Die digitale Revolution hat zu einem massiven Anstieg der Hardware geführt, einschließlich eines starken Anstiegs des Elektroschrotts (E-Schrott). Während die Technologie veralten und überholt sein kann, behalten einzelne Komponenten oft noch lange nachdem ein Smartphone nicht mehr genutzt wird ihren Wert, was für das Recycling spricht.

E-Schrott ist die am schnellsten wachsende Abfallart der Welt (World Economic Forum, 2019). Er ist auch einer der giftigsten für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Elektroschrott bietet jedoch auch enorme wirtschaftliche Chancen. Der Gesamtwert der Rohstoffe – wie Kunststoffe, Cu, Fe, Al, Co, Ni, Sn, Pb, Zn und die Edelmetalle Gold und Silber –, die aus Elektroschrott recycelt werden können, wird auf über 54 Milliarden Euro pro Jahr geschätzt (Liu et al., 2023).

Das Sammeln und Recyceln alter, veralteter Elektronikgeräte wird als „Urban Mining“ bezeichnet. Es bietet eine buchstäbliche wie auch sprichwörtliche Goldmine für Länder und Industrien, die bereit sind, den Prozess effizienter und umweltfreundlicher zu gestalten. Und natürlich entsteht bei der Rückgewinnung der Metalle aus dem Abfall Wärme, die dekarbonisiert werden muss.

Chancen und Herausforderungen im Urban Mining

Das Recycling von Elektroschrott ist entscheidend, um der Verknappung von Seltenerdmetallen und Edelmetallen entgegenzuwirken und zu einer Kreislaufwirtschaft einschließlich der Energiewirtschaft beizutragen. So spart beispielsweise das Recycling von 1 Million Laptops Energie in einer Größenordnung, die dem jährlichen Verbrauch von 3.600 Haushalten in den USA entspricht (EPA, 2015). Gleichzeitig werden schätzungsweise rund 50 Millionen Tonnen Elektroschrott pro Jahr produziert (Iberdrola, 2024). Trotz Gesetzen wie dem Basler Übereinkommen (1989), das den Transport von Elektroschrott einschränken soll, gibt es eine florierende illegale Industrie, die diesen von Industrieländern in Entwicklungsländer transportiert. Dies wirft erhebliche Probleme auf: Entwicklungsländer verfügen oft nicht über sichere Entsorgungsmethoden, was zu gefährlichen Arbeitsbedingungen und Umweltschäden führt. Gleichzeitig entgehen den Industrieländern potenzielle Einnahmen aus dem Recycling.

Auch beim Urban Mining gibt es Herausforderungen bei der Suche nach effizienten, umweltfreundlichen Methoden. Experimentelle Techniken wie überkritische Fluide, geschmolzene Salze und Bioleaching sind vielversprechend, müssen aber noch weiterentwickelt werden, um ein Gleichgewicht zwischen Kosteneffizienz und Wert zu erreichen (Liu et al., 2023).

Verfahren wie Hydrometallurgie und Pyrometallurgie haben sich als äußerst effektiv bei der Rückgewinnung von Edelmetallen aus Elektroschrott erwiesen. Der einzige Nachteil ist, dass sie derzeit höhere Treibhausgasemissionen verursachen, die das ökologische Gleichgewicht stark belasten. Daher sollte man bestehende Verfahren überdenken und neue Technologien für einen umweltfreundlicheren Urban Mining prüfen.

Ersatz fossiler Brennstoffe und Nutzung von Abwärme zur Energieeinsparung und Reduzierung der Treibhausgasemissionen

Die Pyrometallurgie ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Behandlung von Elektroschrott. Im Vergleich zu neueren experimentellen Verfahren liegt der Vorteil dieses Verfahrens in seiner relativen Einfachheit und Effektivität. Außerdem ist bei der Pyrometallurgie keine vorgelagerte Sortierung und Zerkleinerung erforderlich, da der Prozess mit der Zerkleinerung des Elektroschrotts in kleinere Partikel beginnt (Castro & Bassin, 2022). Die Gewinnung von Edelmetallen erfordert jedoch Prozesswärme bei hohen Temperaturen, was auch mit hohen CO2-Emissionen und einem hohen Energieverbrauch verbunden ist. Wenn die Prozesswärme für die Pyrometallurgie umweltfreundlich wäre und die Abwärme wiederverwertet werden könnte, würde dies die Energieeffizienz verbessern und die Treibhausgasemissionen reduzieren.

Wärmebedarf um Elektroschrott in profitable Edelmetalle umzuwandeln

Im pyrometallurgischen Verfahren wird Elektroschrott zunächst durch Schredder oder Zerkleinerer geleitet, die die metallischen Nebenprodukte in kleinere Partikel zerlegen. Im nächsten Schritt wird die zerkleinerte Masse entweder in Flash- oder Chargenöfen geschmolzen. Bei diesem Verfahren entstehen getrennte Metalle, Schlacke und Abgase (Castro & Bassin, 2022). Von hier an wird die Pyrometallurgie zu einem vielfältigeren Prozess, der von der Anlage und der primären Metallzusammensetzung der getrennten Metalle abhängt (Harvey et al., 2022):

• Primäre Eisenfraktionen können durch Sauerstoff- und Lichtbogenöfen weiter getrennt werden.
• Kupfer- und Bleifraktionen können durch Schmelzöfen getrennt werden.
• Aluminiumfraktionen können durch Kipp- oder stationäre Schmelzöfen getrennt werden.

Der Hauptvorteil all dieser pyrometallurgischen Verfahren besteht darin, dass sie Edelmetalle mit bis zu 99,99 % effizient trennen (Liu et al., 2023).

Eine ständige Herausforderung für die wirtschaftliche und ökologische Effizienz der Pyrometallurgie ist der hohe Wärmebedarf. Der Prozess der Pyrometallurgie erfordert je nach der genauen Methode eine konstante Wärme zwischen 400 °C und 1200 °C (Kiehbadroudinezhad, 2023). Beispielsweise erfordert die Kupferschmelze, bei der Sulfide zur Erleichterung der Trennung eingesetzt werden, 1200 °C, während die Bleischmelze mit Hochöfen und Imperial-Schmelzöfen eine niedrigere Temperatur zwischen 400 °C und 800 °C erfordert (Harvey et al., 2022). Diese Wärme wird größtenteils durch fossile Brennstoffe erzeugt, wodurch der positive Effekt des Recyclings gebrauchter Materialien durch die Emission großer Mengen an Treibhausgasen und CO2 weniger umweltfreundlich wird. Einige der Öfen können mit Heißluft aus Kraftblocks Net-Zero Heat System betrieben werden, das erneuerbare Energien nutzt. Allein die Wiederverwendung der heißen Abgase zum Vorheizen von Schrott oder Öfen kann zu einer erheblichen Reduzierung des Bedarfs an fossilen Brennstoffen führen.

Kupferschmelzen von Elektroschrott, ein Beispiel für einen pyrometallurgischen Prozess

Eine der häufigsten Formen der Pyrometallurgie im Urban Mining ist das Kupferschmelzen. Grund dafür ist der hohe Kupfergehalt in Leiterplatten, einem Hauptbestandteil fast aller Elektronikabfälle. Nachdem die Elektronikabfälle mechanisch getrennt und zerkleinert wurden, wird die kupferreiche Schreddermasse zusammen mit geförderten Kupferkonzentraten in einen Schmelzofen gegeben (Rath et al., 2022).

In diesem ersten Prozess werden Kupferlegierungen und andere Edelmetalle von Eisen, Blei, Nickel und anderen weniger wertvollen Materialien getrennt. Die Kupferlegierungsmasse wird dann durch Elektroraffinierung und chemische Laugung weiterverarbeitet, um das Kupfer von anderen Edelmetallen wie Gold, Silber und Platin zu trennen.

In der Zwischenzeit wird die Metallschlacke aus dem ersten Schmelzofen erneut geschmolzen, wobei Techniken zum weiteren Trennen von Eisen, Blei, Nickel und anderen Materialien zum Einsatz kommen (GIZ E-Waste Programme Ghana, 2019). Dieser Prozess erfordert hohe Temperaturen in mehreren Stufen, weshalb die Wärmespeicherung ein wichtiger Faktor ist, um die Pyrometallurgie wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu gestalten.

Die Notwendigkeit hoher Temperaturen beim Recycling von Elektroschrott

Das hohe Maß an gleichmäßiger Wärme, das für die Pyrometallurgie beim Recycling von Elektroschrott erforderlich ist, ist das größte Hindernis dafür, dass diese Technik zur besten Option für das Urban Mining in der Industrie wird. Die Rückgewinnung von Wärme aus Schmelzöfen, insbesondere in Chargenprozessen, und deren Speicherung bis zum nächsten Arbeitszyklus könnte daher die Treibhausgasemissionen drastisch senken und Recyclingbetriebe davon abhalten, überschüssige fossile Brennstoffe zu verbrennen.

Weitere Anwendungsfälle für diese gespeicherte Wärme sind die industrielle Prozesswärme vor Ort und die Fernwärmeversorgung (Hajlasz et al., 2023). Angesichts der steigenden Nachfrage nach Edelmetallen kann die Suche nach Möglichkeiten zur Herstellung und zum Recycling von Materialien am selben Standort potenzielle Einnahmen steigern und die Treibhausgasemissionen senken. Während wir uns mit großen Schritten auf eine neue Technologieära zubewegen, wird die Notwendigkeit, die Technologien der letzten Generation zu recyceln, für weiteres Wachstum von großer Bedeutung sein. Dazu sollten auch Experimente mit neuen Formen des E-Abfall-Recyclings und die Perfektionierung älterer, ausgereifterer Formen wie der Pyrometallurgie gehören.

Quellen

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Hajlasz, M., Helmcke, S., Liebach, F., Schleyer, T.,& Somers, K. (2023, November 30). Unlocking the potential of waste heat recovery |McKinsey. Www.mckinsey.com; McKinsey Sustainability. https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/waste-not-unlocking-the-potential-of-waste-heat-recovery

Harvey,J. P., Khalil, M., & Chaouki, J. (2022). Pyrometallurgical processes forrecycling waste electrical and electronic equipment. Electronic Waste:Recycling and Reprocessing for a Sustainable Future, 135-164.

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Kiehbadroudinezhad,M., Merabet, A., & Hosseinzadeh-Bandbafha, H. (2023). Electronic Waste to Energy, Technologies, Economics, andChallenges: A Renewable or Non-Renewable Path?. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-93940-9.00126-2

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