Wirtschaft und Politik erkennen mehr und mehr, dass Abfälle wichtige Rohstoffquellen sind. Während bei Kunststoffen heute in erster Linie der Energieinhalt genutzt wird, zeichnen sich zahlreiche Produkte durch ihre Mischung an wichtigen Metallen in ganz verschiedenen Konzentrationen aus. Zur Nutzung dieser Rohstoffquelle müssen bestehende Rückgewinnungsverfahren angepasst und erweitert werden. Zur Unterstützung der Entwicklungen ist die Politik angehalten, für die notwendige Rahmenbedingungen zu sorgen.
Recycling of Metals – Possibilities and Limits of the Processes
Waste is nowadays an important source for raw materials which is more and more recognized by industry and politics. While polymers are mostly used for their energy content today, many products contain complex mixtures of diverse metals in different concentrations. To make use of this material source the existing recovery methods have to be adapted and enhanced. Politics should support these developments by defining the right framework.
Die Minen der Zukunft für unsere Technikgesellschaft liegen vor unserer Haustüre oder sogar in unseren Schubladen und Kellern. Das so genannte Urban mining oder die Suche und Gewinnung wertvoller Ressourcen aus dem Abfall der Industriegesellschaften wird zukünftig wichtiger werden, denn Metalle, die wir nicht auf der anderen Seite der Erdkugel aus der Erdkruste holen, aus dem Gestein befreien und hierher bringen müssen, sondern aus unseren selbst hergestellten Produkten gewinnen können, verbrauchen deutlich weniger Ressourcen.
Die Grundlagen für ein technisch ausgefeiltes Recycling auf der Basis von chemisch-physikalischem Wissen und geeigneten Werkzeugen stellt ein Bericht des Resource Panel im Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) vor, der dieses Jahr erschienen ist [1]. Zum ersten Mal können Experten genauso wie interessierte Politiker oder Behördenvertreter aus allen Bereichen, die mit Recycling beschäftigt sind, erprobte und verlässliche Informationen zu den Voraussetzungen und Möglichkeiten heutiger Recyclingtechnologien in einer neutralen Form finden.
Der Bericht wurde unter der Leitung von Prof. Markus Reuter aus Finnland von verschiedenen Experten für die einzelnen Aspekte des Metallrecyclings zusammengestellt. Er gibt wesentliche Elemente des heute verfügbaren besten Wissens für das Recycling von Metallen wider und leitet daraus verschiedene Empfehlungen an Politik, Gesetzgeber und Behörden ab, wie das Recycling von Metallen künftig effektiver und wirksamer gestaltet werden kann.
Im Einzelnen geht der Bericht auf folgende Themen ein:
- Einflussfaktoren auf das Recycling
- Recyclingmöglichkeiten
- Begrenzende Faktoren für Recyclingprozesse
- Konsequenzen dieser Begrenzungen
- Infrastruktur für die Recycling-Optimierung
- Werkzeuge zur Entscheidungsunterstützung
- Politikempfehlungen.
Historisch herrscht im Recycling, besonders im Metallrecycling, ein metallzentriertes Denken vor. Prozessketten wurden für die Extraktion von einem oder mehreren Metallen aus Abfallströmen ausgelegt, was solange gut funktionierte, wie die Materialmischungen relativ einfach waren. Heute bestehen moderne Produkte, zumal aus dem Elektronikbereich, aus einer Vielzahl von Elementen, darunter oft mehr als zwei Dutzend verschiedene Metalle. Die Mischungen sind komplex und bedingt durch fortschrittliche Produktionstechnologie werden immer kleinere Mengen an Metallen in immer komplexerer Weise verknüpft. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines produktzentrierten Recyclings, bei dem aus den Werkstoffen und der Struktur eines konkreten Produkts das geeignete Recyclingverfahren hergeleitet wird.
Einflussfaktoren auf das Recycling
Das produktzentrierte Recycling (product-centric recycling, PCR) erfordert ein sehr gutes Verständnis von heute verfügbaren Trennverfahren, von Metallurgie und Thermodynamik. Dieser Ansatz betrachtet die gesamte Recyclingkette, ihre technologische Leistungsfähigkeit und ihre ökonomische Effizienz. Die wichtigsten Einflussfaktoren auf das Recycling sind:
- Recyclingprozesse und ihre chemischen und physikalischen Einflüsse auf die bearbeiteten Metalle
- Sammlung und Sortierung von Abfall
- physikalische Eigenschaften und Konstruktion der nicht mehr verwendbaren (End-of-Life, EoL) Geräte.
Die Aufgabe im modernen Metallrecycling ist vergleichbar der Aufgabe, aus einer Tasse Kaffee wieder sauberes Wasser, Kaffeepulver, Zucker und Milch zu gewinnen. In komplexen Recyclingsystemen beeinflusst jeder Faktor jeden anderen und manchmal kommt es auch auf die Reihenfolge von Trennschritten an. Jeder Akteur der gesamten Produktions- und Recyclingkette sollte die Abläufe in allen Teilen kennen, um die Auswirkungen seiner Entscheidungen auf die anderen Beteiligten abschätzen zu können. Das Recycling von Metallen schont Ressourcen, da der Energieaufwand für ihre Gewinnung aus den urbanen Abfällen (Urban mine) deutlich geringer ist als bei der Primärgewinnung.
Wichtig ist neben der Technologie auch die Ökonomie der Rückgewinnung von Metallen. Der Wert der gewonnenen Metalle muss alle Operationen zu ihrer Gewinnung wirtschaftlich tragen. Dies hängt einerseits von der Menge und Qualität der Metalle ab, andererseits aber auch von ihrem Weltmarktpreis, der heute meist sehr volatil ist und längerfristige Voraussagen nicht mehr erlaubt.
Die Gestaltung von Produkten entscheidet allerdings auch ganz wesentlich über den Aufwand für die Recyclingprozesse und kann so die Wirtschaftlichkeit verändern. Nicht immer lässt sich ein Produkt günstig für das Recycling gestalten, denn seine eigentliche Funktion steht natürlich immer an erster Stelle. Allerdings wäre bei entsprechendem Wissen um nachgelagerte Prozesse oft eine Unterstützung möglich, wenn sie denn dem Hersteller einen Vorteil brächte.
Recyclingmöglichkeiten, begrenzende Faktoren und Konsequenzen der Faktoren
Beim Recycling ist der erste Schritt normalerweise die Zerkleinerung der Abfälle. Wenn aber Metalle mit anderen Werkstoffen kombiniert sind, dann ist nach der Zerkleinerung eine Trennung dieser Bestandteile oft nicht oder nicht vollständig möglich. Damit gehen bedeutende Metallmengen beispielsweise mit Kunststoffen in die weitere Verwertung oder komplexe Metallmischungen werden in einem Schmelzprozess bearbeitet, in dem einige Metalle prozessbedingt verloren gehen und in der Schlacke landen. Je nach Metall und Prozess kann es sogar passieren, dass ein Metall gewonnen werden kann, ein anderes, ähnliches jedoch verloren geht, weil der jeweilige Prozess keine separate Gewinnung erlaubt. Auch die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte kann darüber entscheiden, ob ein Metall als Wertstoff gewinnbar ist oder nicht.
Geschredderter Elektronikschrott, heute meist Basis für die Aufarbeitungund Metallgewinnung / Quelle: ALBA Group
Der Grad und die Qualität der vorausgehenden Trennung entscheidet letztlich darüber, welche Metalle in welcher Form tatsächlich zurückgewonnen werden. Damit ist die Vorbehandlung letztlich wichtiger für die Art der Produkte und den erzielbaren Erlös als die eigentlichen Gewinnungsprozesse wie das Schmelzen oder die Extraktion. Alle Metalle aus einem gegebenen Produkt zu recyceln ist ein komplexes Puzzle aus technischen und ökonomischen Randbedingungen, bei welchem häufig noch rechtliche und regulatorische Vorschriften zu berücksichtigen sind.
Infrastruktur für die Recyclingoptimierung
Für optimale Recyclingverfahren gibt es eine Reihe notwendiger Randbedingungen und Infrastrukturen, die der Bericht des Resource Panel beschreibt. Ein zentrales Element dabei sind beste verfügbare Technologien (Best Available Techniques, BAT) für die Aufbereitung und Sortierung von Abfällen. Diese Methoden müssen nicht notwendig hochtechnisiert sein, sie können im Gegenteil auch in der qualifizierten manuellen Zerlegung oder Bearbeitung von einzelnen Komponenten bestehen. Wichtig sind aber klare Standards, die eingehalten und überprüft werden. Damit soll eine gleichbleibend hohe Qualität der separierten Teilströme erreicht und gesichert werden, die wiederum (siehe oben) Grundlage für eine wirkungsvolle Metalltrennung ist.
Die politischen Instanzen, die für die Regulierung von Recyclingsystemen zuständig sind, sollten sich nicht allein auf Vorschriften und Gesetze verlassen. Vielmehr sollten die Bedingungen so gesetzt werden, dass sich ökonomische Anreize dafür ergeben, Abfälle nach besten verfügbaren Technologien zu behandeln. Solche Anreize können und müssen teilweise auch für strategische Metalle geboten werden, deren Recycling unter reinen Marktbedingungen heute nicht wirtschaftlich, aber aus politischen oder Umweltgründen gewollt ist. Recyclingziele sollten nicht unrealistisch ausfallen, denn die physikalischen und thermodynamischen Grenzen können nicht verschoben werden. Je nach Abfallstrom sollten auch Vorgaben für die Behandlung vermieden werden, die zu unvermeidbaren Verlusten einzelner Metalle führen.
Das notwendige Wissen für die technologisch und ökonomisch sinnvolle Gestaltung von Recyclingsystemen findet sich unter anderem in der Bergbau- und Minenindustrie, die schon immer mit ähnlichen Randbedingungen arbeiten und dafür sinnvolle Lösungen finden musste.
Die Vorteile für alle Akteure der Recyclingkette sind am größten, wenn ein möglichst guter Informationsaustausch entlang der gesamten Kette stattfindet. Die Motivation für einen solchen Datenaustausch sollte nicht nur durch regulatorische Auflagen, sondern durch ökonomische Vorteile begründet sein, dann werden effiziente Lösungen dafür gefunden.
Die Modellierung von Recyclingprozessen schließlich ermöglicht eine bessere Umsetzung von recyclinggerechten Konstruktionen oder besser von Konstruktionen für Ressourceneffizienz. Mit Hilfe von Simulationswerkzeugen, welche die verschiedenen Ausgangsströme der Recyclingprozesse quantitativ abbilden, lassen sich die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf das Recyclingergebnis ebenfalls quantitativ bestimmen. So können iterativ recyclinggerechtere Gestaltungslösungen gefunden werden.
Werkzeuge zur Entscheidungsunterstützung
Die Kombination von verschiedenen Modellierungswerkzeugen erlaubt die detaillierte Abbildung von Recyclingprozessen auf der Basis physikalischer und thermodynamischer Zusammenhänge. Eines der grundlegenden Hilfsmittel, das im Bericht näher beschrieben wird, heißt Metall-Rad (Metal Wheel). Es gibt einen Überblick über verschiedene, in großen Mengen eingesetzte Metalle oder solche, die wiederum andere Metalle lösen. Für Metallmischungen wird angegeben, welche Kombination von Elementen mit Hilfe pyrometallurgischer oder hydrometallurgischer Verfahren getrennt werden kann und welche Elemente im Abfall, also meist der Schlacke, verbleiben.
Industrielle Kupfergewinnung durch Elektrolyse, im Bild beschichtete Kathoden / Quelle: Aurubis AG
Auf Basis solcher Modelle lassen sich Alternativen zur Freisetzung bestimmter Zielmetalle aus spezifizierten Produkten modellieren und vergleichen. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings das genaue Wissen über den Aufbau und die Zusammensetzung der eingesetzten Werkstoffe und deren Verhalten in verschiedenen Trennprozessen in Abhängigkeit von dem oder den Zielmetallen. Die Kopplung solcher Simulationen mit den Ergebnissen von Lebenszyklusanalysen oder mit Werkzeugen zum Lebenszyklus-Management von Produkten ergibt schließlich eine Umgebung, in der Recyclingprozesse umfassend und komplex geplant und bewertet werden können. Solche Werkzeuge stehen heute bereits zur Verfügung und sie müssen zukünftig weiter entwickelt und verbreitet werden, um die technologische Basis aller Recyclingverfahren ständig zu verbessern. Dies wird auch die Rückgewinnung von Metallen erlauben, die selten oder teuer sind und heute oft nur in sehr geringen Mengen in den Abfallströmen vorkommen. Damit sind sie sehr schwer zu isolieren und gehen heute meist in die Rückstände der Prozesse.
Gallium, ein teures Metall, das in Elektronikschrott nur in Spuren vorkommt, zum Beispiel in Halbleiterchips / Quelle: Wikipedia
Politikempfehlungen
Der Bericht listet viele konkrete Empfehlungen an die Politik auf, von denen einige hier widergegeben werden, sofern sie nicht weiter oben im Text bereits erwähnt wurden.
Recycling ist eine technologisch-ökonomische Aktivität, sie ist näher an Produktionsprozessen als an der klassischen Umwelttechnik angesiedelt.
Gewichtsbasierte Sammelziele sind nicht hilfreich, um das Recycling der vielen kritischen und in geringen Konzentrationen vorkommenden Metalle zu motivieren. Es sollten zukünftig spezifische Ziele für Basis-, Technologie- und kritische Metalle definiert werden. Die Ziele für die Rückgewinnung dürfen nicht zu hoch sein, das würde zu extrem hohem Energieverbrauch führen. Andererseits sollten die Ziele auf der Basis der besten verfügbaren Techniken (BAT) definiert und eingefordert werden.
Ein produktorientiertes Recycling erfordert ein tiefgreifendes Umdenken in Politik und Verwaltung. Es ist sehr viel komplexer als das metallorientierte Recycling und basiert auf ineinander greifende technische Prozesse. Diese zumindest im Ansatz zu verstehen und ihre Potentiale so in Gesetze und Vorschriften umzusetzen, dass ambitionierte, aber technisch erreichbare Ziele dabei herauskommen, ist die große Herausforderung, die auch den Aufbau technischer Kompetenz in Behörden notwendig macht.
Die Idee des Design-for-recycling sollte durch das Konzept des Design-for-resource efficiency ersetzt werden. Die Betrachtung eines Produkts entlang des gesamten Lebenszyklus in Verbindung mit leistungsfähigen Simulationswerkzeugen erlaubt die Bewertung von Änderungen am Anfang des Produktlebens im Hinblick auf die Konsequenzen beim Recycling. Die Ressourcennutzung über den gesamten Lebenszyklus sollte minimiert und alle Akteure sollten durch Informationsaustausch und ökonomische Faktoren zur Zusammenarbeit motiviert werden.
Die Kreislaufwirtschaft ist ein Spezialfall des 100-prozentigen Recyclings, der in der Praxis nicht mit sinnvollem Aufwand zu erreichen ist. Als Ziel und Vision ist er wichtig, für die praktische Umsetzung in der Industrie jedoch sollten keine 100-Prozent-Ziele gesetzt werden.
Die beste Regulierung ist diejenige, die für die Internalisierung der externalisierten Kosten sorgt. Dies muss mit realistischen Kostengrößen erfolgen, damit die gewünschten Effekte auch tatsächlich eintreten.
Für bestimmte Metalle könnten zukünftig wenige spezialisierte Verwerter notwendig werden, die ihre Eingangsmaterialien aus verschiedenen Ländern einsammeln, um einen wirtschaftlich sinnvollen Prozess darstellen zu können. Für solche Fälle müssen transparente Transportmechanismen über Ländergrenzen hinweg etabliert werden.
Um die Simulationswerkzeuge weiter zu entwickeln und die technologische Wissensbasis bei den vielen beteiligten Akteuren zu verbessern, sollten die Forschung und vor allem die Ausbildung von Recyclingexperten konsequent verfolgt werden. Nur durch weit verbreitetes Wissen auf hohem Niveau lassen sich die oben skizzierten Vorgehensweisen wirklich umsetzen und damit die Basis für eine gute Funktion des Gesamtsystems legen.
Literatur
[1] UNEP (2013) Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel. Reuter, M. A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C.
DOI: 10.7395/2013/Brunel5
Text zum Titelbild: Elektronikschrott als Quelle von wertvollen Metallen / Quelle: ALBA Group
