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A2.2

2 Grundlegende Eigenschaften und Verwendungsbereiche von Metallen

2.1 Vorkommen, Klassifizierung und Eigenschaften von Metallen

Rund Zweidrittel aller in der Natur vorkommenden chemischen Elemente sind Metalle. Sie lassen sich auf verschiedene Weise kategorisieren:

  • In Eisen- und Nichteisenmetalle, die weiter unterschieden werden in
    • In Leicht- und Schwermetalle und
    • In Edelmetalle und Bundmetalle, sowie
  • In Massenmetalle und Technologiemetalle.

Eisenmetalle umfassen typischer Weise Eisen und Legierungen mit einem Eisenanteil über 50 %, alle Metalle außer Eisen und Legierungen mit maximale 50 % Eisenanteil gelten entsprechend als Nichteisenmetalle. Nichteisenmetalle lassen sich weiter unterscheiden in Schwer- und Leichtmetalle, wobei typischer Weise eine Dichte von 5 g/cm³ als Grenze angesetzt wird sowie in Edelmetalle (Gold, Silber, Platingruppenmetalle) und Buntmetalle (alle anderen Nichteisenmetalle wie Kupfer, Aluminium, Zink, Nickel, Kobalt usw.).

Etwas jünger ist die Einteilung in Massenmetalle und Technologiemetalle. Zu den Massenmetallen zählen Eisen und Stahl, Kupfer, Aluminium, Blei und Zink, die in vergleichsweise großen Mengen gefördert und angewendet werden. Unter Technologiemetallen werden typischer Weise solche Metalle gefasst, die in relativ geringen Mengen in Produkten eingesetzt werden und durch die besondere Funktionalitäten moderner Produkte erreicht werden können. Hierzu zählen beispielsweise Halbleitermaterialien wie Indium, Gallium und Germanium oder Metalle mit besonderen magnetischen Eigenschaften wie Neodym, Terbium und Dysprosium. Eine klare Definition für die Klassifizierung in Massen- und Technologiemetalle gibt es jedoch nicht, entsprechend lässt sich keine scharfe Einteilung vornehmen.

2.1.1 Entwicklungstrends

Historisch wurden Metalle lange Zeit in erster Linie als formgebende Werkstoffe in elementarer Form oder in einfachen Legierungen angewendet, beispielsweise in Werkzeugen oder Münzen, später beispielsweise im Fahrzeugbau. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung stiegen die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe bezüglich Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Verarbeitbarkeit usw. Metalle wurden zunehmend miteinander kombiniert und bisher nicht eingesetzte Metalle fanden Einzug in die Produkte. Heute beispielsweise ist Stahl fast immer mit Elementen wie Vanadium, Chrom, Mangan, Nickel, Niob oder Molybdän legiert. Aluminium wird häufig mit Kupfer, Mangan, Silicium, Magnesium oder Zink legiert, Kupfer beispielsweise mit Zink, Zinn, Aluminium, Strontium, Eisen oder Blei. Durch zusätzliches Beschichten (Galvanisieren) von Metallen oder Kunststoffen mit beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom oder Zink können weitere technische und optische Eigenschaften erreicht werden.

In vielen Anwendungsbereichen wurden durch die neuen Materialkombinationen enorme Verbesserungen der Eigenschaften verwirklicht. Festere, zähere und härtere Legierungen ermöglichen längere Produktlebensdauern in einer Vielzahl von Anwendungen. Besonders leichte Legierungen ermöglichen moderne Leichtbauanwendungen in der Fahrzeugtechnik. Im Bereich der Permanentmagnete wurden erst durch die Anwendung von Samarium-Kobalt-Magneten und später von Neodym-Eisen-Bor Magneten die magnetischen Eigenschaften um Größenordnungen verbessert, was kompaktere Bauformen (beispielsweise von Elektromotoren) und höhere Leistungen (beispielsweise von Windkraftanlagen) ermöglicht. Im Bereich der Elektronik wurden durch neue Materialkombinationen kompaktere, leistungsfähigere Produkte ermöglicht, im Bereich der Photovoltaik erlauben moderne Halbleitermaterialien (Cadmium-Tellurid, Indium-Gallium-Di-Selenid, Germaniumarsenid) leichtere, flexibel einsetzbare Module mit hohen Leistungen für verschiedenste Anwendungen. In vielen heutigen Produkten sind viele verschiedene Legierungen und Materialverbindungen verbaut, wodurch verschiedenste Anforderungen erfüllt werden.

In zahlreichen dieser Anwendungen besteht ein direktes oder indirektes Potenzial Umweltwirkungen zu reduzieren. Produkte wie Windenergieanlagen, Photovoltaikzellen und Elektroautos sind elementare Bestandteile von Entwicklungsstrategien hin zu einer „Low-Carbon-Society“. Indirekte Potentiale ergeben sich beispielsweise durch reduzierte Gewichte (geringere Emissionen im Transport), längere Produkthaltbarkeit (reduzierter Ressourcenverbrauch) und höhere Effizienzen (niedrigerer Energieverbrauch).

Gleichzeitig ist der Entwicklungstrend von einfachen Metallen hin zu hochfunktionalen Legierungen mit verschiedenen Problematiken verbunden, auf die in gesonderten Abschnitten eingegangen wird:

  • Mit der zunehmenden Anwendung einer Vielzahl von Metallen wachsen die Risiken, die im Falle eines Versorgungsenpasses bestehen (--> Abschnitt 1.3).
  • Die Vielzahl an Metallen, die zudem häufig in geringen Mengen und verschiedensten Kombinationen eingesetzt werden, lässt sich häufig nur schwierig separieren und bedeutet eine große Herausforderung für das Produktrecycling (--> Abschnitt 2).
  • Die steigende Nachfrage und die entsprechende Produktion der nachgefragten Metalle führt zu signifikanten Umweltwirkungen (--> Abschnitt 3).
2.2 Verwendung von Metallen in Deutschland

Für viele Metalle ist Deutschland einer der größten Verbraucher an Metallen: Bei Aluminium, Blei, Kupfer, Nickel und Zinn gehört Deutschland zu den fünf größten Verbrauchern weltweit (vgl. Abbildung 2). Ein besonders hoher Verbrauch Deutschlands zeigt sich auch bei verschiedenen Technologiemetallen wie Gallium und Germanium (Verbrauchsanteil Deutschland 15 bis 25 %; Erdmann und Behrendt 2011). Auch bei Palladium, Silber, Wolfram und Bismut liegt der Anteil Deutschlands am weltweiten Verbrauch bei über 10 % (Erdmann und Behrendt 2011).

Abbildung 2:   Globale Nachfrage im Jahr 20141 - Anteile der größten Verbraucher (BGR 2015)

2.3 Kritikalität von Metallen

Die wachsende Verwendung einer Vielzahl verschiedener Metalle (vgl. Abschnitt 1) führt zu einer zunehmenden Abhängigkeit der Rohstoffversorgung. Umgekehrt können Versorgungsengpässe signifikante Auswirkungen auf einzelne Unternehmen und ganze Wirtschaftszweige haben. Zur Bewertung dieser beiden Dimensionen, des Risikos eines Versorgungsengpasses und den potentiellen Auswirkungen eines solchen Engpasses hat sich die Methode der Kritikalitätsbewertung etabliert. Metalle mit einem hohen Versorgungsrisiko und gleichzeitig hohen potentiellen Auswirkungen eines Versorgungsengpasses werden als kritische Metalle bezeichnet. Die beiden Dimensionen werden jeweils mit verschiedenen Kriterien bewertet. Die potentiellen Auswirkungen werden anhand Kriterien wie unter anderem Anteil am Weltverbrauch, Sensitivität der Wertschöpfungskette, globale Nachfrageimpulse durch Zukunftstechnologien bewertet. Zur Bewertung des Versorgungsrisikos finden sich Kriterien wie Länderkonzentration der globalen Reserven, Unternehmenskonzentration der Produktion und Recyclingfähigkeit.

Für Deutschland wurde im Jahr 2010 eine Bewertung kritischer Rohstoffe durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt und wurden in sechs Zonen gegliedert: Eine Zone geringe Kritikalität (geringes Versorgungsrisiko, geringe Vulnerabilität) (Zone I), eine Zone mit geringem Versorgungsrisiko und hohe Vulnerabilität (Zone II), eine Zone mit hohem Versorgungsrisiko, geringer Vulnerabilität (Zone III), eine Zone mittlerer Kritikalität (mittleres Versorgungsrisiko, mittlere Vulnerabilität) (Zone IV), eine Zone hoher Kritikalität (Zone V) und eine Zone höchster Kritikalität (Zone VI). Als besonders kritisch (Zone höchster Kritikalität) wurden Germanium, Rhenium und Antimon identifiziert. In der Zone hoher Kritikalität finden sich unter anderem die Seltenen Erden, Wolfram, Indium, Gallium und Silber.

Metalle mit einem hohen Versorgungsrisiko und hohen potentiellen Auswirkungen im Falle eines Versorgungsengpasses (hier: Vulnerabilität genannt) haben u.a. eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit für enorme Preisschwankungen. Im Falle der Seltenen Erden sind beispielsweise die Preise in den letzten Jahren um mehr als einen Faktor 10 geschwankt.

Abbildung 3: Kritische Rohstoffe in Deutschland (Erdmann und Behrendt 2011)

1 Legende: CN = China, JP = Japan, KOR = Republik Korea, IND = Indien, D = Deutschland

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