Wie man eine Kreislaufwirtschaft für seltene Menschen aufbaut

Yong Geng ist Professor für Umweltmanagement an der School of Environmental Science and Engineering der Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China.

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Joseph Sarkis ist Professor für Management am Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Massachusetts, USA, und TEC-LOGd-Lehrstuhl an der Université Polytechnique Hauts-de-France in Valenciennes, Frankreich.

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Raimund Bleischwitz ist wissenschaftlicher Leiter des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT), Bremen, Deutschland.

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Aus Elektroschrott können Seltenerdelemente gewonnen werden. Bildnachweis: Christophe Archambault/AFP über Getty

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Es gibt eine wichtige chemische Verbindung zwischen vielen Technologien, die den Wettlauf um Netto-CO2-Null-Emissionen vorantreiben werden. Solarzellen nutzen Neodym, Dysprosium und Terbium, um Sonnenlicht effizient in Strom umzuwandeln. Leuchtdioden sind für ihre Lumineszenz auf Europium und Dysprosium angewiesen. Neodym und Samarium sind Bestandteile leistungsstarker Magnete, die in Windkraftanlagen und Elektromotoren verwendet werden. Alle diese Elemente gehören zur Gruppe der 17 „Seltenen Erden“ – den 15 Lanthaniden im Periodensystem, von Lanthan bis Lutetium sowie Scandium und Yttrium.

Die Nachfrage nach Seltenerdelementen (REEs) wächst schnell. Um beispielsweise ein Megawatt Windenergie zu erzeugen, werden rund 170 Kilogramm REEs benötigt1, was ausreicht, um etwa 900 Haushalte im Nordosten der USA zu versorgen. Der weltweite Verbrauch dieser Elemente wird voraussichtlich um das Fünffache steigen, von etwa 60.000 Tonnen im Jahr 2005 auf 315.000 Tonnen im Jahr 20301.

Doch ihre Verfügbarkeit ist begrenzt. China, die Vereinigten Staaten und Russland kontrollieren 56 % der weltweiten REE-Reserven und 76 % ihrer Produktion (siehe go.nature.com/3h1aeji und „Seltene Erden steigen“). Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Geopolitik, die Folgen der COVID-19-Pandemie und jetzt der Krieg die globalen Lieferketten gestört und die Preise volatil gemacht. In den Jahren 2020 und 2021 haben sich einige REE-Preise nach fast einem Jahrzehnt relativer Stabilität verdreifacht oder verfünffacht.

QUELLE: US Geological Survey

Es gibt einen geopolitischen Wettlauf um die Kontrolle der REE-Ressourcen und darum, dass Länder andere Nationen verdrängen. Der REE-Markt ist ein „Nullsummenspiel“, bei dem der Gewinn einer Nation oder eines Unternehmens der Verlust einer anderen ist, ohne dass ein Nettogewinn entsteht.

Grüne Industrien in den Vereinigten Staaten und Europa sind mit Engpässen bei diesen wichtigen Materialien konfrontiert, da sie aus politischen Gründen auf chinesische und russische Exporte verzichten. Viele Länder fördern die inländische Exploration und den Bergbau und schränken gleichzeitig die Importquellen ein. Beispielsweise vergab das US-Verteidigungsministerium (DoD) im Jahr 2022 einen Auftrag über 35 Millionen US-Dollar an die MP Materials Corporation mit Sitz in Las Vegas, Nevada, zur Verarbeitung schwerer Seltenerdelemente am kalifornischen Produktionsstandort des Unternehmens. Im Januar 2023 gab das staatliche schwedische Bergbauunternehmen LKAB bekannt, dass es ein riesiges REE-Vorkommen gefunden hat, das mittlerweile das größte Europas ist.

Auch die Märkte für REEs sind verstreut und ineffizient. Bei diesen Elementen handelt es sich um Nischengüter, die in kleinen Mengen produziert und verwendet werden, hauptsächlich von kleinen und mittleren, meist staatseigenen Unternehmen und nicht von großen Konzernen, die beispielsweise die Stahl- oder Aluminiumproduktion kontrollieren. REEs sind für viele Technologien, wie zum Beispiel Smartphones, von wesentlicher Bedeutung, doch der Wert des Weltmarktes für REEs beträgt nur 0,18 % des Wertes für Rohölrohstoffe, was Investoren abschreckt (siehe go.nature.com/43avjku). In einigen Teilen der Welt, beispielsweise in Myanmar, werden REEs illegal gehandelt (siehe go.nature.com/43e4tzx).

Eine weitere Komplikation besteht darin, dass REEs nicht direkt abgebaut werden, sondern in der Regel aus Mineralien gewonnen werden, die Nebenprodukte anderer Bergbauarten wie Bauxit und Eisenerz sind. Dennoch bleiben viele nutzbare Bergbauabfälle unverarbeitet. Die REE-Wertschöpfungskette verbraucht große Mengen an Energie und Wasser und setzt Schadstoffe und Kohlenstoffemissionen frei (siehe „Eine Kreislaufwirtschaft bei seltenen Erden“). Bei der Raffination eines Kilogramms REE-Oxid entstehen 40–110 Kilogramm Kohlendioxid (Äquivalent)2. Bei der Raffination einer Tonne REE-Oxid können 1,4 Tonnen radioaktiver Abfall, 2.000 Tonnen Abfallmaterial und 1.000 Tonnen schwermetallhaltiges Abwasser entstehen3.

Quelle: J. Navarro & F. Zhao Front. Energieres. 2, 45 (2014)

Um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden, ohne die Umwelt zu schädigen, muss die gesamte REE-Branche neu überdacht werden. Unserer Ansicht nach kann dies – ohne Gewinner und Verlierer – durch den Aufbau von Win-Win-Allianzen und einer globalen Kreislaufwirtschaft für REEs erreicht werden. Hier sind drei Prioritäten.

Derzeit werden nur etwa 1 % der REEs recycelt4. Dennoch gibt es klare Vorteile. Das Recycling von Neodym aus Altmagneten erfordert beispielsweise weniger als die Hälfte (35 %) der Energie, die für die Gewinnung aus Erzen benötigt wird, und setzt weniger Giftstoffe frei (siehe go.nature.com/46crado).

Warum wird so wenig recycelt? Es gibt weltweit keine Richtlinien oder Programme für das Recycling REEs aus Produkten. Und viele Geräte, die REEs in relativ großen Konzentrationen enthalten, wie etwa Batterien von Elektroautos und Magnete in Windmühlen, sind immer noch im Einsatz und werden noch lange nicht ausgemustert. Auch REE-Recycling-Technologien sind unausgereift und wirtschaftlich nicht realisierbar.

Es gibt Regulierungsprogramme und Richtlinien für den Umgang mit anderen Arten von Altmaterialien, die auf REEs zugeschnitten werden könnten. Beispielsweise haben Europa und China Gesetze erlassen, die Hersteller dazu verpflichten, Elektronikschrott zurückzunehmen. Das Hauptaugenmerk dieser Maßnahmen liegt jedoch auf der Bewirtschaftung gefährlicher Abfälle wie Quecksilber, Cadmium und Blei und nicht auf der Unterstützung von „Kreislaufwirtschaft“-Praktiken der Wiederverwendung und des Recyclings. Aus diesem Grund gelten Batterien und Permanentmagnete für Elektrofahrzeuge noch nicht in den Vorschriften für Elektrogeräte (siehe go.nature.com/3xfhxxi).

Forscher des Französischen Geologischen Dienstes trennen Seltenerdelemente aus Bergbauabfällen.Quelle: Christophe Archambault/AFP via Getty

Regierungen auf der ganzen Welt sollten obligatorische Rücknahmerichtlinien für Produkte einführen, die reich an REEs sind, und Netzwerke lizenzierter Recyclingunternehmen aufbauen, um Produkte, die REEs enthalten, zu verarbeiten. Es müssen verbindliche Recyclingquoten oder Anforderungen an den Recyclinganteil von REEs festgelegt und durchgesetzt werden. Beispielsweise hat die Europäische Kommission ein Gesetz verabschiedet, das vorschreibt, dass bis 2030 15 % des REE-Verbrauchs in der Europäischen Union durch Sekundärquellen gedeckt werden müssen (siehe go.nature.com/3xat92q). Für die Sammlung von REE-Altprodukten aus Ländern, in denen es keine Recyclinganlagen gibt, sind globale Vereinbarungen erforderlich.

Regierungen sollten außerdem einem globalen Standard für die Produktkennzeichnung zustimmen, um Herstellern und anderen zu helfen, die Arten und Mengen von REEs in Produkten zu verstehen. Und sie sollten die bestehende Gesetzgebung zu Elektrogeräten dahingehend überarbeiten, dass sie auch Produkte mit hohen und hohen Mengen an REEs einschließt, darunter Magnete und Batterien für Elektrofahrzeuge.

Forscher müssen die Durchführbarkeit und die Auswirkungen solcher Maßnahmen bewerten. Wie schwer wird es beispielsweise für Unternehmen sein, ein nationales 15-Prozent-Recyclingziel zu erreichen, ohne dass dies Auswirkungen hat, wie etwa die Abhängigkeit von minderwertigen Sekundärquellen oder Exportbeschränkungen? Was wäre nötig, um 30 % zu erreichen? Ein Stolperstein besteht darin, dass nur wenige Forscher oder Branchenakteure die Mengen an REEs in Produkten oder die Verbrauchsmuster kohlenstoffarmer Geräte kennen, oft aufgrund von Vertraulichkeitsproblemen. Dies macht es schwierig zu beurteilen, wie viele Tonnen REEs verfügbar sein könnten, wenn die Produkte das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, oder in welchem ​​Zeitrahmen sie eingesammelt werden können. Eine Datenplattform zum Austausch von Schätzungen über das zukünftige Angebot an REEs aus Sekundärquellen würde dazu beitragen, diese Lücke zu schließen.

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Koordinierung und reduzierte Zölle für Waren und Dienstleistungen im Zusammenhang mit REEs sind erforderlich, um globale Handelshemmnisse und REE-Exportbeschränkungen zu überwinden, die sich seit 2009 verfünffacht haben5. Eine bessere Abstimmung des internationalen Handels, der Industriepolitik und der Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen sollte Folgendes umfassen internationale Kreislaufwirtschaft für REEs. Eine Einigung in solchen Fragen beim nächsten G20-Treffen, beispielsweise im September in Neu-Delhi, würde dazu beitragen, internationale Märkte zu etablieren und Skaleneffekte für recycelte REEs und wiederverwendete Produkte zu erzielen. Es würde auch Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen helfen, Zugang zu erneuerbaren Energien zu erhalten, um ihre Energiewende zu beschleunigen, und es würde Regierungen helfen, grüne Erholungspläne nach der COVID-19-Pandemie durch fairen Handel zu unterstützen und gleichzeitig die SDGs zu erreichen.

Es sind Investitionen in Systeme und Technologien erforderlich, um REEs zu verfolgen, Produkte zu sammeln, Demontagetechnologien zu automatisieren und sie zu trennen und zurückzugewinnen. Es sind Material- und technische Innovationen erforderlich, die von einer Reihe von Forschungsarbeiten zur Entwicklung und Verbesserung der mikroskopischen Biolaugungstechnologie (zur Filterung kleinster Spuren von REEs) bis hin zu Methoden der Hydrometallurgie und lösungsbasierten Chemie reichen, um REEs während der Verarbeitung von Leuchtstofflampen auf umweltfreundliche Weise zu sammeln. Solche Technologien werden typischerweise in Laboren demonstriert und müssen auf industrielles Niveau skaliert werden.

Regierungen sollten Steuererleichterungen und Subventionen zur Finanzierung von Forschung, Entwicklung und Innovation in Betracht ziehen, um die Kosten zu senken. Öffentlich-private Partnerschaften könnten Geld für das Recycling von REEs aus bestimmten Produkten sammeln, etwa Permanentmagneten aus Festplattenlaufwerken, Motoren von Windturbinen und Elektrofahrzeugen, Lautsprechern, Magnetresonanztomographen und Satellitenkommunikationsgeräten. Ein positives Beispiel ist die Absicht der EU, bis zu 200 Millionen Euro (217 Millionen US-Dollar) zu mobilisieren, um zehn neue „Hubs for Circularity“ zu schaffen, um die sektorübergreifende Zusammenarbeit zu erleichtern und die Rückgewinnung und das Recycling von Rohstoffen in der gesamten EU zu steigern6.

Die Mountain Pass-Mine für seltene Erden in Kalifornien wird von MP Materials, einem US-amerikanischen Bergbauunternehmen, betrieben.Quelle: Isaac Brekken/The New York Times/Redux/eyevine

Zu den Nutznießern solcher öffentlich-privaten Partnerschaften gehören der Mischkonzern Hitachi mit Sitz in Tokio und staatliche Laboratorien wie das US-amerikanische Oak Ridge National Laboratory in Tennessee – beide prüfen Optionen für das Recycling von Festplattenlaufwerken, die REEs enthalten. Auch Google investiert in diese Optionen, angetrieben durch Schätzungen, dass die Materialrückgewinnung aus US-Festplatten letztendlich etwa 5 % der weltweiten Nachfrage (ohne China) nach Neodym-Magneten decken könnte7.

Allerdings ist die Rentabilität solcher Prozesse gering, was auf die REE-Preise und die Volatilität sowie auf die Spurenmengen, in denen REEs verwendet werden, zurückzuführen ist: Eine typische Festplatte enthält einige Gramm REEs, also etwa 1–2 % der REEs Gewicht6. REEs sind auch in Miniaturchips in Kreditkarten, in Dotierstoffen, die Halbleitern zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit zugesetzt werden, und in Kraftstoffadditiven enthalten. Obwohl Rückgewinnungseffizienzen von bis zu 99,8 % gemeldet wurden8, machen niedrige Erträge die Rückgewinnung unrentabel. Zur Kostensenkung und Marktstabilisierung sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Für den Aufbau einer globalen REEs-Kreislaufwirtschaft sind andere Finanzierungswege erforderlich. Klimafonds, wie der Green Climate Fund, der im Rahmen der UN-Klimarahmenkonvention eingerichtet wurde, um Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen bei der Anpassung und Eindämmung des Klimawandels zu unterstützen, könnten einige Investitionen in die Erholung erneuerbarer Energieträger, insbesondere im Transport- und Digitalbereich, fließen lassen Sektoren. Green-City-Programme, wie sie beispielsweise von der Europäischen Bank für Wiederaufbau und Entwicklung (EBWE) entwickelt wurden, sollten REEs in Pläne für die Sammlung und Verwertung von Elektrogeräten einbeziehen. Multilaterale Entwicklungsbanken könnten im Einklang mit dem im Februar veröffentlichten UN-SDG-Konjunkturplan Finanzmechanismen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen vorantreiben.

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Die Überwachung des internationalen Handels und der Preise wird für die Wahrung der Fairness von entscheidender Bedeutung sein, und die Markttransparenz wird weitere Investitionen anziehen. Organisationen wie die Global Rare Earth Industry Association (REIA) sollten diese Bemühungen unterstützen, indem sie beispielsweise einen internationalen Wissensknotenpunkt einrichten, um Bestände an Roh- und Sekundär-SEEs zu verfolgen und vorherzusagen.

Eine Infrastruktur zur Rückverfolgung von REEs-Mengen auf einzelnen Produktebenen würde auf lange Sicht Sekundärmärkte und Kreislaufwirtschaftspraktiken ankurbeln. Derzeit sind REE-Spureninhaltsstoffe nicht einmal in der Stückliste der Produkte aufgeführt. Forschung zur Rückverfolgbarkeit, beispielsweise mithilfe der Blockchain-Technologie – einem verteilten Datenverwaltungssystem – würde die Verwaltung der REE-Produktströme verbessern9. Außerdem werden Open-Access- oder Blockchain-gestützte Datenbanken zur Verfolgung der REE-Produktströme benötigt. Die Erforschung von Technologien zur Erfassung des molekularen Fußabdrucks von REEs in Materialien muss entwickelt werden. Für die Wartung, den Betrieb, die Verwaltung und die gemeinsame Nutzung dieser verteilten REE-Big-Data-Plattformen werden Designs und Tools benötigt. Auch Industriestandards werden von entscheidender Bedeutung sein.

Darüber hinaus sind weitere Forschungsarbeiten zur Gestaltung von Geschäftsmodellen und Lieferketten erforderlich. Was ist beispielsweise das optimale Logistiknetzwerk? Wie können belastbare Lieferketten für REEs für Schlüsselindustrien unter unterschiedlichen makroökonomischen Aussichten geschaffen werden?

Geschäftsmodelle könnten lukrativ sein. Rückverfolgungssysteme können das Leasing von REE-Mineralien ermöglichen10 – ein System, bei dem diese Mineralien nicht verkauft, sondern für einen bestimmten Zeitraum vermietet werden. Allerdings bleiben rechtliche, vertragliche und prozessuale Hürden bestehen. Eine große Herausforderung besteht darin, zu bestimmen, wem die REE-Materialien sowie die Umweltdienstleistungen in einer Lieferkette gehören sollen. Sollten es die ursprünglichen Mineralextraktoren sein, die typischerweise in Regionen mit niedrigem Einkommen tätig sind, oder die Hersteller mit hoher Wertschöpfung, die in privilegierten Regionen ansässig sind? Was passiert, wenn die Mietverträge korrupten Parteien gehören? Sollte ein Wiederaufbereiter, der zwischen einem Endkunden und einem Sekundärmarkt positioniert ist, Anspruch auf Eigentum erheben können?

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REE-Endverbraucherunternehmen haben ein Interesse daran, das Eigentum an recycelten Materialien zu behalten. Die Richtlinien und Praktiken von Organisationen entlang künftiger Lieferketten müssen erforscht und angepasst werden, einschließlich der Entwicklung von Recycling-Infrastrukturen, Finanzen, Plattformen, Rückverfolgbarkeits- und Informationsaustauschstandards. Die Überlegung, Dienstleistungs- und Leasingmodelle für REEs in Betracht zu ziehen, könnte neue Handelsabkommen bedeuten, in denen Rückverfolgungstechnologien zum Einsatz kommen sollten. Länder, die ihr eigenes Materialmanagement von der Gewinnung bis zur Herstellung betreiben, könnten möglicherweise über interne Systeme verfügen, aber die Zusammenarbeit bei globalen Systemen würde sorgfältig festgelegte Standards und internationale Rechtsvereinbarungen erfordern.

In Zeiten von Reshoring und nationaler Konzentration ist die globale Zusammenarbeit möglicherweise nicht so schwierig wie gedacht. Für einige Länder könnte es attraktiv sein, die Einfuhr geschmuggelter REEs zu verhindern und einen Mehrwert für globale Industrienetzwerke zu schaffen. Die Zusammenarbeit zwischen China, der EU, den Vereinigten Staaten und anderen Nationen könnte durch den Aufbau einer internationalen REE-Datenbank mit Prognosen, die Entwicklung eines fairen Handels mit REEs und anderen Standards gefördert werden. Eine solche Zusammenarbeit könnte den internationalen Handel wiederbeleben und globale Partnerschaften bei der Energiewende erweitern. Richtlinien und Praktiken der Kreislaufwirtschaft können Bedenken hinsichtlich REEs zerstreuen und die Nullsummenmentalität untergraben.

Natur619, 248-251 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02153-z

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Nachdrucke und Genehmigungen

Unsere Studie wird finanziell von der National Science Foundation of China unterstützt (Fördernummer: 72088101; 71810107001).

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