Optimierung des Recyclingprozesses für kritische Metalle könnte Engpässe und Umweltbelastungen verringern

Bedeutung des Metallrecyclings

Mineralische Ressourcen sind von Natur aus begrenzt, und ihre Gewinnung ist energieintensiv und umweltzerstörend. Die Bergbauindustrie ist ein großer Verbraucher von Frischwasser, ein Emittent von Treibhausgasen und verursacht Abholzung sowie Verschmutzung, die Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte, anhalten kann.

In der Theorie sollten Metalle die am besten recycelbaren Materialien sein, da sie aus reinen Elementen bestehen, im Gegensatz zu komplexen organischen Molekülen wie Kunststoffen.

In der Praxis ist das jedoch weit entfernt, da das Recycling von Metallen oft unvollständig oder zu energieintensiv ist. Das gilt besonders für elektronische Bauteile, bei denen auf atomarer Ebene komplexe Mischungen exotischer Elemente wie seltene Metalle, Cadmium, Titan, Wolfram usw. vermischt sind.

So, es ist eine große Neuigkeit, dass Forscher der Rice University (USA) und der Tsinghua University (China) eine völlig neuartige Methode zum Recycling von Metallen mittels intensiver elektrischer Ströme entwickelt haben. Ihre Ergebnisse wurden am 25^th September 2024 in Nature Chemical Engineering veröffentlicht unter dem Titel “Flash separation of metals by electrothermal chlorination”.

Methoden des Metallrecyclings

Aktuelles Metallrecycling

Derzeit basiert das Metallrecycling größtenteils auf flüssiger Hydrometallurgie, also der Auflösung von Metallen in flüssigem oder alkalischem Wasser. Diese Technik erfordert jedoch erhebliche Mengen an Wasser und Chemikalien und erzeugt problematische sekundäre Abfallströme.

Quelle: MEAB

Eine weitere Möglichkeit ist Pyrometallurgie, die im Wesentlichen alle gemischten Metalle schmilzt und sie anschließend anhand ihrer physikalischen Eigenschaften (Schmelzpunkt usw.) wieder reinigt. Das Problem ist, dass diese Methode keine Selektivität bietet, sodass das Ergebnis häufig noch ein Gemisch verschiedener Metalle ist. Zudem erfordert sie erhebliche Energieeinsätze, was ihr Umweltprofil mindert.

Flash-Joule-Erhitzung (FJH)

Flash-Joule-Erhitzung ist eine Methode, mit der der Leiter des Forschungsteams, James M. Tour, bereits Erfahrung bei der Graphen‑Synthese und der Abfallentsorgung gesammelt hat.

Quelle: India Education Diary

FJH besteht darin, einen elektrischen Strom durch ein Material zu leiten, um es schnell auf extrem hohe Temperaturen zu erhitzen. Die Geschwindigkeit des Erhitzungsprozesses wandelt das Material in verschiedene Substanzen um.

Sie entdeckten, dass die Methode auf die Metallgewinnung angewendet werden kann. Und es scheint, dass sie breit auf verschiedene Elektronikabfälle anwendbar ist. Besonders wurde nachgewiesen, dass die Methode in der Lage ist, zu trennen:

• Tantal aus Kondensatoren.
• Gallium aus LEDs.
• Indium aus gebrauchten Solarfilmen.

Die Methode erzielte diese Ergebnisse, ohne Wasser, Säure oder andere Lösungsmittel zu verwenden, wodurch die entstehende Verschmutzung drastisch reduziert wurde. Sie kann nicht nur auf viele Metalle angewendet werden, sondern erreicht durch präzise Steuerung der Reaktionsbedingungen eine Reinheit von 95 % im Endprodukt. Insgesamt betrug die Ausbeute zufriedenstellende 85 %.

Selbst wenn nicht das gesamte Metall zurückgewonnen wird, könnte diese Methode den Anteil des Abfalls, der mit Hydro‑ oder Pyrometallurgie verarbeitet werden muss, drastisch reduzieren.

Zukünftige Perspektiven für FJH

Universelles Elektronikrecycling

Diese Methode wurde hier nur für das Recycling einiger Arten von Elektronikabfällen untersucht. Weitere Arbeiten sind nötig, um sie für andere Elektroniktypen zu bewerten, die dringend effizientere und umweltfreundlichere Optionen benötigen, zum Beispiel Batterien.

Wir versuchen, diese Methode zur Rückgewinnung anderer kritischer Metalle aus Abfallströmen anzupassen.

Dr. Bing Deng – Assistenzprofessor an der Tsinghua University und Co‑Erstautor der Studie.

Es ist zudem wahrscheinlich, dass weitere Verfeinerungen der Methode entwickelt werden können, etwa durch Tests in Kombination mit einer geringeren Menge Säure, um Wege zur Erhöhung der Gesamtausbeute zu finden.

Dieser Durchbruch adressiert das drängende Problem von Engpässen kritischer Metalle und negativen Umweltauswirkungen, während er die Recyclingindustrie weltweit wirtschaftlich incentiviert durch einen effizienteren Rückgewinnungsprozess.

Dr. Shichen Xu – Postdoktorand an der Rice University / Co‑Erstautor der Studie.

Mineralgewinnung

Konzeptionell gibt es nur geringe Unterschiede zwischen Metallrecycling und der Gewinnung von Mineralien aus natürlichem Erz. In beiden Fällen ist das Metall mit anderen Elementen verbunden und muss gewaltsam getrennt werden, um gereinigt und von den benötigenden Industrien nutzbar gemacht zu werden.

Auch im Bergbau wird die Veredelung häufig durch den Einsatz von Wasser + Säuren oder extremer Hitze in großem Maßstab erreicht. Das ist ein zentraler Grund, warum der Bergbau so umstritten und umweltzerstörerisch ist.

Daher könnte die Methode laut Dr. Shichen Xu auch vielversprechend für die Gewinnung von Lithium und seltenen Erden sein.

Investitionen in das Metallrecycling

Während einige Metalle wie Stahl und Aluminium gut recycelt werden, bleiben andere, komplexere Materialien wie Elektronikabfälle meist unrecycelt oder werden in unhygienischen und verschmutzenden Bedingungen in ärmeren Ländern verarbeitet.

Gleichzeitig werden Elektrofahrzeuge, Solarmodule, Batterien, Wärmepumpen und kleine elektronische Geräte in immer größeren Stückzahlen hergestellt, wodurch sich innerhalb weniger Jahre ein Lager an zu recycelndem Material ansammelt.

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Wenn Sie nicht an der Auswahl einzelner Unternehmen interessiert sind, können Sie auch ETFs wie den Mast Global Battery Recycling & Production ETF (EV), den VanEck Circular Economy UCITS ETF (REUS) oder den WisdomTree Recycling Decarbonisation UCITS ETF – USD Acc (WRCY) (WT ) in Betracht ziehen, die eine breitere Diversifizierung bieten, um vom Recyclingsektor zu profitieren.

Unternehmen im Metallrecycling

1. Li-Cycle Holdings Corp 

Von allen Arten von Elektronikabfällen könnten Batterien die problematischste sein.

Das liegt daran, dass sie nicht nur extrem komplexe Geräte mit vielen verschiedenen umweltschädlichen Metallen sind, sondern auch stets ein Sicherheitsrisiko darstellen, weil geladene Batterien Feuer oder Explosionen auslösen können. Während Batterien unter normalen Bedingungen meist sicher sind, führt das Zerkleinern oder Schmelzen zum Recycling offensichtlich zu solchen Gefahren.

Und das Volumen der zu recycelnden Batterien wird sich bis 2030 allein in Nordamerika um das Sechsfache erhöhen.

Quelle: Li-Cycle

Ein entscheidendes Verkaufsargument von Li-Cycle ist, dass ihre Methode vollständig geladene Batteriepacks verarbeiten kann, ohne sie demontieren oder entladen zu müssen.

Dies ist zudem ein „batterieform‑agnostischer“ Prozess, d. h. er kann mit jeder Art von Lithium‑Ion‑Batterie arbeiten, unabhängig vom Hersteller oder Zustand der Batterie. Da die Branche noch weit davon entfernt ist, sich auf ein bestimmtes Design zu einigen, und Innovationen sehr schnell voranschreiten, ist es für einen Recycler entscheidend, langfristig effizient arbeiten zu können.

Insgesamt erzielt das Unternehmen eine Rückgewinnungsrate von 95 % und kann hochwertige Materialien wie lithiumcarbonat in Batteriekategorie aus den gebrauchten Batterien herstellen.

Quelle: Li-Cycle

Im Jahr 2023 und Anfang 2024 stieß das Unternehmen auf ein Hindernis durch massive Kostenüberschreitungen beim Bau einer wichtigen Verarbeitungsanlage in Rochester, NY. Dies erfolgte nach einer sehr schnellen Expansion mit Anlagen in Nordamerika, Europa und Asien.

Wenn fertiggestellt und mit voller Kapazität betrieben, könnte das Rochester‑Hub bis zu 35.000 Tonnen sogenannter Black Mass (im Wesentlichen zerkleinerte Batterien) pro Jahr verarbeiten.

Das wäre ein enormer Sprung gegenüber den lediglich 1.394 Tonnen Black Mass, die im 2. Quartal 2024 produziert wurden.

Quelle: Li-Cycle

Um genügend Geld für den Abschluss von Rochester zu erhalten, sicherte Li-Cycle im März 2024 eine Investition von 75 Mio. $ vom Bergbaugiganten Glencore. Zudem sucht das Unternehmen ein Darlehen von 375 Mio. $ von der US‑Regierung im Rahmen der Förderung grüner Politiken und der Re‑Industrialisierung im Zuge des US‑IRA und des parteiübergreifenden Infrastrukturgesetzes.

Der DoE‑Darlehensprozess ist inzwischen weit fortgeschritten und hat Schritt 5 von insgesamt 6 erreicht. Der Bau in Rochester soll wieder aufgenommen werden, falls das Darlehen genehmigt wird.

Quelle: Li-Cycle

Ein weiteres Gegenwind für das Unternehmen waren niedrige Materialpreise, die die gesamte Lieferkette, einschließlich der Lithiumminen, getroffen haben. Als Reaktion hat das Unternehmen die Mitarbeiterzahl reduziert und wo möglich Kosten gesenkt.

Wenn das Rochester‑Hub erfolgreich ist, plant das Unternehmen den Bau von drei zusätzlichen Dritt‑Generation‑Hubs (Rochester ist zweite Generation) in Alabama, Arizona und Deutschland.

Quelle: Li-Cycle

2. Enviri

Früher als Harsco bekannt, ist das Unternehmen ein Gigant im Abfallrecycling mit Fokus auf Industrie‑ und Bergbauabfälle, einschließlich Metallen (40 % des Gesamtumsatzes).

Das Unternehmen ist in drei Bereiche gegliedert:

• Harsco Environmental: Verarbeitung von jährlich 20 Millionen Tonnen Schlacke zur Herstellung von Asphalt, Pflastersteinen, Schleifmitteln, Dachschindeln und Düngemitteln.
• Clean Earth: spezialisiert auf die Handhabung gefährlicher Abfälle, darunter jährlich 5,6 Millionen Lampen, 5,3 Millionen Pfund Batterien, 5.000 Tonnen Elektronik, 3,4 Millionen kontaminierte Erde und 71 Millionen Gallonen Abwasser.
• Rail: Bereitstellung von Schieneninstandhaltungs- und Bau‑Lösungen.

Quelle: Enviri

Insgesamt macht das Recycling‑/Reinigungssegment den Großteil des Geschäfts aus, wobei 62 % der Gesamteinnahmen aus Nordamerika stammen. Clean Earth ist schnell gewachsen und hat sich von nur wenigen Prozent des Unternehmensumsatzes im Jahr 2019 auf fast ein Drittel im Jahr 2024 erhöht.

Quelle: Enviri

Das Unternehmen sieht ein großes Wachstumspotenzial bei der Behandlung von PFAS (Per‑ und polyfluorierte Alkylsubstanzen), den sogenannten „Forever‑Chemicals“, die zunehmend Besorgnis hervorrufen und einer besseren Verarbeitung bedürfen. Der Markt für die Entsorgung von PFAS, die von Enviris Clean Earth adressiert werden könnte, wird voraussichtlich auf 3‑5 Mrd. $ wachsen.

Das Unternehmen konzentriert sich weiterhin darauf, zusätzliche Methoden zu identifizieren, die PFAS zerstören können, anstatt sie zu deponieren oder durch Tiefbrunnen‑Injektionsverfahren zu behandeln.

Wir glauben, dass Zerstörung eine überlegene Technologie ist, um langfristige Risiken und Verbindlichkeiten zu reduzieren.

Elizabeth Peterson – Leiterin des kommerziellen Geschäfts von Clean Earth

Da immer mehr Vorschriften das Problem der unbehandelten Verschmutzung (wie PFAS) angehen, ist es wahrscheinlich, dass Unternehmen wie Enviri davon profitieren werden. Weitere Chancen liegen im Bereich grüner Stahl und kohlenstoffnegativem Asphalt.

Langfristig erwägt das Unternehmen den Verkauf seiner Schienenanlagen, um seine Transformation von einer Industriegruppe zu einem Unternehmen der grünen Wirtschaft abzuschließen. Dies könnte jedoch Zeit benötigen, aufgrund von Vorschriften und Bedrohungen für langfristige Verträge in Europa im Falle eines Verkaufs, was dazu führt, dass der Verkauf des Schienensegments vorerst pausiert wird.