Nichteisenmetallindustrie

Nichteisenmetalle (NE-Metalle) sind unverzichtbar für die Wirtschaft hochtechnisierter Industrieländer. Sie werden vielfältig genutzt: zum Beispiel von der Elektronik- und Elektrotechnik, dem Maschinen- und Fahrzeugbau sowie im Bausektor. Die NE-Metallbranche zählt zu den energie- und rohstoffintensivsten Branchen weltweit. Die Produktion von NE-Metallen aus Erzen und Konzentraten verursacht starke negative Umweltauswirkungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Dies gilt insbesondere für die internationalen Bergbaustandorte. Neben dem hohen Wasser-, Flächen- Energieverbrauch wirkt sich auch die starke Beanspruchung der Umweltsenken Wasser, Boden und Luft negativ aus.

Bei der Produktion von Nichteisenmetallen unterscheidet man zwischen der Erzeugung aus Primärrohstoffen und der Erzeugung aus Sekundärrohstoffen. Beispiele für Primärstoffe sind Erze und Konzentrate. Zu den Sekundärstoffen gehören nichteisenmetallhaltiger Schrott, Galvanikschlämme, Filterstäube und Produktionsrücklaufmaterialien.

Derzeit werden in Deutschland drei Primärhütten zur Aluminiumherstellung, eine Primärhütte zur Kupferherstellung, eine Primärhütte zur Zinkherstellung und zwei Primärhütten zur Bleiherstellung betrieben. Insgesamt zählen in Deutschland ca. 630 Betriebe zur Nichteisenmetallindustrie. Neben den Anlagen zur Erzeugung von NE-Metallen aus primären und sekundären Rohstoffen sind dies vor allem Anlagen zur Weiterverarbeitung (z.B. Nichteisenmetallgießereien und Anlagen zur Herstellung von Halbzeugen).

Heute erzeugt die deutsche NE-Metallindustrie über 50 Prozent ihrer Gesamtproduktion aus Sekundärrohstoffen. Hauptanwendungsgebiete für NE-Metalle sind der Fahrzeugbau, das Bauwesen, die Elektrotechnik und der Maschinenbau.

Typisch für die Primärproduktion von NE-Metallen ist, dass bereits in dem Land, wo der Rohstoff gewonnen wurde, mit der Aufkonzentrierung des gewünschten Nichteisenmetalls aus dem Erz begonnen wird. Es wird dann in den weiterführenden Prozessen je nach Bedarf bis zum hochreinen Nichteisenmetall aufbereitet. Eine typische primäre Nichteisenmetallhütte lässt sich in folgende Hauptbereiche einteilen:

• Rohstofflagerung und -umschlag,
• Vorbehandlung (z.B. Rösten, Sintern, Mischen),
• Schmelzprozess (z.B. Schachtofen, Schwebeschmelzofen, QSL-Verfahren),
• thermische Weiterbehandlung und Raffination in Konvertern, Drehtrommelöfen, Pol- und Gießöfen, Herdöfen, Induktionsöfen,
• elektrolytische Raffination,
• Endverarbeitung zu Barren, Masseln oder Halbzeugen.

Abzugrenzen hiervon ist die primäre Aluminiumerzeugung aus Tonerde. Hier finden Schmelzen und Elektrolyse zusammen in Elektrolyseöfen statt. Das so gewonnene Aluminium wird danach gegebenenfalls legiert und zu Halbzeugen weiterverarbeitet. Teilweise sind die eingesetzten Erze sehr schwefelhaltig. Beim Rösten wird der enthaltene Schwefel als Schwefeldioxid in nachgeschalteten Doppelkontaktanlagen zur Schwefelsäure umgesetzt.

Bei der Sekundärproduktion werden die Einsatzstoffe zunächst mechanisch vorbehandelt und anschließend in verschiedenen Schmelzaggregaten eingeschmolzen. Die nachfolgende Raffination und Endverarbeitung unterscheidet sich nur unwesentlich vom Primärprozess und wird teilweise in denselben Aggregaten durchgeführt.

Nichteisenmetalle lassen sich im Prinzip beliebig oft wieder einschmelzen und raffinieren, ohne dass die Qualität der Metalle beeinträchtigt wird. Bei Legierungen erfordert das Recycling zum reinen Metall aber einen vergleichsweise hohen Reinigungsaufwand. Um ein Downcycling zu verhindern, muss eine möglichst sortenreine Trennung der Schrotte vorgenommen werden. Erste Beispiele aus der Aluminiumindustrie zeigen, dass ein legierungsspezifisches und somit hochwertiges Recycling durch den Einsatz innovativer Sensorsortiertechniken möglich ist.

Allerdings ist jede Form von Recycling immer mit einem Energieverbrauch verbunden, so dass für einen nachhaltigen Ressourcenschutz auch die Verringerung des totalen Materialeinsatzes im Blickpunkt stehen muss.
Bei der Erzeugung von Nichteisenmetallen fallen auch produktionsintern verschiedene Abfälle wie Schlacken, Krätzen, Schlämme und Filterstäube an. Diese Abfälle werden oft ebenfalls intern oder extern recycelt.

Alles in allem bietet das Recycling im Vergleich zur Primärerzeugung große Vorteile bei der Ressourcenschonung. Es ist derzeit aber noch nicht optimal ausgereift. Aus globaler Sicht ist beispielsweise die Erfassung der nichteisenmetallhaltigen End-of-Life-Produkte und das ressourcenschonende Recycling noch stark verbesserungsfähig, wie die UNEP-Studien zum Metallrecycling zeigen.

Das Umweltbundesamt hat sich in verschiedenen Studien mit der Kreislaufwirtschaft sowie den Potentialen des Urban Mining der Metalle beschäftigt. Dabei wurden unter anderem Steckbriefe zu den Sekundärrohstoffströmen vieler NE-Metalle erstellt.

Primärenergieverbrauch für die Herstellung von NE-Metallen und Halbzeug daraus

Quelle: Umweltbundesamt

Neben der Frage der Materialeffizienz ist vor allem auch die Energieversorgung entscheidend. Der Energieverbrauch zum Erschmelzen der Rohstoffe hängt sowohl vom Metall als auch vom verwendeten Ofentyp ab. Die Erzeugung aus sekundären Rohstoffen (Recycling) ist in der Regel mit einem wesentlich geringeren Energieverbrauch verbunden. Im Falle von Aluminium wird dies besonders deutlich: Dort liegt die Einsparung gegenüber der Primäraluminiumproduktion bei circa 95 Prozent. Durch optimierte Prozesse und Wärmenutzung konnte der Energieverbrauch seit Mitte der 1990er Jahre schon deutlich gesenkt werden.

Deutschland hat sich zur Energiewende und zu einer weitgehenden Dekarbonisierung der industriellen Produktion entschlossen. Diese Entwicklung bringt sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die gesamte NE-Metallbranche mit sich. Die besondere Bedeutung von NE-Metallen für die hochspezialisierte deutsche Wirtschaft wird sich in Zukunft nicht erschöpfen, sondern durch den Ausbau der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität noch steigern. Es werden aber auch technische Herausforderungen auftreten, denen sich die Branche stellen muss. Neue Produktionsverfahren zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Nutzung erneuerbarer Energien müssen im Zuge der Dekarbonisierung der Industrie weiterentwickelt und implementiert werden. Einen Überblick bietet unter anderem die UBA-Studie zur CO₂-neutralen Prozesswärmeerzeugung.

Emissionen von luftverunreinigenden Stoffen treten in NE-Metallproduktionsanlagen in nahezu allen Prozessschritten auf und setzen sich aus einer Vielzahl von Stoffen zusammen. Den größten Anteil nehmen dabei Stäube ein, die in nahezu allen Arbeitsschritten entstehen und Schwermetalle enthalten können.

Weiterhin enthalten die Abgase aus den Schmelzanlagen Gase wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Stickoxide, Fluorwasserstoff sowie Dioxine/Furane oder andere organische Verbindungen.
Die Schmelz- und Raffinationsaggregate sind weitgehend gekapselt. Dennoch austretende diffuse Emissionen sind abhängig von ihrer Bauart mit speziellen Abgasfassungseinrichtungen zu erfassen, zum Beispiel mit Einhausungen oder nachführbaren Hauben. Die gefassten Abgase werden mit Hilfe von geeigneten Systemen (z.B. Gewebefiltern) gereinigt, so dass die in der Technischen Anleitung Luft (TA Luft) unter Nummer 5.4.3.3 und 5.4.3.4 festgelegten Emissionswerte im gereinigten Abgas deutlich unterschritten werden können.

Auch zukünftig müssen Anlagen zur NE-Metallerzeugung oder Verarbeitung auf eine weitere Verringerung ihrer Schadstoffemissionen hinarbeiten. Dies ist besonders bei der Primärerzeugung von entscheidender Bedeutung, da beispielsweise die weltweite Qualität der Kupfererze abnimmt und dadurch der Anteil von toxischen Metallen wie Arsen in den Rohstoffen steigt. In diesem Zusammenhang rücken besonders auch diffuse Emissionen aus dem Umschlag und der Lagerung der Einsatzstoffe sowie aus den weiteren Prozessen in den Fokus. Diffuse Prozessemissionen tragen besonders zur Belastung am Arbeitsplatz bei. Emissionen durch Gebäudeöffnungen, insbesondere über das Dach, können diffuse Feinstäube und Schwermetalle enthalten, die einen hohen Beitrag an der Immissionsbelastung haben. Als wichtiger Beitrag zum Schutz der Gesundheit und der Umwelt sind hier die Bemühungen voranzutreiben. Anforderungen an die Luftqualität werden unter anderem durch die europäische Luftqualitätsrahmenrichtlinie und ihre Tochterrichtlinien festgelegt

Abwässer fallen in Anlagen zur Nichteisenmetallherstellung im Prozess vor allem als Kühlwasser und bei nass arbeitenden Abgasreinigungsanlagen an. Dabei können sie mit einer Vielzahl von Schadstoffen belastet sein. Neben Schwermetallen wie Blei, Cadmium oder Nickel können auch organische Verbindungen enthalten sein.

Vielfach kann durch prozessintegrierte Maßnahmen Abwasser vermieden oder vermindert werden. Die entstehenden Abwässer werden in der Regel in betriebseigenen Anlagen behandelt. Dafür stehen in Abhängigkeit vom zu entfernenden Stoff verschiedene Verfahren wie zum Beispiel Fällungsreaktionen, Umkehrosmose oder Membranfiltertechnik zur Verfügung. Die Bedingungen an die Einleitung von Abwässern aus der Nichteisenmetallerzeugung oder Verarbeitung sind im Anhang 39 der Abwasserverordnung (AbwV – Anhang 39) formuliert.

Luft

Anlagen zur NE-Metallerzeugung unterliegen dem Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG).
Nach der vierten Bundesimmissionsschutzverordnung (4. BImSchV ) ist für Anlagen zur Herstellung von Nichteisenrohmetallen aus Erzen, Konzentraten oder sekundären Rohstoffen durch metallurgische, chemische oder elektrolytische Verfahren (4.BImSchV, Anhang Nr. 3.3) ein förmliches Genehmigungsverfahren (mit Öffentlichkeitsbeteiligung) vorgeschrieben.

Das gleiche gilt für Anlagen zum Schmelzen, zum Legieren und zur Raffination von Nichteisenmetallen mit einer Schmelzleistung von vier Tonnen oder mehr pro Tag bei Blei und Cadmium oder von 20 Tonnen oder mehr pro Tag bei sonstigen Nichteisenmetallen.
Für Anlagen zum Schmelzen, zum Legieren und zur Raffination von Nichteisenmetallen mit einer Schmelzleistung von 0,5 bis vier Tonnen pro Tag bei Blei und Cadmium oder von zwei Tonnen bis weniger als 20 Tonnen pro Tag bei sonstigen Nichteisenmetallen ist ein verkürztes Genehmigungsverfahren (ohne Öffentlichkeitsbeteiligung) vorgeschrieben. Die 4. BImSchV weist einige Ausnahmen hiervon aus.

Die Kapitel 5.4.3.3 und 5.4.3.4 der TA Luft befassen sich mit den spezifischen Anforderungen an Anlagen zur Herstellung von Nichteisenrohmetallen und zum Schmelzen, zum Legieren und zur Raffination von Nichteisenmetallen. Diese Anforderungen umfassen sowohl die baulichen und betrieblichen Anforderungen als auch die zulässigen Emissionswerte, zum Beispiel für Staub, Schwermetalle und organische Verbindungen sowie an die eingesetzten Brennstoffe.

Wasser

Die Nutzung von Gewässern, wie zum Beispiel die Entnahme von Wasser aus Gewässern oder das Einleiten von Stoffen in Gewässer, sind im Wasserhaushaltsgesetz (WHG)  geregelt.
Die Abwasserverordnung (AbwV) beinhaltet Vorschriften für die Vermeidung, die Messung und die Einleitung von Abwasser in Gewässer. Im Anhang 39 der AbwV sind spezielle Anforderungen für Abwasser aus der Herstellung von Nichteisenmetallen festgelegt.

Abfall

Die Vermeidung, Verwertung und Beseitigung von Abfällen wird im Kreislaufwirtschaftsgesetz (KrWG) geregelt.

Beste Verfügbare Techniken (BVT)

Das BVT-Merkblatt Nichteisenmetallindustrie regelt die Umweltanforderungen für die NE-Metallindustrie auf Grundlage der europäischen Industrieemissions-Richtlinie (Richtlinie 2010/75/EU). Die BVT-Schlussfolgerungen für die Nichteisenmetallindustrie wurden am 30.06.2016 veröffentlicht.

Im UFOPLAN-Vorhaben „DelphiNE“ (FKZ 3713 93 306) wurden durch eine Expertenbefragung nach der Delphi-Methode sowie mehrerer Expertenworkshops die Ressourcenschonungspotenziale in der NE-Metallindustrie bis zum Jahr 2030 ermittelt. Ein Recommendation Paper fasst die wichtigsten Ergebnisse für verschiedene Entscheidungsträger aus Politik und Wirtschaft zusammen. Das Papier ist so gestaltet, dass jeweils die Herausforderung, mögliche Lösungsvorschläge und die dafür zuständige Stakeholdergruppe in knapper und verständlicher Form dargestellt werden

Im ReFoPlan-Vorhaben „OptiMet“ (FKZ 3717 31 3490) wurde das Phänomen des Downcyclings in der Metallindustrie näher untersucht. Es wurden Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Verminderung des Downcyclings und zur Optimierung des Recyclings, insbesondere durch den stärkeren Einsatz neuartiger Sensorsortiertechniken, ermittelt.

Im Rahmen des Umweltinnovationsprogrammes wurden in den letzten Jahren viele interessante Projekte in den Bereichen Energie- und Materialeffizienz sowie Emissionsminderung gefördert. Nähere Informationen und eine Übersicht zu den Projekten erhalten Sie auf der Website des Programms.