Nachhaltiges Herstellungsverfahren aus Nickelerzen entwickelt
„Grünes“ Nickel: Forschende haben ein nachhaltiges Verfahren entwickelt, bei dem Nickel CO2-arm, energieeffizient und in nur einem einzigen Prozessschritt hergestellt wird. Ausgangsmaterial sind minderwertige Nickelerze, als Hilfsmittel dient Wasserstoffplasma. Dieses Metallurgie-Verfahren könnte schon bald in der Industrie eingesetzt werden, um Nickel für Batterien und Co zu produzieren, wie das Team in „Nature“ berichtet.
Im Zuge der Energiewende werden fossile Energieträger durch elektrische ersetzt, um CO2-Emissionen zu senken und damit den Klimawandel einzudämmen. Für diese Elektrifizierung, vor allem des Verkehrs, ist Nickel unverzichtbar. Denn dieses Metall wird nicht nur für Edelstahl, sondern auch für Batterie-Elektroden und Magnete und damit viele Bauteile des künftigen Stromnetzes und E-Autos benötigt. Der globale Nickelbedarf wird sich daher bis 2040 voraussichtlich verdoppeln und dann bei über sechs Millionen Tonnen jährlich liegen.
Herausforderung Nickelproduktion
Doch die Produktion dieses Rohstoffes verursacht selbst enorme Emissionen – aktuell rund 20 Tonnen CO2 pro Tonne Nickel – und ist daher eine erhebliche Umweltbelastung. „Wenn wir Nickel weiterhin konventionell produzieren und für die Elektrifizierung nutzen, verlagern wir die Umweltbelastung lediglich vom Verkehrs- in den Metallurgiesektor“, erklärt Ubaid Manzoor vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) in Düsseldorf.
Wissenschaftler um Manzoor haben daher nun ein nachhaltiges Verfahren zur Nickelgewinnung entwickelt. Es nutzt nicht nur hochwertige Mineralien, sondern auch minderwertige Erze als Rohstoffe. Diese Laterite, darunter Silikate und Eisenoxide, wurden bislang vernachlässigt, weil ihre Aufbereitung technisch deutlich anspruchsvoller ist. Minderwertige Erze machen jedoch rund 60 Prozent der weltweiten Nickelvorkommen aus und sind daher eine wichtige Quelle.
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In einem Schritt zu „grünem“ Nickel
In dem neuen Verfahren wird daraus in nur einem Kombi-Schritt aus Schmelzen, Reduktion, Abtrennung und Raffination sogenanntes Ferronickel. Das sind hochwertige Eisen-Nickel- Legierungen mit minimalen Verunreinigungen. Statt Säuren und kohlenstoffbasierten Reduktionsmitteln kommt Wasserstoffplasma zum Einsatz.
„Mit Hilfe von Wasserstoffplasma und indem wir die Thermodynamik innerhalb des Lichtbogenofens kontrollieren, gelingt es uns, die komplexe Kristallstruktur der Minerale in einfachere Ionenformen zu überführen – und das sogar ohne Katalysatoren“, erklärt Seniorautor Isnaldi Souza Filho vom MPI-SusMat.
Energiesparende Methode
Anders als bisher müssen dabei die Erze nicht mehrfach erhitzt und abgekühlt werden. Das spart bis zu 18 Prozent Energie. Der Ofen kann komplett mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Rechnet man die CO2-Emissionen ein, die beim Abbau der Nickelerze und deren Transport entstehen, so werden mit dem neuen Prozess um 84 Prozent weniger CO2-Emissionen freigesetzt als bei der konventionellen Produktion, wie das Team berichtet.
Das neue Herstellungsverfahren ist demnach vorteilhaft für Wirtschaft und Umwelt. Als nächstes wollen die Forschenden ihre Methode auf industrielle Maßstäbe skalieren. Dabei stehen sie aktuell noch vor einem Problem: „Die Reduktion der Erze erfolgt ausschließlich an der Reaktionsoberfläche – nicht im gesamten Schmelzbad. Für eine Umsetzung im industriellen Maßstab ist es daher entscheidend, dass die nicht-reduzierte Schmelze kontinuierlich zur Reaktionsoberfläche gelangt“, erklärt Manzoor.
Zeitnahe Anwendung möglich
„Dies lässt sich durch Lichtbögen mit hohen Strömen, elektromagnetischen Rührsystemen und Gasimpulsen realisieren.“ Diese Gerätschaften sind in der Industrie jedoch bereits vorhanden und etabliert. Der neue Prozess kann daher zeitnah in Produktionsanlagen integriert werden.
Das so hergestellte „grüne“ Ferronickel könnte künftig direkt zur Produktion von Edelstahl weiterverwendet oder – nach weiterer Aufbereitung – in Batterien und Hochleistungsmagnete verbaut werden. Auch die Magnesium-Silikat-Schlacke, die bei dem Prozess entsteht, kann weiterverwendet werden, etwa für Zement oder Ziegel in der Bauindustrie.
