpässen für die chinesische Industrie führt. Chinas Toleranz gegenüber illegalem Abbau schwindet zusehends und die Regierung ergreift Maßnahmen, um diesem Problem durch strengeres Vorgehen gegen illegalen Abbau und die Absenkung von Exportquoten zu begegnen.

Die globale Jahresproduktion von seltenen Erden für das Jahr 2014 wurde vom United States Geological Survey (15), auf 110.000 t geschätzt, aber diese Zahlen sind aufgrund der schwierigen Datenlage nicht ganz präzise. Auch geben sie keinerlei Aufschluss darüber, wie es mit der Verfügbarkeit einzelner SEE aussieht. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass der SEE-Gehalt in verschiedenen Erzen nicht identisch ist. Gemäß der Regel der steigenden Ordnungszahl Z unterscheidet man leichte seltene Erdelemente (LREE) und schwere seltene Erdelemente (HREE), wobei die Anzahl der bekannten Vorkommen von HREE deutlich geringer ist. Eine andere Klassifizierung von SEE unterteilt in kritische und unkritische SEE und betrachtet dabei sowohl ihre individuelle Angebots- und Nachfragesituation als auch die Relevanz ihrer Anwendungen und Endnutzungen (Bild 1).

Fig. 1. Short-term criticality matrix (16) Bild 1. Matrix der kurzfristigen Kritikalität (16)

Fig. 1. Short-term criticality matrix (16)
Bild 1. Matrix der kurzfristigen Kritikalität (16)

Die vollständige Übereinstimmung von Angebot und Nachfrage bei den SEE wäre der Idealfall, aber das existierende Gleichgewichtsproblem kann bereits im Vorfeld die Aussicht auf einen Abbau zunichte machen, noch bevor er begonnen hat.

Einige, wenn nicht alle SEE sind in SEE-führenden geologischen Formationen in willkürlichen Konzentrationen vorhanden, was naturgemäß erheblichen Einfluss auf Abbau und Extraktion hat. Wenn stärker nachgefragte SEE in geologischen Formationen nur geringfügig vorhanden sind, muss die abzubauende, aufzubereitende und abzuscheidende Mindestmenge an dem gewünschten Element wenigstens den Bedarf für diese kritischen Anwendungen decken. Die Konsequenz ist, dass Elemente, die in größerem Umfang vorhanden sind und deren Kritikalität niedriger ist, in Mengen abgebaut werden, die über den Bedarf hinausgehen. Die Überproduktion muss aufgehaldet werden und die Kosten für Abbau, Aufbereitung und Lagerung steigen entsprechend bzw. bei einem Angebot im freien Markt aufgrund eines Überangebots wird dies zu erheblichen Turbulenzen führen.
Die kontinuierliche schnelle Weiterentwicklung von Anwendungen und die wechselnde Endnutzung einzelner SEE in schnellem Generationswechsel führen als Konsequenz zu Veränderungen in der Nachfrage für diese Elemente. Das bedeutet praktisch, dass der Markt sich so schnell verändern kann, dass es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, ein Gleichgewicht herbeizuführen.

In der jüngeren Vergangenheit fachte Neodym (Nd) durch seine Verwendung in Magneten (17) die Nachfrage nach LREE an. HREE treten i. A. weniger häufig auf und werden daher nur in geringeren Mengen produziert. Ihr Markt wird primär von Dysprosium (Dy) und sekundär von Europium (Eu) und Terbium (Tb) getrieben, die neben anderen Anwendungen ebenfalls kritisch für Magnete sind. Alle vorstehend genannten Elemente, einschließlich Yttrium, bilden die Gruppe der kritischen SEE (Bild 1).

Umweltkriterien

Die o. g. wirtschaftlichen Randbedingungen betreffen sowohl den Tagebau als auch den Tiefbau auf seltene Erden mit dem Unterschied, dass der Tiefbau deterministisch kostspieliger ist. Ähnliches gilt bis zu einem bestimmten Punkt auch für die umweltspezifischen Erwägungen, wobei es aber auch hier signifikante Unterschiede zwischen Tagebau und Tiefbau gibt. Das vielleicht größte Umweltproblem, mit dem die SEE-Industrie zu kämpfen hat, ist die Entstehung von Schad- und Reststoffen bei der Verarbeitung von SEE und durch die bei der Aufbereitung eingesetzten Reagenzien. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich jedoch auf die Auswirkungen der Gewinnungstätigkeit insbesondere beim Tiefbau.

Eine der kontroversesten Fragen bei SEE ist das Vorhandensein von Radioaktivität in den SEE-führenden Mineralien, in erster Linie Thorium (Th) und Uran (U), wobei auch die seltenen Erden an sich natürliche radioaktive Isotope aufweisen. Der Gehalt an natürlich vorkommendem radioaktivem Material (NORM) in geologischen Formationen von seltenen Erden kann in der Konzentration von unbedeutend bis hoch variieren, so dass gesetzliche Regelungen (18) sowie besondere Sorgfalt und eine genaue Überwachung während der untertägigen Gewinnung erforderlich sind. In einigen Fällen kann Uran als Nebenprodukt gewonnen werden, was die Wirtschaftlichkeit eines SEE-Bergbauprojekts erhöht. Jedoch tritt in den SEE-Lagerstätten häufiger Thorium als Uran auf. Thorium ist bezüglich seiner Marktfähigkeit eher problematisch, da es momentan nicht in der Kerntechnik für die Stromerzeugung genutzt wird (19). Radioaktivität kann auch im Tagebau ein Problem sein, aber nicht in gleichem Maße wie im Tiefbau, wo die beachtliche Staubentwicklung und der potentielle Transfer von radioaktiven Partikeln in die Grubenwetter das Risiko der Kontaminierung erhöhen. Größte Aufmerksamkeit gilt dem Radon (Rn), da es das einzige gasförmige Produkt der primordialen Uran- und Thorium-Zerfallsreihe ist und somit leicht sowohl in die Grubenwetter als auch in das Grundwasser (20) entweichen kann. Radon wird in engen Zusammenhang mit Lungenkrebs bei Bergleuten gebracht, kann aber auch schwerwiegende Auswirkungen auf das Ökosystem haben, das das Untertagebergwerk umgibt.

Ein weiterer Faktor, der mit dem Vorhandensein von NORM und toxischen Verbindungen aus der Verarbeitung von SEE zusammenhängt, ist die Behandlung und Entsorgung von Abfällen. Bezüglich des umgebenden geoökologischen Gleichgewichts gilt das sowohl für den Tagebau als auch für den Tiefbau. Ohne ordnungsgemäß angelegte Halden und Schlammteiche für große Mengen an Bergen und Aufbereitungsabgängen steigt das Risiko der Umweltkontamination erheblich. Darüber hinaus kann hier die Bergewirtschaft ein Problem bei untertägigen Abbauverfahren darstellen, welche die Verfüllung mit NORM-haltigem Eigenversatz vorsieht. Es ist darauf hinzuweisen, dass weitere Probleme auftreten können, wenn das angewandte Abbauverfahren vorgibt, dass stark zerkleinertes, gesprengtes Erz langfristig in den Abbaustößen verbleibt oder In-situ-Laugungsmethoden bei im Bruchbau gewonnenen Erzblöcken angewandt wird, so dass mögliche Quellen für hohe Radon- und Säurekonzentrationen entstehen.

Das Hauptthema beim Abbau seltener Erden und bei der Zerkleinerung sind Volumenströme an NORM enthaltenden Abgängen, die produziert werden und behandelt werden müssen. In allen Fällen müssen besondere Bewertungen durchgeführt werden, um die Radonemanation in die Grubenwetter und die Ausbreitung von radioaktiven Schadstoffen und/oder Laugen in das Grundwasser einzudämmen, so dass ein sicheres Arbeitsumfeld erhalten bleibt (20).

Soziopolitische Kriterien

Es ist kein Geheimnis, dass Bergbauaktivitäten aufgrund der möglichen Folgen für die Umwelt und die lokale Bevölkerung immer soziale und politische Betrachtungen auslösen. Hinzu kommt im Fall des SEE-Bergbaus, dass die weitreichenden Kontaminierungseffekte und gesundheitlichen Auswirkungen des Abbaus und der Aufbereitung von seltenen Erden in China dazu geführt haben, dass Regierungen und Gesellschaft bereits voreingenommen gegenüber jeder Entwicklung des Abbaus und der Verarbeitung von seltenen Erden sind. Und das, obwohl die Erfahrungen bezüglich des Umgangs der Öffentlichkeit mit diesem Industriesektor außerhalb Chinas relativ begrenzt sind (1). Die Gefahr möglicher Strahlenexposition kann sowohl die Behörden als auch die lokale Bevölkerung abschrecken, selbst wenn das tatsächliche Kontaminationsrisiko aufgrund unbedeutender NORM-Konzentrationen in den Lagerstätten seltener Erden niedrig oder weil die tatsächliche Kontaminierung durch ausreichende Sicherheitsmaßnahmen und Vorsorgetechniken auf ein Minimum reduziert ist. Derartige Befürchtungen führen häufig auch zu politischer Zurückhaltung, wenn es darum geht, wichtige Entscheidungen zu Gunsten von Entwicklungen im SEE-Bergbau zu treffen.
Obwohl der Beitrag von SEE zur Entwicklung von Hochtechnologien einer „grünen Wirtschaft“ als potentiell positiv bezeichnet werden kann, spiegeln Argumente, Vorbehalte und Argwohn oft das sogenannte NIMBY-Syndrom “Not in my Back Yard” (Sankt-Florians-Prinzip) wieder und so kommt es, dass der Abbau von seltenen Erden von einem Großteil der Bevölkerung nicht befürwortet wird.

Daher ist eines der wichtigsten sozialen Kriterien die Komplexität des Erwerbs von Schürflizenzen, um mit dem Abbau von seltenen Erden beginnen zu können. Die Errichtung einer SEE-Aufbereitungsanlage ist sogar ein noch schwierigeres Unterfangen und manchmal gänzlich unmöglich. Das allein wirft Fragen für den SEE-Bergbau auf, da viele Aufbereitungsanlagen im Sinne der Nachhaltigkeit des Gesamtprojekts in direkter Nachbarschaft zu den Bergbaubetrieben errichtet werden. Eine eher strenge Gesetzgebung könnte die Entwicklung solcher Projekte verhindern, während im Gegenzug eine unzureichende oder keine Gesetzgebung ein rechtliches Vakuum schaffen würde, in dem keine Schürf- bzw. Verarbeitungslizenzen erworben werden können.

Fig. 2. The main EU environmental legislation relating to mining and beneficiation Bild 2. Die wichtigste EU Umweltgesetzgebung im Bereich Bergbau und AufbereitungSource/Quelle: www.eurare.eu

Fig. 2. The main EU environmental legislation relating to mining and beneficiation
Bild 2. Die wichtigste EU Umweltgesetzgebung im Bereich Bergbau und AufbereitungSource/Quelle: www.eurare.eu

Weltweit haben mehrere Länder, und auch die Europäische Union (EU), keine direkte Gesetzgebung im Bezug auf seltene Erden und die Bewirtschaftung ihrer Abbaustätten. Die EU verwendet stattdessen eine Vielzahl von Gesetzestexten (Bild 2) einschließlich der Richtlinie über bergbauliche Abfälle – 2006/21/EC (21). Das hat direkten Einfluss auf die Bergbaukonzessionen, da die Abfälle häufig vor Ort entweder übertage oder untertage entsorgt werden.

Ein weiteres Kriterium, das sich in die sozialpolitische Kategorie einordnen lässt, ist der Mangel an Erfahrungen mit dem Abbau seltener Erden außerhalb Chinas im Allgemeinen und dem Untertageabbau seltener Erden weltweit im Besonderen. Durch den Ausstieg aus dem Bergbau ist vielerorts nicht nur die Zugänglichkeit zu den Lagerstätten verloren gegangen, sondern im gleichen Zug sind Expertise und spezialisierte Arbeitskräfte weggefallen. Das schafft Angriffsfläche und verstärkt Vorbehalte und Bedenken bezüglich der Fähigkeit der SEE-Industrie, Umweltverschmutzung zu Lasten der lokalen Bevölkerung zu vermeiden. Darüber hinaus verstärkt der Mangel an erfahrenen Bergleuten im Abbau von seltenen Erden untertage zweifellos das Risiko einer Strahlenbelastung und die Möglichkeit, sowohl die Abbaustätte als auch die Umgebung einer weitreichenden Kontaminierung auszusetzen.

Technische Kriterien

Fig. 3. The triple-bottom-line (TBL) in REE mining Bild 3. Die Triple-Bottom-Line (TBL) im SEE-Bergbau

Fig. 3. The triple-bottom-line (TBL) in REE mining
Bild 3. Die Triple-Bottom-Line (TBL) im SEE-Bergbau

Die zuvor beschriebenen drei Kategorien von Kriterien folgen dem weitverbreiteten Triple-Bottom-Line-Ansatz, auch als die „Drei Säulen der Nachhaltigkeit“ bekannt. (Bild 3). Dabei können diese Faktoren auf einer gemeinsamen Grundlage technischer Aspekte bewertet werden, ohne die es schwierig wäre, die Gesamtdurchführbarkeit eines Tiefbauprojekts für seltene Erden zu prüfen und zu bestimmen. Die Bewertung der technischen Kriterien für den Untertageabbau seltener Erden kann die Folgen des Abbaubetriebs ermitteln oder ändern, um sie so zu minimieren, dass sie den umweltspezifischen, wirtschaftlichen, sozialen und gesetzgeberischen Anforderungen entsprechen.

Die Abscheidung von SEE bleibt das primäre technische Thema für die globale SEE-Industrie und Ingenieure konzentrieren sich gegenwärtig auf das Beherrschen der Weiterverarbeitung und eine kosteneffiziente Extraktion der einzelnen SEE. Obwohl dieses technische Kriterium sich nicht direkt auf den Abbau seltener Erden bezieht, kann es sowohl die Gewinnungstätigkeit als auch die Ausbringungsleistung beeinflussen und demzufolge die Auswahl des geeigneten Abbauverfahrens, den Cash-Flow und damit die Machbarkeit des gesamten Untertageprojekts. Hinzu kommt, dass das Gleichgewichtsproblem von seltenen Erden diese Erze für einen selektiven Abbau sehr attraktiv macht, so dass die erforderlichen Produktionsziele für die individuellen SEE erreicht werden können. Alle vorgenannten Kriterien können die Anwendung spezifischer selektiver Abbauverfahren diktieren, die möglicherweise von denen abweichen, welche die allgemeinen Instrumente zur Auswahl von untertägigen Abbauverfahren nahelegen würden.

Außerdem können die Schwankungen der Rohstoffpreise für die einzelnen SEE sowohl die Wahl der untertägigen Abbauverfahren als auch die Ausbringungsleistung und die Selektivität im Abbaubetrieb bestimmen. Eine Lagerstätte, die im Wesentlichen ein Vorkommen von kritischen SEE in wirtschaftlich bedeutsamen Konzentrationen aufweist, kann so eher als potentiell erschließungswürdig bewertet werden.

Ein weiteres wichtiges technisches Kriterium, das den Untertageabbau von seltenen Erden bestimmt, bezieht sich auf Sicherheitsmaßnahmen und einzusetzende Verfahren zur Begrenzung der Strahlung. Ingenieure müssen spezielle, auch aus dem Uranbergbau bekannte Bewetterungs- und Staubbekämpfungstechniken während des Abbaus, des Transports und der Aufbereitung des Erzes bewerten und anwenden (20). In der Regel müssen mehrere spezifische untertägige Abbaumethoden bewertet oder sogar von potentiellen Anwendungen ausgeschlossen werden, wenn sie zu arbeitsintensiv sind oder dazu führen, dass das Erz langfristig in-situ verbleiben muss. Insbesondere Methoden, die die Verfüllung mit eigenen Aufbereitungsabgängen erfordern, müssen im Hinblick auf die Strahlenbelastung, die das Versatzmaterial emittiert, evaluiert und spezifische Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden.
Zusammenfassend kann man sagen, dass diese SEE-technischen Grenzbedingungen im Umkehrschluss auch die anderen Kriterien beeinflussen, die den Untertageabbau i. A. bestimmen.

Einfluss der SEE-Kriterien auf den Tiefbaubetrieb

Alle beschriebenen Faktoren können, einzeln oder in Kombination, die Durchführbarkeit bergbaulicher Aktivitäten bei seltenen Erden beeinflussen. Oft können zwei oder mehrere im selben Projekt evaluierte Kriterien in ihrer Einflussnahme konkurrieren; dann müssen die Planer Faktoren entsprechend wichten. In jedem Fall kann die Auswirkung der SEE-Kriterien, wie in den folgenden Beispielen beschrieben, erheblich sein.

Während des Preishochs im Jahr 2011 hatten die Perspektiven einer wirtschaftlichen Erschließung von SEE-Lagerstätten zu einer wahren Erkundungswelle geführt. Bei derart hohen Preisen konnten sogar geringhaltige Lagerstätten oder potentielle Projekte mit hohen Kapital- oder Betriebskosten konkurrenzfähig werden. Aber auf das Preishoch folgte ein rasanter Preissturz, so dass sich viele Investoren gezwungen sahen, ihre Planungen zu überdenken und zu erkennen, dass die Durchführbarkeit eines Bergbauprojekts für seltene Erden eine schwer zu lösende Aufgabe ist.

Das Gleichgewichtsproblem, wie in diesem Beitrag und in anderen Studien beschrieben, kann ebenfalls erheblichen Einfluss auf die Durchführbarkeit eines SEE-Tiefbauprojekts haben. Die Schwankungen bei der Nachfrage und damit auch bei den Preisen der einzelnen SEE können in hohem Maße bestimmen, ob eine Lagerstätte die Perspektive hat, wirtschaftlich erschlossen zu werden oder nicht. Eine mit HREE angereicherte Lagerstätte z. B. weist perspektivisch eine größere Kostentoleranz auf, so dass von höheren Kapital- und Betriebskosten ausgegangen werden kann. Ein charakteristisches Beispiel ist die HREE Karbonatit-Lagerstätte in Lofdal, Namibia, wo Erkundungstätigkeiten ein Vorkommen mit hohen Yttrium- und Dysprosiumkonzentrationen ergaben (22). Jedoch haben die mangelnde Infrastruktur und fehlende Wasser- und Stromversorgung in dieser Gegend viele Probleme hinsichtlich hoher Kostenabschätzungen aufgezeigt. Trotzdem hat dieses Bergbauprojekt gute Aussichten, realisiert zu werden.

Umweltfaktoren können ebenfalls einen großen Einfluss auf die Durchführbarkeit eines SEE-Tiefbauprojekts haben. Probleme treten nicht nur während der anfänglichen Evaluierungsphase auf, sondern auch, wenn die Abbau- und Aufbereitungsaktivitäten schon in vollem Gange sind. Typisches Beispiel für einen derartigen Fall ist die Schließung der Mountain Pass-Anlage in Kalifornien, USA (1). Im Jahr 1998 wurde die chemische Aufbereitung der seltenen Erden nach einer Reihe von Leckagen des mit radioaktiver Fracht kontaminierten Abwassers gestoppt. So musste der Bergbaubetrieb im Jahr 2002 gestundet werden, sowohl wegen der verursachten Umweltschäden als auch aufgrund niedrigerer Preise für SEE.

Der Bergbaubetrieb in Mountain Pass wurde zwar im Jahr 2012 wieder aufgenommen, aber der geschilderte Zwischenfall gab China in der Zwischenzeit die Gelegenheit, die Marktführerschaft zu ergreifen und die SEE-Industrie über die beiden letzten Jahrzehnte zu dominieren. Die lasche Gesetzgebung, nicht ausreichende Kontrolle und unzureichende Schutzmaßnahmen haben dort jedoch zu einer immensen Umweltkatastrophe geführt. Die chinesischen Behörden ergreifen jetzt Maßnahmen zur Sanierung der direkten Umgebung der Seltenerdbergwerke. Das wiederum hat in den letzten drei Jahren zu einem Produktionsrückgang in China und damit zu gesunkenen Exportquoten geführt, was noch mehr Probleme für den an sich schon prekären SEE-Markt mit sich gebracht hat (1).

Umweltbedenken einhergehend mit einer strengen Gesetzgebung in Australien haben die Lynas Corporation veranlasst, die Lynas Advanced Materials Plant (LAMP) in Kuantan, Malaysia zu bauen, wohin die im australischen Mount Weld abgebauten SEE-Konzentrate transportiert werden. Dieses Bergwerk führt eindeutig zu geringeren Belastungen als Bayan Obo (China) und Mountain Pass (USA) und Strahlungsraten, die weit unterhalb derjenigen beim Abbau von hochwertigem Uran liegen (1). Das Unternehmen beschloss, den Standort zur Weiterverarbeitung in Malaysia zu errichten.

Das hat zu internationalen Protesten geführt, die umweltpolitische und soziale Ungerechtigkeit anprangern. Dieser Fall könnte einmal mehr als NIMBY-Syndrom seitens der beiden beteiligten Länder Australien und Malaysia bezeichnet werden. Auch sind die Befürchtung und der Verdacht entstanden, dass strenge Umweltvorschriften in Industrieländern Bergbauunternehmen dazu zwingen, mit Genehmigung der Behörden ihre Weiterverarbeitungsanlagen in Entwicklungsländern zu errichten, in denen die Gesetzgebung lascher ist.

Schlussbetrachtung

Die seltenen Erdelemente sind nicht nach ihrer tatsächlichen Seltenheit benannt. Im Gegenteil, man kann sie fast überall finden, jedoch selten unter geologischen Bedingungen, die ihre Konzentration für eine wirtschaftliche Gewinnung attraktiv machen (23). Zudem müssen die Grenzbedingungen und Anforderungen, die in diesem Beitrag diskutiert wurden, bei der Bewertung von Perspektiven für einen Untertageabbau von seltenen Erden berücksichtigt werden.

Das Errichten einer Tiefbaugrube ist eine Großinvestition. Hinzu kommt, dass, wenn das Abbauverfahren erst einmal ausgewählt ist und angewandt wird, eine nachträgliche Änderung fast unmöglich ist. Daher ist der Auswahlprozess des Abbauverfahrens so entscheidend für die Nachhaltigkeit eines SEE-Projekts und SEE-spezifische Parameter müssen in gleichem Maße wie alle anderen wichtigen Kriterien in die Bewertung einfließen.

Die gängigen Instrumente zur Auswahl der Abbauverfahren basieren auf Berechnungsprozessen und können einige der für die SEE-Industrie spezifischen Kriterien aufgreifen. Dennoch gibt es bislang keine etablierte Bewertungsmethodologie, welche die SEE-Marktsituation oder soziale und gesetzliche Vorgaben berücksichtigt – Faktoren, die die Entwicklung eines SEE-Tiefbauprojekts erst ermöglichen und seine Durchführbarkeit sicherstellen.

Der Tiefbau auf seltene Erden befindet sich aufgrund der fragilen Gesamtsituation und dem Mangel an intellektuellem Kapital und praktischer Erfahrung in schwierigem Fahrwasser. Relevante Praxis bei ähnlichen Tiefbauaktivitäten, z. B. bei Uran-Lagerstätten, kann hilfreich sein, um einige der Risiken und Grenzbedingungen besser zu verstehen und zu evaluieren. Trotzdem ist der Umgang mit seltenen Erden deutlich komplizierter und erfordert besondere Lösungsansätze.

Die in diesem Beitrag vorgestellten SEE-Kriterien sollten mit den bereits in früheren Untersuchungen und in der Fachliteratur gut etablierten anderen Parametern kombiniert werden, um zu einem Gesamtbewertungsinstrument für den zukünftigen Untertageabbau von seltenen Erden zu gelangen. Dieses Instrument sollte zur Optimierung des Auswahlprozesses der geeigneten untertägigen Abbauverfahren beitragen und den Investoren helfen, akkurate und gesicherte Entscheidungen darüber zu treffen, ob und wann solche Investitionen durchgeführt werden sollten. Es sollte auch die sozialen Erwägungen und Umweltbetrachtungen berücksichtigen, die aus schlechten Praktiken der Vergangenheit resultieren.

References / Quellenverzeichnis

References / Quellenverzeichnis

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Autoren:
George Barakos, Helmholtz Institut Freiberg für RessourcentechnologieHelmut Mischo, Institut für Bergbau und Spezialtiefbau der TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Deutschland
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