ludwig bölkow

systemtechnik

Die Endlichkeit der Erze

Sind alle technischen Lösungsmöglichkeiten zur Nachhaltigkeit machbar?

Dr. Werner Zittel

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH · Ottobrunn

Zittel@LBST.de

Brannenburger Forum für nachhaltige Entwicklung, 21. August 2012

ludwig bölkow

systemtechnik

• Die Entstehung von Erzlagerstätten

• Kurzer geschichtlicher Rückblick des Bergbaus

• Nutzung der Metalle

• Die Erschöpfung von Erzlagerstätten

• Ausblick

Die Endlichkeit der Erze

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Entstehung von Erzlagerstätten

Die Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem:

In den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden H und He.

Diese machen 98% der Materie aus

Elemente bis Fe:

Fusionsprozesse

Schwere Elemente:

Neutronenreaktionen

(z.B. Supernova-

ausbrüche)

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Entstehung von Erzlagerstätten

Massenanteil der Elemente auf der Erde:

O 32%

Fe 29%

Mg 15,8%

Si 17,1%

Al 1,5%

Ca 1,6%

Ni 1,7%

C 0,9% Cr 0,4%

Rest 0,1%

Massenanteil der Elemente in der Erdkruste:

O 47,5%

Fe 3,9%

Mg 1,5%

Si 31,1 %

Al 8,2%

Ca 2,6%

Ti 0,4% K 2,4%

Rest 0,1% Na 2,4%

Henderson 2009

Gao 2010 Wikipedia

ludwig bölkow

systemtechnik

Massenanteil der Elemente in der kont. Erdkruste:

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti Mn

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

Mn Ba Zr V Rb Ch Zn Li Ni La Cu

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

Nd Ga Pb Pr Cs Gd Dys U

0

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

0,00006

0,00007

In Ag Au Pt

0,0

000005

%

%ₒ

%ₒ Henderson 2009

Gao 2010

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Entstehung von Erzlagerstätten

Primäre Lagerstätten (Vulkanismus, Magma)

Sekundäre Lagerstätten

v.a. durch Hydrothermale Prozesse

Black Smokers

(Im Atlantik)

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Entstehung von Erzlagerstätten

Subduktionszonen (Anden, Rocky Mountains)

Copper ore deposits

Source: Grassmann 2002 Doctoral Thesis

ludwig bölkow

systemtechnik

Häufige und Seltene Metalle – der Unterschied

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

• Das älteste Gebrauchsmetall Kupfer:

vor 9000 Jahren erster Nachweis (Catal Hüyuk, Osttürkei)

• Bronze (Kupfer mit 10-15% Zinn): härter, erste Werkzeuge

• Messing (Kupfer mit Zink)

• Eisen (seit ca. 1200 v. Chr.) Schmelzen mit „Rennverfahren“:

300 kg Holzkohle + 300 kg Eisenerz = 20-30 kg Eisen

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Griechenland:

Bsp. Laurion (Silberbergwerk)

20.000 Sklaven als Arbeitskräfte; ~ 20 t Silber Jahresproduktion

Ca. 560 BC: Beginn der Silberförderung

413 BC: Sklavenaufstand (Krieg mit Sparta) Währungskrise

~330 BC: Verfall der Silberwährung (Beutesilber aus Asien)

86 BC: Ende des Bergbaus in Laurion

Xenophon (Vorschlag für „Bürgerkraftwerk“)

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Rom:

Bergbau war die Basis des römsichen Weltreiches

Fe, Ni, Cu, Zn, Sn, Sb, As, Pb, Hg, Au, Ag waren die Grundlage

Bis ins 18. Jh kamen keine weiteren Metalle hinzu

Minen in Zypern, Sardinien, Spanien

(Rio Tinto; Technik der „ruina montium“)

Eisen für Waffen

Blei für Wasserleitungen

Bronze für Statuen

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Mittelalter:

Kleine Minen, kurze Lebensdauer; Technik: nur wenig tiefer als in Antike

Die Bedeutung der Städte hing vom Erzreichtum ab

v.a. Silber für Importwaren aus China

Beginnende Eisenverhüttung (Hochofen ab 1380)

Im 14. Jh Erzabbau in Amberg und Sulzbach,

Eisenverarbeitende Industrie in Nürnberg

Kapital aus Nürnberg: Eisen war die Wurzel des Reichtums in Nürnberg

Bsp. Freiberg, Schwaz, Goslar, Joachimstal, Falun (Schweden)

Im 16. Jh ist Europa weitgehend „depleted“

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Kolonialismus:

Dreieckshandel Textilien und Waffen von Europa nach Afrika

Sklaven von Afrika nach Amerika

Erze und Landwirtschaftliche Produkte

von Amerika nach Europa

Silber zum Kauf chinesischer Luxusgüter

Gold zur Finanzierung europäischer Kriege

Kaufleute werden reich:

Kapitalanhäufung im 18 Jh v.a. in England

bildet wichtige Basis für beginnende Industrialisierung

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Beginnende Industrialisierung

Bis 18. Jh keine neuen Metalle oder Technologien

Dampfpumpe als Motor der Innovationen

(Wasserpumpe in Minen, Luftpumpe im Hochofen)

Puddelverfahren, Bessemerverfahren

Dampfmaschine als wichtige techn. Anwendung (Eisenbahn, Schiffe…)

ludwig bölkow

systemtechnik

Kleiner historischer Streifzug

Neue Metalle:

Kobalt 1735 Telllur 1782

Mangan 1770 Molybdän 1782

Chrom 1770

Lithium 1817

Magnesium 1820 Aluminium 1850

Niob 1830 PGM ab 1820

Vanadium 1830 (In, Ga, Ge 1863-1886)

Titan 1831

Cer 1803 sonst. Seltenerdmetalle; 1880-1945

Lanthan 1835

ludwig bölkow

systemtechnik

Weltproduktion von Rohstoffen

Tonnen

ludwig bölkow

systemtechnik

Verwendung der Metalle

Baumaterialien (mechanisch/physikalische Eigenschaften)

Fe, Cu, Al …

Elektrotechnik (chemisch-elektromagnetische Eigenschaften)

Cu, Si, Ge, Ga, As

Dotierung: B, As, Ph,..

Speichereigenschaften (Seltene Erden)

Zwei Gruppen:

• Massengüter (Eisen, Aluminium, Kupfer, Si…)

• „Gewürzmetalle (V, Dotierung, Seltene Erden, In,…)

ludwig bölkow

systemtechnik

Nutzung von Metallen heute (Bsp. Kupfer)

Kupfer:

Konventioneller Pkw ~25 kg Oberleitung ~2500 t/km

Lkw ~67 kg (25 t Cd)

Hybrid-Pkw ~37 kg Eisenbahnnetz (CH): ~ 77 kg/EW

Brennstoffzellen Pkw ~30 kg Telekommunikation (CH): ~ 16 kg/EW

Transformator (500 MW) ~40 t

Generator (500 MW) ~15 t

EFH ~200 kg Schiffe 2-3%wt

Computer 5-7 %wt

Laptop 10-15%wt

Mobiltelefon 9-16 g

Lithium:

Elektrofahrzeug ~30 kg

3kw Permanentmagnet 1,7 kg Cu/0,3 kg Nd-Fe-B

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Nutzung von Kupfer

ludwig bölkow

systemtechnik

-120000 -70000 -20000 30000 80000 130000 180000

otherGermanyNorw ay

SpainFinlandNamibia

IndiaBrazil

PortugalTurkey

IranBulgariaSw edenMongolia

ArgentinaJapan

YugoslaviaPhilippines

S-AfricaPapua-Mexico

IndonesiaPolandChinaZaire

AustraliaPeru

ZambiaCanada

GUSUSAChile

Kupfer: kum Förderung, Reserven, Reservenbasis

Mio. metric tons Source: USGS 2010, BP 2010

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Ch

ile

Pe

ru

US

A

GU

S

Ch

ina

Ind

on

esi

en

Au

stra

lia

Arg

en

tinie

n

Za

mb

ia

Ca

na

da

Po

len

Pa

pu

a

Me

xico

Bu

lga

rie

n

Bra

zil

Mo

ng

olia

Sü

da

frik

a

Po

rtu

ga

l

Tu

rke

y S

Ind

ien

Za

ire

Mio. tonnes/yr

Annual production

ludwig bölkow

systemtechnik

Kupferförderung in Falun (Schweden)

ludwig bölkow

systemtechnik Copper Production UK

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1720 1760 1800 1840 1880 1920

Year

1000 t

ons

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

co

pp

er

co

nte

nt (%

)

Cornwall(copper) Cornwall (ore) UK (copper) Ore content (%)

Kupferförderung in Großbritannien

ludwig bölkow

systemtechnik

USA - 10 largest copper mines

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1991 1995 1999 2003 2007

kt

Tyrone, NM

Mission Complex, AZ

Pinto Valley, AZ

Ray, AZ

Sierrita, AZ

Bagdad, AZ

Chino, NM

San Manuel, AZ

Bingham Canon, UT

Morenci, AZ

ludwig bölkow

systemtechnik

ludwig bölkow

systemtechnik

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Chuquicamata

Escondida

1000 t

Kupferförderung in Chile

Collahuasi

El Teniente

Source: (1990-2009) Cochilco 2010, (1970-1990) Garcia et al. 2001

Year

Los Pelambres

ludwig bölkow

systemtechnik

Escondida

Codelco

El Teniente

Chucicamata

ludwig bölkow

systemtechnik

2

4

6

8

10

12

14

16

18

1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Mt Copper Mine Production 1930 - 2100

Historical Data USGS 2010, Scenario: LBST 2010 Year

Cum. Production 2010-2100:

475 Mt

Chile

Peru

USA

Canada

Indonesia

Australia

Zambia

GUS

China

ludwig bölkow

systemtechnik

ludwig bölkow

systemtechnik

Source: Xtrata, Annual Report 2009

ludwig bölkow

systemtechnik

Zusammenfassung der historischen Entwicklung

Erzvorkommen haben über den Reichtum einer Region entschieden

(Mittelalter, Europa)

Der Erzreichtum einer Region (Kolonie) hat über deren Schicksal entschieden

Europa ist heute weitgehend an Metallen verarmt (Importabhängigkeit >95%)

Unterscheidung von 2 Gruppen von Erzen

a) Gehalt > 1% in der Erdkruste („Elemente der Hoffnung“)

Metalle: Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Fe

Nichtmetalle: H, C, N, O, S, Cl

b) Gehalt << 1% in der Erdkruste alle anderen

ludwig bölkow

systemtechnik

Konsequenzen - Recycling

Recycling wird wichtig aber

• Vollständiges Recycling ist ein Wunschtraum

• Je geringer der spez. Verbrauch (Gewürzmetalle), desto schwieriger

wird ein Recycling

• Heute findet Recycling oft unter schlechten Bedingungen und mit

geringer Ausbeute statt (Indien)

• Selbst ein weitgehendes Recycling kann bei reduzierten Forderraten

keinen Wachstumsmarkt generieren

ludwig bölkow

systemtechnik

Die Europäische Rohstoffinitiative

Ziele:

• Ungehinderter Zugang zu internationalen Rohstoffmärkten (Bsp. REO)

• Zugang zu heimischen Ressourcen erleichtern (Umweltaspekte!)

• Effizienter Einsatz der Rohstoffe (Recycling, Effizienzverbesserung)

Primäre Ziel:

Der Gesamtverbrauch der Wirtschaft soll weiter steigen, um Wirtschaftswachstum

Nicht zu gefährden

Erste Erkenntnisse:

Identifizierung von 14 „kritischen“ Metallen

ludwig bölkow

systemtechnik

Schlussfolgerung

• Heute keine Hochtechnologien mit großem Aufwand entwickeln,

deren Versorgungsbasis in den kommenden Jahrzehnten gefährdet ist

(Bsp. Fusionsforschung?)

• Robuste Entwicklungen stärken

- das sind oft nicht Hochtechnologien

- Bsp. Fahrrad aus Zambia mit weitgehendem Verzicht auf krit. Metalle

• Substitution kritischer Metalle durch „Elemente der Hoffnung“

(Bsp. Indiumoxid als transparenter Leiter durch Monocarbonschicht?)

(Bps. Permanentmagneten mit Dyprosium durch einfachere Materialien

mit schlechterem Wirkungsgrad)

=> Bei Entwicklungen vor allem auf die Randbedingungen in 20 – 30 Jahren achten

=> Schrittweiser aber stetiger Umbau der Abhängigkeiten weg von kritischen Metallen

ludwig bölkow

systemtechnik

Source: http://www.japanfs.org/

Vielen Dank!

Quelle: Verband der Kohleimporteure 2010