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A2.2

4 Umweltwirkungen

4.1 Primärproduktion

Die Produktion von Primärmetallen gliedert sich typischer Weise in

  • Erzabbau,
  • Aufkonzentrierung/ Anreicherung,
  • Raffination und
  • Verhüttung.

jeweils mit verschiedenen möglichen Prozessrouten. Im Folgenden werden die Schritte der Primärproduktion am Beispiel von Aluminium erläutert.

Das wesentliche Rohmaterial zur Herstellung von Aluminium ist Bauxit, das in Bauxitminen abgebaut, angereichert und anschließend in mehreren Schritten zu Aluminium weiterverarbeitet wird. Den nächsten Schritt nach Abbau und Aufkonzentrierung stellt mit der Raffination die Gewinnung von Aluminiumoxid dar. Dies geschieht heute üblicherweise im Bayer-Prozess. Neben Bauxit wird in diesem Schritt Natriumhydroxid (NaOH) und Kalk benötigt. Zunächst wird aus dem Bauxit bei Temperaturen zwischen 100 und 350°C Aluminiumhydroxid gewonnen, das im Folgenden bei etwa 1.100°C kalziniert wird. Das Endprodukt der Raffination ist Aluminiumoxid (Al2O3), das als feinkörniges weißes Pulver vorliegt. Hierbei fällt  sogenannter Rotschlamm an, ein Gemisch, das neben Natronlauge u.a. Eisen-, Aluminium- und Titanoxide, Silikate, Kieselsäureverbindungen, Schwermetalle und andere toxische Substanzen enthält, und das typischerweise in abgedichteten Deponien eingelagert wird. Im nächsten Schritt, der Verhüttung, wird aus Aluminiumoxid in einem elektrolytischen Prozess, dem Hall-Héroult Prozess, Aluminium gewonnen. Aus 1.920 bis 1.925 kg Al2O3 werden 1.000 kg Aluminium erzeugt. Weitere Rohmaterialien stellen hier Aluminiumfluorid (Na3AlF6) und die Kohlenstoff (Graphit)-Anode dar. Aus den verschiedenen Schritten dieser Prozesskette mit den jeweils benötigten Inputs (Energie, Material, Hilfs- und Betriebsstoffe) und Outputs (Emissionen und Abfälle) ergeben sich signifikante Umweltwirkungen.

Für die Gewinnung einer Tonne Aluminium werden z.B. in etwa folgende Inputmengen benötigt:

  • Bauxit: 2.065-2.275 kg/t
  • NaOH (50%): 30 -70 kg/t
  • CaO: 30 – 80 kg/t
  • Wasser 1.000-5.000 kg/t
  • Energieverbrauch 7,6-11,7 GJ/t

Neben dem Energieverbrauch zeigt sich also auch ein hoher Wasserverbrauch. Gleichzeitig entstehen zwischen 1.000 und 3.000 kg Rotschlamm. Pro Kilogramm Aluminium werden dabei 8 bis 12 kg CO2 ausgestoßen.

Entsprechend setzten sich auch bei anderen Metallen die Umweltwirkungen der Primärgewinnung aus den Energie- und Materialverbräuchen sowie den anfallenden Abfällen in den einzelnen Schritten der Prozesskette zusammen. Die Umweltwirkungen, die mit der Produktion (Abbau, Verhüttung, Raffination) von Metalle einhergehen, tragen signifikant zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. So war beispielsweise in 2007 die Eisen- und Stahlproduktion für 30 % der globalen industriellen CO2 Emissionen von 7,6 Gt CO2 verantwortlich, die Aluminiumproduktion für 2 % (IEA 2010). Dies ist u.a. in einem hohen Energieverbrauch der Metallproduktion begründet, so war bspw. die Eisen- und Stahlindustrie in 2009 der zweitgrößte industrielle Verbraucher von Energie (IEA 2012). Abbildung 5 veranschaulicht die Beiträge der verschiedenen Metalle zu den gesamten THG-Emissionen und dem gesamten KEA der Metallproduktion. Den größten Beitrag leisten hier die Massenmetalle Eisen und Stahl, Aluminium und Kupfer.

Abbildung 5: Globale CO2 Emissionen und KEA nach Metallen (Nuss und Eckelman 2014)

Auch wenn sie nicht absolut zu den größten Erzeugern von THG-Emissionen zählen, sind die meisten Technologiemetalle jedoch mit noch höheren Umweltwirkungen pro Masseneinheit verbunden als die Massenmetalle Eisen oder Aluminium. Abbildung 6 zeigt die Treibhausgaspotentiale verschiedener Metalle im Periodensystem der Elemente bezogen auf ein Kilogramm Metall. Hier zeigen die Edelmetalle (Platingruppenmetalle und Gold) das höchste Treibhauspotential, während sich Eisen, Mangan und Titan eher am unteren Ende finden (Nuss und Eckelman 2014)

Abbildung 6: Treibhausgaspotentiale von Metallen im Periodensystem der Elemente (Nuss und Eckelman 2014)
4.2 Lokale und soziale Implikationen der Primärgewinnung

Bezogen auf ein einzelnes Produkt haben insbesondere die spezifischen Treibhausgaspotentiale wie in Abbildung 6 dargestellt Relevanz, wobei zu beachten ist (und in den entsprechenden Themenpapieren beschrieben ist), dass das Treibhauspotenzial nur eine von vielen Umweltwirkungen darstellt, obgleich es in der öffentlichen Diskussion eine besonders wichtige Rolle hat.

4.3 Sekundärproduktion / Recycling

Die Sekundärproduktion von Metallen aus dem Recycling von Schrotten, entsorgten Produkten etc. ist meist mit geringeren Umweltwirkungen verbunden als die Primärproduktion. Dies betrifft sowohl die eher globalen Umweltwirkungen wie den Beitrag zum Klimawandel als auch die im vorherigen Abschnitt beschriebenen lokalen ökologischen und sozialen Wirkungen.

Dies ist für den Produktdesigner auf zweierlei Weisen von Relevanz. Auf der Inputseite, der Materialauswahl für das Produkt, besteht durch die Verwendung von Sekundärmaterialien die Möglichkeit Materialien mit deutlich reduzierten Umweltwirkungen zu wählen. Auf der Outputseite, als in Hinblick auf eine spätere Entsorgung des Produkts, besteht die Möglichkeit sich für Materialkombinationen zu entscheiden, die sich später auch einem (hochwertigen) Recycling zuführen lassen und somit am Produktlebensende dazu beitragen, Primärmetalle durch Sekundärmetalle zu substituieren. Komponenten aus verschiedenen Metall (-kombinationen) sollten so verbunden sein, dass sie sich problemlos am Lebensende separieren lassen (vgl. Ausführungen in Abschnitt 2).

Die Umweltwirkungen im Recycling setzen sich aus den Schritten der Sammlung, Sortierung, Aufbereitung und stofflichen Rückgewinnung zusammen. Typischer Weise sind diese Schritte jedoch mit deutlich geringeren Umweltwirkungen als die Primärgewinnung verbunden. Die Umweltvorteile, die durch das Recycling entstehen, sind von Metall zu Metall unterschiedlich. Die Sekundärproduktion von Kupfer benötigt beispielsweise etwa 40 % weniger Energie als die Primärproduktion. Bei Aluminium und den Platingruppenmetallen fallen die Unterschiede noch deutlicher aus. Hier benötigt die Sekundärproduktion nur etwa 5 % der Energie der Primärproduktion. Entsprechende Vorteile zeigen sich bei den Treibhausgasemissionen und anderen Wirkungskategorien. 

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