Kupfer für Energiewende – ohne Umweltschmutz

Kupfer für Energiewende – ohne Umweltschmutz

In einem Labor in Newark (US-Bundesstaat: New Jersey) wirbelt eine graue Flüssigkeit in einem Reaktor von der Größe einer Wassermelone umher. Hier verwenden Wissenschaftler des Bergbautechnologie-Start-ups Still Bright das seltene Metall Vanadium, um Kupfer aus Erzen zu gewinnen, deren Verarbeitung für die Bergbauindustrie heute zu schwierig oder zu kostspielig ist.

Wenn die Ergebnisse, die Still Bright heute noch in Bechern abfüllt, im größeren Maßstab reproduziert werden können, könnten Kupferressourcen für die Energiewende erschlossen werden.

Das Unternehmen ist nicht das einzige, das die Kupferproduktion revolutionieren will. Eine Handvoll Start-ups mit ähnlichen Zielen haben Partnerschaften mit großen Bergbauunternehmen angekündigt und Investitionen in zweistelliger Millionenhöhe eingesammelt. Sie behaupten, dass ihre Technologie dazu beitragen könne, den steigenden Bedarf der Menschheit an diesem Metall zu decken und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck der Branche zu verringern.

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Welt giert nach Kupfer – Reserven fast aufgezehrt

„Wir stehen vor einer beispiellosen Nachfrage nach Kupfer, und das hängt wirklich mit der Elektrifizierung von allem zusammen“, sagte Carter Schmitt, Stabschef von Still Bright, gegenüber Grist-Magazine.

Die Welt kann ihre Klimaziele nicht ohne Kupfer erreichen, das eine zentrale Rolle in den Technologien spielt, die zur Dekarbonisierung benötigt werden. Kupferkabel bilden das Herzstück der weltweiten Stromnetze, die enorm ausgebaut werden müssen, um mehr erneuerbare Energien ans Netz zu bringen. Auch Windturbinen, Solarmodule, Elektrofahrzeuge und Lithium-Ionen-Batterien sind auf das Mineral angewiesen. Da der Markt für diese Technologien wächst, wird sich die Nachfrage des Sektors für saubere Energie nach dem 29. Element bis 2040 voraussichtlich fast verdreifachen.

Gleichzeitig erschöpfen die Kupferbergleute ihre hochwertigsten Reserven. Kupfer, das sich wirtschaftlich abbauen lässt, befindet sich in Gesteinen, die als Erze bekannt sind, und die Qualitäten der Erze, die Bergleute abbauen – die Konzentration des darin enthaltenen Kupfers – sind in den letzten 20 Jahren stetig zurückgegangen. Inzwischen weichen leicht zu verarbeitende Mineralien in Oberflächennähe anspruchsvolleren Mineralien in tieferen Schichten. Und das derzeitige Standardverfahren zur Gewinnung des Metalls aus den meisten Erzen führt zu einer starken Umweltverschmutzung.

Etwa 80 Prozent des heute abgebauten Kupfers stammt aus unverwittertem Gestein, das als primäre Kupfersulfiderze bekannt ist. Nachdem es zerkleinert und zu feinem Pulver gemahlen wurde, wird das Kupfer in primären Sulfiderzen mithilfe von Chemikalien konzentriert, bevor es in eine Schmelze geleitet wird, wo es bei hohen Temperaturen raffiniert wird.

Kupfergewinnung verursacht Umweltprobleme

Beim Konzentrieren und Schmelzen von Kupfer entstehen eine giftige Mineralaufschlämmung, die als Abraum bezeichnet wird, und ein Cocktail aus Luftschadstoffen, darunter Blei und Arsen. In den Vereinigten Staaten hat ein einziger Stamm der amerikanischen Ureinwohner – das Volk der San Carlos Apache – die Hauptlast dieser Umweltverschmutzung getragen. Zwei der drei Kupferhütten Amerikas befinden sich nur wenige Kilometer von den Reservatsgrenzen des Stammes im Südosten Arizonas entfernt. Beide gehören zu den schlimmsten Bleiemittern des Landes und spucken seit fast einem Jahrhundert giftige Metalle in die Luft. (Eine dieser Hütten wurde vor vier Jahren nach einem Streik stillgelegt, soll aber Berichten zufolge den Betrieb wieder aufnehmen, um die steigende Kupfernachfrage zu decken.)

„Diese Stoffe verschwinden nicht“, sagte Jim Pew, Leiter der Abteilung für saubere Luft bei der Umweltrechtskanzlei Earthjustice, gegenüber Grist. ‚Sie fallen auf die Erde zurück und kontaminieren die umliegenden Gemeinden dauerhaft.‘ (Der San Carlos Apache Tribe antwortete nicht auf die Bitte von Grist um einen Kommentar.)

Neben Luftschadstoffen sind Kupferschmelzen energieintensiv und benötigen in der Regel fossile Brennstoffe, was die Kosten und die CO₂-Emissionen in die Höhe treibt. Wenn das Erz zu minderwertig ist (d. h. die Kupferkonzentration zu niedrig ist), können Unternehmen einfach nicht genug herausholen, um die Kosten für die Gewinnung zu decken.

Aber weltweit enthalten minderwertige primäre Sulfiderze enorme Mengen an Kupfer. In einem Bericht von Goldman Sachs vom März wurde geschätzt, dass die fünf größten Kupferminenunternehmen der Welt auf „Milliarden Tonnen“ solcher Erze sitzen – eine Menge, die den erwarteten Kupfermangel von 5 bis 6 Millionen Tonnen in den nächsten zehn Jahren mickrig erscheinen lässt.

„Es ist nicht so, dass es auf der Welt kein Kupfer mehr gibt“, sagte Cristobal Undurraga, CEO des in Santiago, Chile, ansässigen Start-ups Ceibo, gegenüber Grist. “Es liegt jedoch in einer Form vor, die mit herkömmlichen Verfahren schwieriger zu gewinnen ist.“

Neue Ressourcenlager

Das 2021 gegründete Unternehmen Ceibo ist eines von mehreren Start-ups im Bereich Bergbautechnologie, das einen neuen, alten Ansatz vorschlägt, um Kupfer aus minderwertigen Sulfiderzen zu gewinnen: ein Verfahren, das als Haufenlaugung bekannt ist. Die Haufenlaugung wird bereits zur Verarbeitung der verwitterten Gesteine verwendet, die sich im oberen Bereich der meisten Lagerstätten befinden und etwa 20 Prozent des heute abgebauten Kupfers ausmachen. Bergleute verarbeiten diese Gesteine vor Ort, indem sie das Gestein zerkleinern, zu einer Halde aufschütten und mit Säure besprühen, die durch das Gestein sickert und das wertvolle Metall freisetzt. Das Verfahren verursacht deutlich weniger Umweltverschmutzung und CO₂-Emissionen als die traditionelle Kupferschmelze – aber bis vor kurzem wusste niemand, wie man es für primäre Sulfiderze effizient einsetzen kann.

Ceibo behauptet, dass es in der Lage ist, große Mengen an Kupfer mit einem chemischen Extraktionsverfahren zurückzugewinnen, bei dem kritische Bedingungen im zerkleinerten Erz, wie der pH-Wert und die Sauerstoffkonzentration, verändert werden, wodurch die Säure leichter wirken kann. Laut Ceibo ist das Verfahren flexibel und kann an die unterschiedlichsten geologischen und ökologischen Bedingungen angepasst werden, denen ein Unternehmen in verschiedenen Teilen der Welt – oder sogar in verschiedenen Teilen derselben unterirdischen Grube – begegnen könnte. „Wir entwickeln eine ganze geologische Plattform“, die an diese sich ändernden Bedingungen angepasst werden kann, sagte die leitende Technologiebeauftragte Catalina Urrejola gegenüber Grist.

Ceibo hat nicht viele Details seines Verfahrens preisgegeben, das hauptsächlich im Labormaßstab getestet wurde. Das Unternehmen hat jedoch bereits 36 Millionen US-Dollar an Risikokapital für die Expansion erhalten, darunter Mittel von wichtigen Akteuren der Branche wie BHP Ventures, dem Investmentarm eines der weltweit größten Kupferproduzenten. Im November begann Ceibo seine ersten Pilotversuche mit der Lomas Bayas Mining Company von Glencore in der chilenischen Atacama-Wüste.

Ein weiteres Bergbau-Start-up-Unternehmen, Jetti Resources, verarbeitet bereits primäre Sulfiderze kommerziell mittels Haufenlaugung. Das in Colorado ansässige Unternehmen hat einen proprietären Katalysator entwickelt, der die Oberfläche der zerkleinerten Mineralien verändert und so das Eindringen von Säure zur Kupfergewinnung unterstützt. Im Jahr 2019 begann Jetti mit dem kommerziellen Einsatz seiner Technologie in der Pinto Valley-Mine von Capstone Copper in Arizona. An Laugungsstandorten, an denen der Katalysator des Unternehmens eingesetzt wird, hat sich laut Jetti die Produktion verdoppelt.

Neue Verfahren machen Kupfergewinnung wirtschaftlich

„Wir glauben, dass unser Katalysator die einzige kommerziell verfügbare Technologie zur wirtschaftlichen Kupfergewinnung aus Chalkopyrit ist“, einem primären Sulfidmineral, das etwa 70 Prozent der unerschlossenen Kupferreserven ausmacht, wie Chief Technology Officer Nelson Mora in einer E-Mail an Grist mitteilte.

Holly Bridgwater, Direktorin des australischen Bergbau-Innovationsunternehmens Unearthed Solutions, hält die Angebote von Technologie-Startups wie Ceibo und Jetti für vielversprechend – trotz fehlender öffentlicher Testergebnisse.

„Sonst würden all diese Bergbauunternehmen nicht mit ihnen zusammenarbeiten“, sagte sie. “Sie hätten die Versuche viel früher abgebrochen, wenn sie keinen Wert hätten.“

Dennoch hat die Haufenlaugung wirtschaftliche und technologische Grenzen. Es kann Wochen bis Monate dauern, bis die Chemikalien ihren Weg durch einen Gesteinshaufen gefunden haben, um das Kupfer zu extrahieren, das in der Regel weniger als 1 Prozent des vorhandenen Materials ausmacht. Und kein Unternehmen behauptet, dass es alles extrahieren kann. Jetti teilte Grist mit, dass sein Verfahren 40 bis 70 Prozent des Kupfers aus Chalkopyrit zurückgewinnen kann, verglichen mit 15 bis 30 Prozent bei „herkömmlichen Laugungsverfahren“. Undurrago sagte, dass Ceibos Technologie 70 bis 80 Prozent des Kupfers aus primären Sulfiderzen in einem „angemessenen Zeitrahmen“ zurückgewinnen kann.

Im Gegensatz dazu behauptet Still Bright, dass es bis zu 99 Prozent des Kupfers aus primären Sulfiderzen in wenigen Minuten extrahieren kann.

Die Technologie von Still Bright, die als „elektrochemische reduktive Laugung“ bezeichnet wird, beginnt mit einem Kupferkonzentrat, das dem ähnelt, mit dem Schmelzhütten arbeiten. Anstatt das Metall zu schmelzen, kombiniert Still Bright es mit einer Lösung aus flüssigem Vanadium. Das Vanadium reagiert mit dem Kupfer und befreit es von den Sulfidmineralien, bevor es in einem Elektrolyseur recycelt wird, der von Vanadium-Durchflussbatterien inspiriert ist. Wie bei der Haufenlaugung kann dieser Prozess vor Ort in einer Mine in einem der „Rührkesselreaktoren“ von Still Bright und nicht in einer separaten Schmelzanlage stattfinden.

Emissionen vermeiden

Der entscheidende Vorteil der Technologie von Still Bright, so Schmitt, besteht darin, dass Vanadium und Kupfer unglaublich stark miteinander reagieren. „Man kann Kupfer bei Umgebungstemperatur und -druck sehr einfach und schnell extrahieren“, so Schmitt.

Zunächst plant Still Bright, seine Technologie als Möglichkeit zur Gewinnung von Kupfer aus besonders schwierigen Erzen, die heute nicht verhüttet werden können, sowie aus Minenabfällen zu vermarkten. Langfristig hofft das Unternehmen, auch für hochwertige Kupfersulfiderze eine nachhaltigere Alternative zur Verhüttung anbieten zu können. Während bei dem Verfahren von Still Bright einige Rückstände anfallen, werden die mit der Verhüttung verbundenen giftigen Luftschadstoffe und möglicherweise auch die Kohlenstoffemissionen vermieden. Da die Ausrüstung von Still Bright vollelektrisch ist, kann sie mit erneuerbarer Energie betrieben werden, sagt Schmitt.

Still Bright hat sein Verfahren im Labormaßstab validiert und arbeitet an der Einrichtung seines ersten internen Pilotprojekts, das voraussichtlich bis 2026 abgeschlossen sein wird.

Pew, der Anwalt von Earthjustice, lehnte es ab, sich zur Eignung dieser neuen Technologien als Ersatz für das Kupferschmelzen zu äußern. Es sei jedoch „sehr wichtig“, alternative Wege zur Kupferveredelung zu finden, um sicherzustellen, dass gefährdete Gemeinschaften nicht die Zeche zahlen müssen.

„Wir werden noch lange Zeit Kupfer verwenden“, sagte Pew. “Wir sollten darüber nachdenken, wie wir dieses Kupfer ohne diese alten Technologien, die so viel verschmutzen, gewinnen können.“

Während Schmitt und andere hoffen, dass sie sauberere Raffineriemethoden auf den Markt bringen können, hat der Kupferabbau zusätzliche Auswirkungen, die durch verbesserte Verarbeitungstechniken nicht behoben werden können. Unabhängig von der verwendeten Abbautechnologie können Kupferminen Lebensräume zerstören, Staub und Wasserverschmutzung verursachen, die Süßwasservorräte erschöpfen und den Zugang indigener Völker zu kulturellen Praktiken und heiligen Stätten beeinträchtigen. Die Branche sieht sich aufgrund dieser Auswirkungen mit erheblichen Gegenreaktionen konfrontiert, da Aktivisten und Aufsichtsbehörden in den letzten Jahren Großprojekte hinauszögern und stilllegen.

Rohstoffgewinnung als Klimalösung

In Panama veranlasste die Regierung kürzlich die Schließung einer großen Kupfermine, nachdem es zu Massenprotesten gegen die Bedrohung der Wasserversorgung durch das Projekt gekommen war und ein Gericht das Projekt für verfassungswidrig erklärt hatte. In Arizona kämpft eine indigene Gruppe darum, Rio Tinto und BHP daran zu hindern, ein riesiges Kupfervorkommen abzubauen, das sich unter als heilig geltenden Gebieten befindet.

Thea Riofrancos, Politikwissenschaftlerin am Providence College, die sich mit Rohstoffgewinnung und Klimawandel befasst, sagt, es sei „bemerkenswert“, dass viele der Bergbaugiganten, die Geld in neue Kupferverarbeitungsverfahren stecken – eine Liste, auf der auch Rio Tinto und BHP stehen – auch wegen der schädlichen Auswirkungen des Bergbaus kritisiert werden. Unabhängig davon, ob diese Unternehmen umfassendere Umweltreformen planen oder nicht, lenkt ihre Investition in Start-ups für saubere Technologien die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass die Bergbauindustrie, zusammen mit vielen Klimainvestoren, beginnt, die Rohstoffgewinnung als Klimalösung zu brandmarken, so Riofrancos.

„Dies ist ein neuer Schwerpunkt in der Welt des Risikokapitals – die Unterstützung von Start-ups in der kritischen Mineralienbranche in der Anfangsphase“, so Schmitt. “In allen Phasen: beim Abbau, Zerkleinern, Mahlen und bis hin zur Raffination … wird alles benötigt.“

grist

Der Text ist eine Übersetzung aus Grist-Magazine. Das Original finden sie hier.