Dr.-Ing. Olaf Drusche, Technische Hochschule Georg Agricola (THGA), Bochum, Prof. Dr. rer. pol. Jürgen Kretschmann, RWTH Aachen University, Aachen
1 Einleitung
Im Netto-Null-Emissionsszenario wird Strom zum neuen Dreh- und Angelpunkt des globalen Energiesystems und deckt bis 2050 mehr als die Hälfte des gesamten Endverbrauchs und zwei Drittel der Nutzenergie. Die gesamte Stromerzeugung soll bis 2050 um 3,3 %/a wachsen und damit schneller als das weltweite Wirtschaftswachstum in diesem Zeitraum. Der jährliche Kapazitätszuwachs aller erneuerbaren Energien vervierfacht sich von 290 GW im Jahr 2021 auf rd. 1.200 GW im Jahr 2030. Da die erneuerbaren Energien im Jahr 2030 einen Anteil von über 60 % an der Gesamterzeugung erreichen, werden voraussichtlich keine neuen Kohlekraftwerke benötigt. Der jährliche Zubau an Kernkraftwerkskapazität bis 2050 ist fast viermal so hoch wie der jüngste historische Durchschnitt (1).
Ein Energiesystem, das mit erneuerbaren Energietechnologien betrieben wird, unterscheidet sich grundlegend von einem, das mit traditionellen Kohlenwasserstoffressourcen betrieben wird (2). Beispielsweise erfordert der Bau von Photovoltaikanlagen und Windparks mehr Mineralien und Metalle als Anlagen auf Basis fossiler Brennstoffe. Eine Windkraftanlage an Land benötigt neunmal mehr Bodenschätze als ein Gaskraftwerk. Stromnetze benötigen enorme Mengen an Kupfer und Aluminium. Laut dem Bericht über Rohstoffe für strategische Technologien und Sektoren der Europäischen Union (EU) könnte sich die Nachfrage nach einigen Seltenerdmetallen, die in Permanentmagneten für Elektrofahrzeuge, digitale Technologien oder Windgeneratoren verwendet werden, bis 2050 verzehnfachen (Bild 1) (3).
2 Risiken eines nicht nachhaltigen Bergbaus für die erneuerbaren Energien
Welche Emissionen und Abfälle fallen an, um diese Metalle herzustellen? Die Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette vom Abbau bis zum Produkt und inklusive der Abfälle ist notwendig, um Aspekte von nachhaltigen Energietechnologien zu erkennen. Zwangsläufig ergibt sich eine bislang wenig beachtete Umweltproblematik der erneuerbaren Energien, deren Rohstoffe zum größten Teil aus China, Myanmar, Vietnam, Malaysia und Australien stammen.
Nicht nachhaltige Abbaupraktiken von Seltenen Erden stehen immer wieder im Fokus der Berichterstattung, z. B. an der Landesgrenze zwischen Myanmar und China (4). Myanmar konnte in den letzten fünf Jahren die jährliche Produktion auf durchschnittlich 24.000 t steigern (5). Mit diesem Produktionsvolumen wurde Myanmar zum weltweit viertgrößten Produzenten von Seltenen Erden. In Myanmar ist der Abbau von Dysprosium und Terbium, den beiden wertvollsten schweren Seltenerdelementen, von besonderem Interesse (6). Ihr Hauptanwendungsgebiet sind Hochleistungs-Permanentmagnete, die zur Herstellung von Motoren und Generatoren für Elektrofahrzeuge und Windkraftanlagen benötigt werden.
Die mit Hilfe der sogenannten In-Situ-Laugung gewonnenen Elemente sind sehr begehrt, weil die chinesische Zentralregierung, trotz des weltweit steigenden Bedarfs, in den letzten Jahren ihre Bemühungen zur Sanierung der Seltenerdindustrie verstärkte und den Abbau in der Provinz Jiangxi stark limitierte – Bergwerke wurden geschlossen (Bild 2).
Das Verfahren der In-Situ-Laugung ist vom ökologischen Standpunkt aus äußerst kritisch zu bewerten. Große Bodenbereiche werden mit der Laugungslösung (Ammoniumsulfat) durchsetzt. Während des Auslaugungsprozesses können die Laugungslösung und ein verändertes Bodenmilieu (niedrige pH-Werte) toxische Schwermetalle wie Blei und Zink im Boden aktivieren. Die Schwermetallverschmutzung in den Böden ist gravierend, und ihre Anreicherung wurde auch im Oberflächen- und Grundwasser beobachtet (7, 8). Der Einsatz umweltverträglicher Produktionsmethoden, wie beispielsweise der Einsatz biotechnologischer Methoden (Biolaugung) erfolgt leider nicht, obwohl Alternativen vorhanden sind (9).
Vor dem Hintergrund, dass das Recycling von Seltenen Erden aus End-of-Life-Produkten (EoL) weltweit weniger als 1 % beträgt und als „lost by design“ bezeichnet werden kann (10, 11, 12), stellt sich die Frage, ob erneuerbare Energieformen wirklich nachhaltig sind und ob der Begriff „saubere Energieerzeugung“ gerechtfertigt ist.
Wie bei der Kernenergie ist auch hier eine zeitliche und räumliche Verschiebung der Problemfelder zu beobachten. Vor dem Hintergrund, dass bei der Produktion von Seltenerdelementen (SEE) zunehmend mehr Emissionen und Abfälle anfallen, gewinnt diese Problematik an Relevanz.
3 Seltenerdelemente und Radioaktivität
Die erneuerbaren Energietechnologien werden ein wichtiger Wachstumstreiber für die SEE-Industrie sein. Weltweit steigt der Bedarf an seltenerdhaltigen Permanentmagneten für Windkraftanlagen und Hybrid- sowie Elektrofahrzeuge weiter an (Bild 3). Windkraftanlagen benötigen Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete, welche wesentliche Mengen der SEE Neodym, Praseodym und Dysprosium beinhalten. Für heutige Windkraftanlagen mit permanenterregten Generatoren liegt der mittlere spezifische Bedarf von Neodym bei 0,2 t/MW (13). Der Bedarf für Neodym in Windkraftanlagen wird gemäß Prognosen im Jahr 2040 zwischen 9.000 und 13.000 t liegen (14). Im Jahr 2018 lag der weltweite Bedarf an Neodym für Windkraftanlagen noch bei 2.430 t (15).
Seit dem Jahr 2011 mit den Marktturbulenzen und Preisentwicklungen und dem resultierenden Versorgungsrisiko besitzt die Rohstoffkritikalität der SEE eine besondere Relevanz. Neben Marktfragen sind noch weitere Aspekte zu berücksichtigen, z. B. in Bezug auf den Wert der Lagerstätten, welche SEE beinhalten. Einige der Lagerstätten sind als hochgradig oder großvolumig gekennzeichnet. Dies bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass sie kommerziellen Erfolg haben werden.
Eine der kontroversesten Fragen bei SEE ist das Vorhandensein von Radioaktivität in den SEE-führenden Mineralien, in erster Linie Thorium und Uran, wobei auch die SEE an sich natürliche radioaktive Isotope aufweisen. Bei der Aufbereitung von Monazit zur Gewinnung von separierten Seltenen Erden fallen erhebliche Mengen Thorium an, die sicher gehandhabt werden müssen, um die Öffentlichkeit nicht zu beunruhigen und die Umwelt nicht zu belasten. Nach einem Artikel der Chinesischen Gesellschaft für Seltene Erden kann bei der Produktion einer Tonne SEE auch eine Tonne radioaktiver Rückstände anfallen (16).
Der Gehalt an natürlich vorkommendem radioaktivem Material (NORM) in geologischen Formationen von SEE kann in der Konzentration von unbedeutend bis hoch variieren, sodass gesetzliche Regelungen sowie besondere Sorgfalt und eine genaue Überwachung während der Gewinnung erforderlich sind. Der Abbau, die Trennung, die Behandlung und die Entsorgung radioaktiver Stoffe kann zu hohen Zusatzkosten sowie zu Risiken für Gesundheit und Umwelt führen (17). Um Vorschriften und Verbindlichkeiten zu vermeiden, werden Erzvorkommen mit geringen Konzentrationen radioaktiver Elemente bevorzugt. Entscheidend für den SEE-Bergbau ist die Voraussetzung einer sorgfältigen Bewertung, um die goldene Mitte zwischen lebensfähigem Bergbau und Umweltschutz zu finden (18).
Neben der Zerstörung der natürlichen Lebensgrundlagen treten erhebliche gesundheitliche Auswirkungen auf. Die hohen Anteile an Thoriumoxid, welche mit SEE assoziiert werden, sind bereits länger bekannt. (19, 20). Das Ausgangsmineral Monazit enthält typischerweise 3,5 bis 10 % Thoriumoxid und 0,1 bis 0,4 % Uranoxid. Thorium bzw. Thoriumoxid ist wegen der Radioaktivität und Toxizität nicht zu unterschätzen. Die ionisierende Strahlung (Zerfallsart: α, γ) kann bei Inhalation erhebliche Schäden im Organismus anrichten. Mit einer spezifischen Aktivität des Thoriumoxids von ca. 7.150 Bq/g und seiner Halbwertszeit T1/2 von 14,05 Ma fällt es laut IAEA-Einstufung nicht mehr unter Low Level Waste (LLW), sondern unter Intermediate Level Waste (ILW). Abfall mit einer Radioaktivität von 1.010 bis 1.015 Bq/m³ wird als Intermediate Level Waste oder auch mittelradioaktiver Abfall bezeichnet. ILW muss wie jeder andere mittelradioaktive Abfall behandelt werden.
4 Abfälle und Emissionen
Die Weltproduktion der SEE belief sich 2021 auf rd. 280.000 t/a (Bild 4). Auch wenn die Abbaumenge im Vergleich zu Eisen und Stahl (1,9 Mrd. t Rohstahl) und Kupfer (rd. 20 Mio. t) noch gering ist, besteht eine wachsende Notwendigkeit, die Emissionen aus der Produktion dieser Mineralstoffe zu begrenzen, da auch diese mit zunehmenden Emissionspotentialen verbunden sind (21, 22).
Berichte zu den Problematiken um das Abfallmanagement bei der Aufbereitung der Seltenen Erden am Standort Kuantan/Malaysia der australischen Lynas Rare Earth Ltd. zeigen die hohe Relevanz des Stoffstrommanagements. Lynas ist nach eigenen Aussagen ein ethisch und ökologisch verantwortungsbewusster Hersteller von Seltenen Erden und der einzige Hersteller von separierten Seltenen Erden außerhalb Chinas (23).
Die in Mount Weld in Westaustralien produzierten SEE-Konzentrate werden nach Kuantan verschifft. Die Uran- und Thoriumgehalte von 11 bzw. 630 ppm liegen im Vergleich zu anderen Lagerstätten weltweit im oberen Bereich (24). Dort wird die Aufbereitung fortgesetzt, indem die SEE-Konzentrate von überflüssigem Material getrennt und separiert werden. Bei dem Prozess entstehen mehr als 90.000 m3/a radioaktive Abfälle. Eine Reduzierung der festen Reststoffe soll laut der Lynas Rare Earth Ltd. durch die kommerzielle Nutzung der recycelten Abfälle, z. B. als Baustoffe erreicht werden. Allerdings gibt es demgegenüber Bedenken, da recyceltes Baumaterial kontaminiert bzw. radioaktiv sein könnte (25). Eine weitere Überlegung des Unternehmens besteht darin, den Abfall auf eine Thorium-Konzentration von weniger als 500 ppm zu verdünnen, welche die maximale Konzentration darstellt, die nach internationalen Standards für das zu entsorgende Material ohne Einschränkungen zulässig ist. Jährlich sollen 220.000 t Abfall nach dem Konzept der „Lösung durch Verdünnung“ verarbeitet werden (26). Umweltwissenschaftler halten dies für eine schlechte Lösung.
Die Verklappung ist aus Gründen des Umweltschutzes und zum Schutz der Bevölkerung und der Arbeiter keine Alternative (27). Die Schaffung einer toxischen Altlast ist eine ungerechtfertigte Belastung für die heutige Generation und künftige Generationen. Bereits Schüler et al. (28) führen in ihrer Studie als Beispiel das Bergbauunternehmen Inner Mongolia Baotou Steel Union bzw. China Northern Rare Earth an, in der SEE als Kuppelprodukt des Eisenerzes gewonnen werden. Die Aufbereitungsrückstände belaufen sich in dem Fall auf 150 Mio. t (28). Kürzlich wurde berichtet, dass es in Ganzhou/China etwa 300 stillgelegte Seltenerdbergwerke gibt, die 191 Mio. t Schlacke- und Aufbereitungsrückstände hinterlassen haben. Das kontaminierte Waldgebiet hat eine Fläche von 97 km2. Die chinesische Regierung rechnet damit, dass es 70 Jahre dauern und ca. 4,9 Mrd. € kosten wird, die Umwelt zu sanieren (29).
Absetzbecken enthalten erhebliche Mengen an Thorium, das zusammen mit dem bei der Aufbereitung entstehenden Staub das Grundwasser und die Luft massiv belasten kann (30). Die hierdurch entstehende Luftverschmutzung – vor allem durch Staubentwicklung – kann abhängig von der physikalisch-chemischen Zusammensetzung hautreizend, giftig oder krebserregend sein. Die weitläufigen Absetzbecken enthalten eine Vielzahl von toxischen Chemikalien und radioaktive Elemente (Bild 5). Aufgrund dieser Belastungen könnte die Sterblichkeitsrate durch Lungenkrebs deutlich erhöht werden. Durch mangelnde Vorkehrungen können giftige Stoffe in die Flüsse, das Grundwasser und den Boden dringen und so die Gesundheit der lokalen Bevölkerung beeinträchtigen. Folgen einer derartigen kontinuierlichen Vergiftung sind u. a. Diabetes, Osteoporose sowie Brust- und Atmungsprobleme (31).
5 Verwendung radioaktiver Abfälle
Der Gehalt an radioaktiven Elementen muss aus vorgenannten Gründen detailliert betrachtet werden, da er sich einerseits auf die Umwelt auswirkt und einen direkten Einfluss auf die Bewohner in den Abbaugebieten hat, und andererseits einen verantwortungsvollen Abbau der wertvollen Mineralien auf wirtschaftliche und umweltfreundliche Weise voraussetzt. Aufgrund der zunehmenden Transparenz der Wertschöpfungsketten und des daraus resultierenden Bewusstseins der Stakeholder für ökologische und soziale Belange haben diese Aspekte das Potential, zum stärksten Hebel für zukünftige nachhaltige Geschäftsmodelle zu werden.
Die aktuell möglichen Anwendungsgebiete für Thorium bzw. Thoriumoxid liegen momentan in Schweißelektroden, Lampenbau, Glühstrümpfen, Legierungen und insbesondere optischen Linsen. In einer Untersuchung der Technischen Hochschule Georg Agricola (THGA), Bochum, wurden nachhaltigkeitsorientierte Verwendungen für Thorium bzw. Thoriumoxid überprüft, um eine wirkliche industrielle Symbiose im Rahmen von Unternehmensnetzwerken zu erzielen (32).
Gegenwärtig gibt es ein erneutes Interesse an der Verwendung von Thorium als Brennstoffquelle in der Kerntechnik, da es in größeren Mengen als Uran vorkommt (33). Technisch gesehen ist Thorium eine zukunftsfähige Alternative, da es ein effizientes Spaltmaterial ist, das weniger unerwünschte Abfallprodukte als Uran erzeugt und das Interesse für die SEE erweitert. So könnten z. B. staatlich geförderte Projekte zur thoriumbasierten Kernkraft in China, Indien, Norwegen, den USA und dem Vereinigten Königreich von Thorium profitieren, das bei der SEE-Verarbeitung gewonnen wird (34, 35).
Zudem kommt das Thoriumisotop 232 (90Th232) in den Gesteinen der Erdkruste durchschnittlich 3,5-mal häufiger vor als Uran; die weltweiten Thoriumressourcen werden auf 6,4 Mio. t geschätzt (5, 36). Die wirtschaftlich gewinnbaren Thoriumvorräte der Welt werden auf etwa 2,61 Mio. t geschätzt, wobei Australien und die USA mit 489.000 bzw. 400.000 t führend sind. Die europäischen Volkswirtschaften Türkei und Norwegen verfügen über 344.000 bzw. 132.000 t Thorium (35).
Durch seine kurzlebigen radioaktiven Abfälle (max. 300 Jahre) sowie der hohen Wirkungsgrade der Thorium-Brennelemente hat es Vorteile gegenüber Uran (37). Die Verwendung von Thorium im Kernbrennstoffkreislauf als Ergänzung zum Uran/Plutonium-Kreislauf zeigt zudem Potential zur Verbesserung der mittelfristigen Flexibilität der Kernenergie und ihrer langfristigen Nachhaltigkeit. Damit es jedoch auf breiter Skala einsetzbar ist, wird eine große Menge Uran 233 benötigt, welches nur verfügbar ist, wenn Thorium zusammen mit „klassischen“ Uran-/Plutonium-Brennstoffen verwendet wird (38).
Längerfristig könnte die potentielle Einführung fortgeschrittener Reaktorsysteme eine Gelegenheit bieten, die vollen Vorteile eines geschlossenen Thorium- und 233U-Brennstoffkreislaufs in speziellen Brüterreaktoren, die sich derzeit in der Phase der Designstudie befinden, zu realisieren.
Für eine nachhaltige Energieerzeugung stellt die Kernenergie neben den erneuerbaren Energieformen Wind, Solar und Wasserkraft, eine weitere CO2-arme Energieform dar. Ein kompletter Wechsel zu Wind und Solar kann nur mit ausreichenden Speichermöglichkeiten sichergestellt werden. Ökobilanzen verdeutlichen, dass die CO2eq-Emissionen der Kernenergie und der Windenergie über den gesamten Lebenszyklus im Vergleich zur Gasenergie um den Faktor 5 geringer sind (39).
Laut einer vergleichenden Studie zur Ermittlung der CO2-Emissionen der gängigsten Kraftwerkstypen emittiert ein Kohlekraftwerk ca. 950 g CO2/kWh, ein Kernkraftwerk ca. 30 g/kWh. Nach Angaben der Quelle wurde nicht nur der Betrieb, sondern der gesamte Lebenszyklus der Anlagen einschließlich aller Produktionsschritte betrachtet (40). Weitere Untersuchungen zeigen, dass die Strahlenbelastung, die durch die Verwendung der Seltenerdmetalle Neodym und Praseodym in Windkraftanlagen entsteht, in der Summe niedriger bis sehr viel niedriger als jene ist, die durch Atomstrom verursacht wird (41), aber sie ist dennoch von Bedeutung und kann in der „politischen Arena“ nicht ignoriert werden.
Mit Thorium als Ausgangsmaterial können Reaktoren gebaut werden, die den zukünftigen Energiebedarf decken. Hohes Potential wird der nuklearen Energieerzeugung mit Reaktorkonzepten der „Generation IV“, insbesondere den Technologien des Flüssigsalzreaktors bzw. des Molten-Salt-Reaktors (MSR), zugeschrieben (42, 43). Innovationen in der Reaktortechnologie versprechen niedrigere Kosten, verbesserte passive Sicherheit, kürzere Bauzeiten, geringere absolute Größe, flexiblere Standortwahl und die Möglichkeit, nuklearen Abfall als Brennstoff zu verwenden. Diese Konzepte sind jedoch weniger erprobt und die Lieferketten für viele ihrer Komponenten sind noch nicht entwickelt (43). Die zukünftige Entwicklung des Weltenergiebedarfs könnte jedoch die Möglichkeit eröffnen, die Aufbereitung und Vermarktung von Thorium, insbesondere für kleinere MSR-Raktoranwendungen, in einem strategischen Zeithorizont zu realisieren (44).
6 Diskussion und Zusammenfassung
Es ist davon auszugehen, dass durch den Einsatz erneuerbarer Energien eine umweltfreundlichere Energieerzeugung durch Dekarbonisierung möglich und angesichts des Bevölkerungswachstums auch dringend erforderlich ist.
Die rasante Entwicklung der heutigen Gesellschaft, die mit einer steigenden Nachfrage nach Energie und umweltfreundlicher Hochtechnologie einhergeht, erfordert einen erweiterten Zugang zu den SEE. In dem Maß, wie die Nachfrage nach diesen Elementen steigt, wächst auch die Menge an Abfällen, Nebenprodukten und Rückständen, die in den verschiedenen Phasen ihrer Herstellung anfallen. All dies führt zu einer zunehmenden Verschmutzung der Umwelt und aller ihrer Bestandteile. Infolgedessen wurden erhöhte Konzentrationen von Uran und Thorium in Luft, Wasser, Flora und Fauna festgestellt.
Die Forderung nach einem substanziellen Beitrag zum Klimaschutz der EU-Taxonomie auf Basis erneuerbarer Energietechnologien ist jedoch nur möglich, wenn die Rohstoffe, im konkreten Fall die Seltenen Erden, verantwortungsvoll abgebaut und ihre Nebenprodukte genutzt werden. Zu den wichtigsten Herausforderungen für einen verantwortungsvollen Bergbau gehören die zunehmende Abfallproblematik, die Bewältigung externer Umweltauswirkungen, die Integration technologischer Innovationen und die Schaffung eines sozialen Nettonutzens für die von den Projekten betroffenen Gemeinden. Der Einsatz umweltverträglicher Produktionsmethoden, die Erfüllung aller Rekultivierungsaufgaben als integraler Bestandteil des Bergbaus und die Berücksichtigung und Reduzierung indirekter Kosten/Externalitäten ist eine zwingende Notwendigkeit (45, 46). Die Internalisierung der Kosten für schädliche Auswirkungen muss ein Anreiz für die Bergbauindustrie sein, ihre Nachhaltigkeitsleistung zu verbessern.
Der dauerhafte Bestand bzw. die Erneuerung und die Entwicklung von Wohlstand in einem geschlossenen System mit begrenzter Ressourcenverfügbarkeit ermöglicht die Kreislaufwirtschaft durch einen ökonomischen Ansatz, bei dem die eingesetzten Materialien und Energien nicht als Rückstände oder Abfälle aus dem Wirtschaftsprozess entfernt, sondern in den Produktions- oder Konsumprozess zurückgeführt werden (47, 48).
Die Wiederverwendung von Thorium, das als Nebenprodukt bei der Produktion von SEE anfällt, sollte deshalb als eine notwendige Option für die Zukunft angesehen werden. Neben dem Vorkommen und den sich daraus ergebenden Möglichkeiten für eine langfristige, von Sonne und Wind unabhängige Primärenergieerzeugung hat Thorium das Potential, den Brennstoffanteil für die nukleare Kettenreaktion zu erhöhen und damit die Abfallmenge für die gleiche erzeugte Energiemenge zu verringern. Die Nachfrage nach einer sauberen, sicheren und erschwinglichen Kernenergiequelle wird einen Einfluss auf das Wachstum des Thoriummarkts haben (49). Es wird erwartet, dass die Größe des Thoriummarkts im Zeitraum von 2021 bis 2028 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 4 % zunimmt.
Wie oben beschrieben, kann Thorium erfolgreich in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden. Geschieht dies nicht, werden die (radioaktiven) Abfälle nicht genutzt, sondern verdünnt, werden die angestrebten Umweltziele nicht erreicht. Die Nutzung sollte somit unter dem Aspekt der Energie- und Ressourceneffizienz erfolgen. Eine zirkuläre Handlungsweise, zirkuläre Geschäftsmodelle könnten zwei der sechs Umweltziele der EU-Taxonomie direkt erfüllen: Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung und Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft.
References / Quellenverzeichnis
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