Warum Hochtemperaturspeicher die Grundlage für den zukünftigen Bergbau bilden

Paradoxerweise muss die Bergbauindustrie ihre Produktivität steigern, um ehrgeizige Klimaziele zu erreichen, die von der großflächigen Einführung kohlenstoffarmer Technologien abhängen. Es ist jedoch klar, dass der derzeitige Zustand der Bergbauindustrie, die bis zu 11 % der weltweiten Energie verbraucht und größtenteils in Regionen mit Wasserknappheit tätig ist, nicht nachhaltig ist (Hund et al., 2023). Hier steht die Bergbauindustrie an einem Scheideweg und muss einen innovativen Weg einschlagen, der sich von traditionellen Methoden unterscheidet.

In einem Szenario, in dem die globale Erwärmung auf einen Temperaturanstieg von 2 °C begrenzt ist, werden Solar-PV-Anlagen 87 % des verfügbaren Aluminiums beanspruchen. Wind- und Geothermie werden hingegen den größten Teil des Zink- und Titanbedarfs decken. Darüber hinaus entfallen 74 % des gesamten Kupferbedarfs auf Solar-PV und Windkraft, während der größte Teil des Graphit- und Lithiumbedarfs auf Batteriespeicher entfällt. Allein für Graphit und Lithium wird bis 2050 eine Produktionssteigerung von 500 % erforderlich sein (Northey et al., 2014).

Da die Nachfrage nach Mineralien stetig steigt, werden sich die Herausforderungen hinsichtlich der Produktivität sicherlich verschärfen, und die Branche muss sich selbst umweltfreundlicher aufstellen. Aber wo genau werden diese Herausforderungen auftreten?

Grüne Energie ist eine wirtschaftliche Entscheidung für die Bergbauindustrie

Während Treibhausgasemissionen (THG) ein globales Problem darstellen, müssen energieintensive Betriebe ihre Ausgaben senken und ihre THG-Emissionen reduzieren. Die Beschaffung kohlenstoffarmer Energie zur Vermeidung künftiger CO₂-Preise/-Steuern ist eine Möglichkeit, wie die Bergbauindustrie finanziell profitieren kann.

Laut einem kürzlich veröffentlichten Artikel von Forbes wurde Brent-Rohöl im November 2023 zu einem Hoch von 93 US-Dollar pro Barrel gehandelt – ein Preis, der nur drei Monate zuvor noch um 30 % niedriger lag (Duggan, Sept. 2023). Der rasante Anstieg schürte die Befürchtung, dass der Preis pro Barrel bis 2024 die 100-Dollar-Marke überschreiten könnte. Auch wenn dies bislang nicht der Fall ist, bleibt das Risiko bestehen. Unterdessen wird Energie aus erneuerbaren Quellen immer günstiger.

Wenn es nicht der Preis pro Barrel ist, dann sind es ökologische Faktoren wie sinkende Erzgehalte und externe Faktoren wie der Druck entlang der Lieferkette, CO₂-neutral zu werden – Gründe für die Bergbauindustrie, ihre Energieeffizienz zu verbessern.

Das überzeugende Beispiel: Kupfer

Eine Reihe aktueller Studien zeigt, dass der durchschnittliche Erzgehalt von Kupfererzen stetig abnimmt, während der Energiebedarf und der Gesamtmaterialdurchsatz steigen (Calvo et al., 2016). Mit anderen Worten: Der Energiebedarf für die Kupferproduktion hängt in hohem Maße vom Erzgehalt ab.

Mit sinkendem Erzgehalt muss mehr Material bewegt und verarbeitet werden, um die derzeitige Produktionsmenge aufrechtzuerhalten. Speziell bei Kupferminen ist der Erzgehalt innerhalb von nur einem Jahrzehnt um rund 25 % gesunken. In diesem Zeitraum lag der Anstieg des Energieverbrauchs über dem Produktionszuwachs: Schätzungen gehen von 46 % Energieeinsatz gegenüber 30 % Produktion aus. Die Kupferbergbauindustrie wird in den nächsten zehn Jahren vor großen Effizienzherausforderungen stehen, da sie mit einer steigenden globalen Nachfrage konfrontiert ist, die bis 2050 um bis zu 300 % zunehmen könnte (Northey et al., 2014).

Sinkende Kupfererzgehalte sind unter anderem auch ein Thema für Nickel, Kobalt und Platingruppenmetalle (PGMs) (Magdalena et al., 2023). Während Wissenschaftler argumentieren, dass technologische Fortschritte den Mangel an hochgradigen Erzvorkommen ausgleichen werden (Ericsson et al., 2019), müssen diese Fortschritte erst noch erzielt werden.

Hier und jetzt hat der Bergbausektor die Möglichkeit, seine Energiekosten und Emissionen effektiv zu senken (Kulczycka et al., 2015) – insbesondere durch Verbesserungen an Röst- oder Schmelzprozessen, die vor Ort in Bergwerken oder in Raffinerien durchgeführt werden.

Fortschritte bei Hochtemperaturprozessen im Bergbau

Die Pyrometallurgie ist heute eine der gängigsten Methoden zur Metallgewinnung; in mehreren Produktionsstufen werden jedoch große Wärmemengen benötigt. Bei diesem Verfahren wird ein Mineral durch trockene, hochtemperaturbedingte physikalisch-chemische Veränderungen teilweise oder vollständig von einer elementaren Form in eine andere chemische Verbindung umgewandelt. Zu diesen Prozessen gehören Kalzinieren, Rösten, Schmelzen und Raffinieren. Mit den derzeitigen Anlagen gilt die Pyrometallurgie als wirtschaftlich für höherwertige Erze (Whitworth et al., 2022).

Ausgehend vom Beispiel der Kupferproduktion und ihrem Zukunftsszenario wird der größte Teil der Energie während der Abbauphase, der Konzentratverarbeitung, in Abhängigkeit von der Wahl der Schmelztechnologie, dem Grad der Sauerstoffanreicherung im Prozess sowie der Erzeugung und Anwendung der Prozesswärme verbraucht.

Insbesondere bei den derzeitigen Verfahren zur Verarbeitung von Sulfid-Kupferkonzentrat – der am weitesten verbreiteten Form – bestehen Ineffizienzen. Die Nachteile beginnen bereits in der Röstphase, in der eine große Menge Wärme erzeugt und dann unwiederbringlich verloren geht. Es folgt die Schmelzphase, die ebenfalls erhebliche Mengen an thermischer Energie aus Schweröl, Kohle oder Erdgas erfordert.

Gewinnung und Umverteilung von Wärme aus Rauchgasen in der Kupferpyrometallurgie

Bei der Kupferproduktion könnten mehrere Abwärmequellen allein aus dem Rauchgas zurückgewonnen und umverteilt werden (Yu et al., 2011). Diese Quellen könnten wiederverwendet werden, wenn sie ordnungsgemäß gespeichert werden, um den Bedarf zu decken und den Energieeinsatz zu senken. Viele davon lassen sich zudem elektrifizieren, was vorteilhaft ist. Anwendungen umfassen unter anderem:

• Dampferzeugung: Nutzung der Abwärme aus hochtemperiertem Rauchgas (z. B. aus dem Anodenofen oder Anodendrehofen) zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel.
• Vorwärmung von Luft oder Ofenbeschickung: Nutzung des abgekühlten Rauchgases nach dem Wärmeübergang im Abhitzekessel zur Vorwärmung der Verbrennungsluft oder der Ofenbeschickung (z. B. für den Flash-Schmelzofen).
• Herstellung von Schwefelsäure: Mischung des höhertemperierten, SO₂-haltigen Rauchgases (z. B. aus Schlackenreinigungs- oder -aufbereitungsöfen) mit dem Rauchgas des Flash-Schmelzofens oder Konverters zur Produktion von Schwefelsäure.
• Trocknung der Ofenbeschickung: Einsatz des Rauchgases niedrigerer Temperatur (z. B. aus Heißwind- und Dampfüberhitzeröfen) zur Trocknung der Ofenbeschickung.
• Stromerzeugung: Nutzung des aus Abwärme erzeugten Dampfes zum Antrieb von Turbinen und zur Stromproduktion.
• Umverteilung gespeicherter Wärme an abgelegenen Bergbaustandorten

Abgelegene Bergbaustandorte – insbesondere in deutlich kühleren Klimazonen, die nicht an das Stromnetz oder an Erdgasleitungen angeschlossen sind – könnten besonders von fortschrittlichen oder sogar mobilen Wärmespeicher- und -versorgungseinheiten profitieren. Bergwerke in abgelegenen Gebieten sind in der Regel auf Dieselgeneratoren angewiesen. Selbst mit moderner Technik sind diese jedoch nicht sehr effizient: Sie wandeln nur etwa 33 % der Energie des Dieselkraftstoffs in Strom um.

Insbesondere für abgelegene Bergbaubetriebe kann die Umverteilung von Abwärme in wärmeintensive Prozesse die Kosten senken (Baidyaby et al., 2019), etwa durch Wärmebereitstellung für:

• endotherme Mineralaufbereitungssysteme
• Vorwärmung der unter dem Gefrierpunkt liegenden Grubenzuluft
• Raumheizung für Gemeinschaftsbereiche
• Erwärmung von Brauchwasser

Die Rückgewinnung von Abwärme kann den Bergbau nachhaltig machen.

Die Nutzung sauberer Wärme aus Elektrifizierung und Speichertechnologien wird dem Bergbausektor helfen, Klimaziele nachhaltig zu erreichen. Dies kann auch dazu beitragen, die verminderte Qualität und Menge der Erze auszugleichen. Zudem kann die Umverteilung gespeicherter Wärme aus Rauchgasen auf wärmeintensive Prozesse eine nachhaltigere Zukunft für die Bergbauindustrie gewährleisten. Wärmespeicherung ist vorteilhaft – sowohl angesichts der finanziellen als auch der ökologischen Herausforderungen eines anspruchsvollen Industrie- und Mineralienmarktes.

Quellen

Baidya, D., De Brito, M. A. R., Sasmito, A. P., Scoble, M., & Ghoreishi-Madiseh, S. A. (2019). Recovering waste heat from diesel generator exhaust; an opportunity for combined heat and power generation in remote Canadian mines. Journal of Cleaner Production, 225, 785-805. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.03.340

Duggins, W, Why Is The Price Of Gasoline Rising? (2023), Forbes Advisor, Date of last access: January 01, 2023.

Ericsson, M., Drielsma, J., Humphreys, D. et al. Why current assessments of ‘future efforts’ are no basis for establishing policies on material use—a response to research on ore grades. Miner Econ 32, 111–121 (2019). https://doi.org/10.1007/s13563-019-00175-6

Hund, Kirsten; La Porta, Daniele; Fabregas , Thao P; Laing, Tim; Drexhage, John. 2023. Minerals for Climate Action: The Mineral Intensity of the Clean Energy Transition. © Washington, DC: World Bank. http://hdl.handle.net/10986/40002 License: CC BY-NC 3.0 IGO. 

Kulczycka, J., Lelek, Ł., Lewandowska, A., Wirth, H., & Bergesen, J. D. (2016). Environmental Impacts of Energy-Efficient Pyrometallurgical Copper Smelting Technologies: The Consequences of Technological Changes from 2010 to 2050. Journal of Industrial Ecology, 20(2), 304-316. https://doi.org/10.1111/jiec.12369

Magdalena, R., Valero, A., & Calvo, G. (2023). Limit of recovery: How future evolution of ore grades could influence energy consumption and prices for Nickel, Cobalt, and PGMs. Minerals Engineering, 200, 108150. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2023.108150

Northey, S., Mohr, S., Mudd, G., Weng, Z., & Giurco, D. (2014). Modelling future copper ore grade decline based on a detailed assessment of copper resources and mining. Resources, Conservation and Recycling, 83, 190-201. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2013.10.005

Okosun, T., Nielson, S., Ray, S., Street, S., & Zhou, C. (2020). On the Impacts of Pre-Heated Natural Gas Injection in Blast Furnaces. Processes, 8(7), 771. https://doi.org/10.3390/pr8070771

Whitworth, A. J., Vaughan, J., Southam, G., Van der Ent, A., Nkrumah, P. N., Ma, X., & Parbhakar-Fox, A. (2022). Review on metal extraction technologies suitable for critical metal recovery from mining and processing wastes. Minerals Engineering, 182, 107537. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107537

Yu, H., Wang, L. Y., & Du, T. (2011). Waste heat recovery and reuse of flue gas in copper pyrometallurgy. Applied Mechanics and Materials, 71-78, 2239. doi:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.71-78.2239