Weniger kritische Rohstoffe für Umwelttechnologien

Eine Windkraftanlage in der Konstruktion vor blauem Himmel mit einem großen Kran.zum Vergrößern anklicken
Umwelttechnologien sind die Basis einer nachhaltigen Entwicklung
Quelle: Ingo Bartussek / Fotolia.com

Elektromotoren, Photovoltaik, Generatoren, Batteriespeicher: Für viele nachhaltige Technologien werden seltene und teils kritische Rohstoffe benötigt. Der Ausbau solcher Umwelttechnologien droht durch Rohstoffknappheiten gedämpft zu werden. Daher gilt es, rechtzeitig auf Alternativen zu setzen, die weniger kritische Rohstoffe benötigen oder gänzlich darauf verzichten.

GreenTech ist weltweit auf dem Vormarsch

Technologien zur Steigerung der Ressourceneffizienz treiben weltweit die nachhaltige Entwicklung an. Der Technologie- und Industriestandort Deutschland hat diese Wachstumschancen erkannt. Der Anteil der GreenTech-Branche am Bruttoinlandsprodukt lag 2016 bei 15 Prozent und wird bis 2025 auf 19 Prozent steigen, so die Prognose im Umwelttechnologie-Atlas für Deutschland. Neue High-Tech Konzepte ermöglichen Umwelttechnologien, die konventionelle Produkte oder Verfahren mit geringer Ressourceneffizienz ersetzen.

Rohstoff-Kritikalität als Hemmnis Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Entwicklung wie Elektromotoren, Generatoren, Photovoltaik, LED-Beleuchtung und Batteriespeicher basieren auf funktionalen Elementen wie Seltenen Erden, Zinn, Silber, Platin und Lithium. Wenn diese Technologien nicht nur in Deutschland sondern auch weltweit ausgebaut werden, wird sich die Nachfrage nach diesen Elementen vervielfachen. Für einige Rohstoffe zeichnen sich schon heute geologische, strukturelle, geopolitische, sozioökonomische und ökologische Versorgungsrisiken ab, weshalb sie als „kritische Rohstoffe“ gelten. So ist die Gewinnung und Weiterverarbeitung einiger Technologiemetalle mit starken Umwelt- und Gesundheitsbelastungen verbunden. Außerdem sind Reserven, Gewinnung und Raffination bei den meisten dieser Rohstoffe auf wenige Länder konzentriert. Daraus resultiert eine hohe Abhängigkeit der Hersteller von Umwelttechnologien vom globalen Rohstoffhandel, zumal der Markt für die meisten Technologiemetalle eher klein und wenig transparent ist.

Substitutionsstrategie als Ausweg

Es ist derzeit absehbar, dass Effizienz- und Recyclingstrategien allein nicht ausreichen werden, um die vielschichtigen Versorgungsrisiken entscheidend zu mindern und einen tiefgreifenden Ausbau der Umwelttechnologien weltweit zu gewährleisten. Es bedarf zusätzlich einer vorausschauenden Orientierung auf Substitutionsstrate¬gien, um die entsprechenden Rohstoffe zu ersetzen: Sei es durch Materialsubstitution, bei der partiell Werkstoffe oder Elemente ersetzt werden, technologische Substitution, bei der neue Technologien und Verfahren eingesetzt werden um den gleichen Umweltnutzen zu erzielen oder auch durch funktionale Substitution, bei der ein gänzlich neues Produkt- oder Dienstleistungskonzept eingeführt wird. Eine funktionale Substitution eines Fahrzeug-Abgas-Katalysators besteht beispielsweise in einem vollelektrischen Pkw, der keinen Katalysator mehr benötigt.

Die UBA-Studie „SubSKrit“ liefert eine Roadmap

Um die Substitutionspotenziale zu bestimmen und systematisch zu erschließen, hat das UBA nun in einer umfassenden Studie („SubSKrit“) eine Roadmap erarbeiten lassen. Mit dieser Roadmap werden je nach Reifegrad und Zeithorizont der Substitutionsalternativen Anreize für Maßnahmen zur Technologieentwicklung, Markteinführung, Marktdurchdringung durch Qualifizierung und Austausch sowie Anpassung der rechtlich-regulatorische Rahmenbedingungen gegeben. Hierfür wurden 115 Umwelttechnologien und über 60 Rohstoffe einem Screening sowie einer vielschichtigen Analyse unterzogen. Zunächst wurden die Technologien in Panels von Fachleuten auf ihr relatives Umweltentlastungspotenzial, ihre Marktdynamik sowie ihre Bedeutung für die deutsche Wirtschaft untersucht.

Für die 40 relevantesten Technologien wurden dann die Rohstoffbedarfe in Trend- und Green Economy-Szenarien bis 2025 sowie 2050 extrapoliert und einer Kritikalitätsanalyse unterzogen. Hierbei wurden die benötigten Rohstoffe auf ihr Versorgungsrisiko, ihr ökologisches Schadenspotenzial sowie ihre strategische Bedeutung für die Wirtschaft analysiert. 20 Umwelttechnologien mit vergleichsweise hoher Kritikalität wurden auf dieser Basis in den sieben Technologiegruppen: Elektronik, Katalysatoren, Permanentmagnete, Solartechnologie, Speichertechnologien, Generatoren und Permanentmagnete sowie Sonstige priorisiert. Diese 20 Technologien sind nicht nur von besonderem umwelt- und industriepolitischem Interesse sondern auch in hohem Maße abhängig von kritischen Rohstoffen, für die zukünftige Verfügbarkeitsengpässe sehr wahrscheinlich sind. Daher wurden diese Technologien eingehend auf Substitutionsalternativen untersucht.  Dabei wurden vier Cluster deutlich:

  1. Umwelttechnologien, für die bereits heute Substitutionsalternativen auf den Markt vorhanden sind und kritische Metalle substituiert werden. Hierunter fallen bleifreie Lote, Fahrzeug-Abgas-Katalysatoren, Elektroantriebsmotoren in vollelektrischen Pkw, Hochleistungs-Permanentmagnete in der Industrie, Dünnschicht-Solarzellen, Tandemzellen, Concentrated Solar Power (CSP)-Technologie und RFID.
  2. Umwelttechnologien, die marktreife Alternativen besitzen mit deutlicher Reduzierung des Einsatzes der als kritisch identifizierten Metalle. Dazu zählen die Umwelttechnologien der Pedelec-Batterien, Hybridmotoren, Elektroantriebsmotoren der Plug-in-Hybrid-Pkw (PHEV), Lithium-Ionen-Stromspeicher und Lithium-Ionen-Batterien für Fahrzeuge.
  3. Umwelttechnologien, die Substitutionsoptionen besitzen, welche noch nicht im Markt etabliert sind, aber großes Potential für eine absehbare Marktreife besitzen. Diese Technologien sind ökonomisch noch nicht wettbewerbsfähig oder die Entwicklung ist noch nicht vollständig ausgereift. Darunter fallen weiße OLED anstelle von weißen LED sowie Permanentmagnet-Generatoren für Windkraftanlagen.
  4. Umwelttechnologien, für die keine Substitutionsmöglichkeiten im Rahmen des Projektes identifiziert werden konnten. Dazu zählen grüne Rechenzentren, Industriekatalysatoren, Pedelec-Motoren, Synchron- und Asynchron-Generatoren in Windkraftanlagen sowie GuD/Gas - Kraftwerke.

Über alle Umwelttechnologien zeigt sich, dass Substitutionsalternativen deutliche Rohstoffeinsparungen von relevanten Materialien ermöglichen. Hohe Einsparpotenziale sind bei Silber, Gold, Palladium, Seltenen Erden, Lithium, Zinn, Gallium, Titandioxid, Mangan und Platin identifiziert. Beispielsweise liegt das Einsparpotential für die nur im Umfang von wenigen Tausend Tonnen pro Jahr produzierten Schweren Seltenen Erde Dysprosium 2025 bei 33 Prozent bzw. knapp 1.300 Tonnen. Dabei können die größten Einsparungen durch technologische Substitutionen bei den Elektroantriebsmotoren und bei den Hybridmotoren erzielt werden. Im Jahr 2050 liegt das Einsparpotential im Substitutionsszenario sogar bei 66 Prozent bzw. 13.300 Tonnen.

Allerdings zeigte die Analyse auch auf, dass bei den Substitutionen nicht alle derzeit kritischen Rohstoffe ersetzt werden können und die Einsparung teilweise mit dem Einsatz anderer, ebenfalls kritischer Rohstoffe einhergeht. In Einzelfällen wie bei Platin kommt es auch im Substitutionsszenario unter Berücksichtigung der Elektromobilität bis 2050 zu einer Zunahme des Rohstoffbedarfs.

Fazit

Es ist wichtig, den Ausbau der bedeutendsten Umwelttechnologien mithilfe eines technologischen Portfolios abzusichern, das möglichst resilient gegenüber Verfügbarkeitsbeschränkungen der erforderlichen Technologiemetalle ist. Die Studie zeigt auf, dass für das Gros der Umwelttechnologien Alternativen vorhanden sind, im Besonderen in den zukunftsorientierten Technologiefeldern der Antriebssysteme, Solarenergie, Beleuchtung und Speichertechnologien. Diese können entsprechend ihrer Reifegrade zielgerichtet zu veritablen Innovationen fortentwickelt werden. Durch diese Alternativen lassen sich Rohstoffrisiken für den Ausbau der Technologien zwar nicht verhindern, aber deutlich abmildern.

Mithilfe der erarbeiteten Substitutions-Roadmap sollen konzertierte Ansätze von wichtigen Akteuren des Innovationssystems aus Politik, Forschung, Wirtschaft und Verbänden unterstützt werden, um Substitutionen zu zukunftsfesten Umwelttechnologien zu ermöglichen. Die Raodmap liefert den notwendigen vorausschauenden Ansatz, der mithilfe eines regelmäßigen Monitorings fortgeschrieben werden soll.

Alle vier Jahre sollten die Umwelttechnologien und dafür erforderliche Rohstoffe auf Kritikalität und Substitutionsoptionen überprüft werden. Durch die Verankerung der Roadmap lässt sich ein wichtiger Beitrag zu einer aktiven ökologischen Industriepolitik leisten, und dem besonderen Interesse Deutschlands als Nachfrager, Produzent, Exporteur und Technologieführer von Umwelttechniken gerecht werden.

Linkhinweis

Zusätzlich zum Abschlussbericht sind alle Arbeitsschritte der Studie „SubSKrit“ bis hin zur Roadmap in sechs zusätzlichen Arbeitsberichten dokumentiert. Wichtige Erkenntnisse und Maßnahmen sind zudem in einem englischsprachigen Empfehlungspapier sowie einer ausführlichen Summary zusammengefasst.

Abbildungen

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  1. Die 40 ausgewählten und vertieft untersuchten Umwelttechnologien nach Leitmärkten
  2. Auszug der Roadmap: Substitutionsoptionen mit höchstem erwarteten Marktanteil