Materialien

Metalle

Metalle sind durch ihre typischen Eigenschaften schon lange fester Bestandteil des Produktdesigns und der industriellen Massenproduktion. Doch die Wahl des richtigen Metalls für das eigene Produkt sollte nicht nur aufgrund von Materialeigenschaften getroffen werden, sondern auch die Umweltwirkungen des Metalls während seines gesamten Lebenskyklus berücksichtigen.

8 min 23.11.2022

Metalle sind heute praktisch allgegenwärtig. Von klassischen Massenmetallen wie Eisen bzw. Stahl, Aluminium und Kupfer bis zu sogenannten Technologiemetallen wie Indium, Gallium, Germanium oder Metalle der Seltenen Erden finden sich Metalle in fast allen Produkten. Die globale Metallproduktion hat sich in den letzten 100 Jahren um fast das 20-fache gesteigert, während gleichzeitig die Anzahl technologisch relevanter Metalle aus dem Periodensystem deutlich gewachsen ist.

Rund ⅔ aller in der Natur vorkommenden chemischen Elemente sind Metalle. Sie werden unterteilt in Eisenmetalle und Nichteisenmetalle.

Eisenmetalle umfassen Eisen und Legierungen mit einem Eisenanteil über 50 %.

Nichteisenmetalle lassen sich weiter unterscheiden in Leicht- und Schwermetalle, sowie in Edelmetalle (Gold, Silber, Platingruppenmetalle) und Buntmetalle (alle anderen Nichteisenmetalle wie Kupfer, Aluminium, Zink, Nickel, Kobalt usw.).

Etwas neuer ist die Einteilung in Massenmetalle und Technologiemetalle. Zu den Massenmetallen zählen Eisen und Stahl, Kupfer, Aluminium, Blei und Zink, die in vergleichsweise großen Mengen gefördert und angewendet werden. Unter Technologiemetallen werden typischer Weise Metalle verstanden, die in relativ geringer Menge in Produkten eingesetzt werden und in den Produkten besondere Funktionen übernehmen. Hierzu zählen beispielsweise Metalle für die Halbleiterherstellung wie Indium, Gallium und Germanium oder Metalle mit besonderen magnetischen Eigenschaften wie Neodym, Terbium und Dysprosium.

Anwendungsbereiche

Die häufige Anwendung von Metallen liegt in ihren Eigenschaften begründet und hat sich stetig weiterentwickelt. Bereits seit Jahrhunderten werden Eigenschaften wie Glanz, Härte, Zähigkeit und plastische Verformbarkeit geschätzt. Im Laufe der Zeit entdeckte man Eigenschaften wie thermische und elektrische Leitfähigkeit, magnetisches Verhalten, katalytisches Verhalten oder Halbleitereigenschaften.

Lange Zeit wurden Metalle in erster Linie als formgebende Werkstoffe in elementarer Form oder in einfachen Legierungen angewendet, bspw. in Werkzeugen oder Münzen oder später im Fahrzeugbau. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung stiegen die Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe bezüglich Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Verarbeitbarkeit. Metalle wurden zunehmend miteinander kombiniert und bisher nicht eingesetzte Metalle fanden Anwendung. Heute wird Stahl bspw. fast immer mit Elementen wie Vanadium, Chrom, Mangan, Nickel, Niob oder Molybdän legiert. Aluminium wird häufig mit Kupfer, Mangan, Silicium, Magnesium oder Zink legiert und Kupfer mit Zink, Zinn, Aluminium, Strontium, Eisen oder Blei. Durch zusätzliches Beschichten (galvanisieren) von Metallen oder Kunststoffen mit Kupfer, Nickel, Chrom oder Zink können weitere technische und optische Eigenschaften erzeugt werden. 

In vielen Anwendungsbereichen wurden durch die neuen Materialkombinationen die Materialeigenschaften enorm verbessert. Festere, zähere und härtere Legierungen ermöglichen längere Produktlebensdauer in einer Vielzahl von Anwendungen. Besonders leichte Legierungen ermöglichen moderne Leichtbauanwendungen in der Fahrzeugtechnik. Im Bereich der Permanentmagnete wurden erst durch die Anwendung von Samarium-Kobalt-Magneten und später von Neodym-Eisen-Bor Magneten die magnetischen Eigenschaften von Metall soweit verbessert, dass kompaktere Bauformen, wie von Elektromotoren, und höhere Leistungen, wie von Windkraftanlagen, möglich sind. Im Bereich der Elektronik wurden durch neue Materialkombinationen kompaktere, leistungsfähigere Produkte ermöglicht, im Bereich der Photovoltaik erlauben moderne Halbleitermaterialien, wie Cadmium-Tellurid, Indium-Gallium-Di-Selenid und Germaniumarsenid, leichtere und flexibel einsetzbare Module mit hohen Leistungen für verschiedenste Anwendungen. In vielen heutigen Produkten sind mehrere verschiedene Legierungen und Materialverbindungen verbaut, wodurch diverse Anforderungen realisiert werden können. 

Umweltwirkung

Wenn Designer:innen für ihre Produkte Metalle verwenden, müssen sie sich darüber im Klaren sein, dass sie, mit der Nutzung des Materials, Einfluss auf die Umwelt nehmen. Dieser Einfluss kann jedoch durch gestalterische Entscheidungen, wie die Reduzierung des Materialeinsatzes, durch die Verwendung alternativer Metalle oder durch Verzicht auf Verwendung hochlegierter Metallwerkstoffe, reduziert werden.

Um dieser Verantwortung jedoch gerecht zu werden, braucht es genaue Kenntnisse über das Material und alle damit verbundenen Prozesse. Welche Eigenschaften hat das Metall und wie wird es verwendet? Wie wird es recycelt und welche Umweltwirkungen entstehen daraus.

Zu diesen Fragen bietet das Umweltbundesamt eine Übersicht über die Eigenschaften, Umweltwirkungen und Recyclingfähigkeit der 10 am häufigsten verwendeten Metalle von Aluminium bis Zinn.

In zahlreichen Anwendungen besteht ein direktes oder indirektes Potenzial Umweltwirkungen zu reduzieren. Produkte wie Windenergieanlagen, Photovoltaikzellen und Elektroautos sind elementare Bestandteile von Entwicklungsstrategien hin zu einer Low-Carbon-Society. Indirekte Potentiale ergeben sich bspw. durch:

  • Reduzierung von Gewicht dadurch geringere Emissionen im Transport
  • längere Produkthaltbarkeit dadurch reduzierter Ressourcenverbrauch
  • höhere Effizienz dadurch niedrigerer Energieverbrauch

Gleichzeitig ist der Entwicklungstrend von einfachen Metallen hin zu hochfunktionalen Legierungen mit verschiedenen Problematiken verbunden:

  • Mit der zunehmenden Anwendung einer Vielzahl von Metallen wächst das Risiko von Versorgungsengpässen.
  • Häufig werden verschiedene Metalle in geringen Mengen und verschiedensten Kombinationen in einem Produkt eingesetzt, dadurch lassen sich die einzelen Metalle nur schwer separieren und das erschwert das Recycling.
  • Die steigende Nachfrage und die entsprechende Produktion der nachgefragten Metalle führt zu signifikanten Umweltwirkungen.

Kritikalitätsbewertung von Metallen

Die wachsende Verwendung einer Vielzahl verschiedener Metalle führt zu einer zunehmenden Abhängigkeit der Rohstoffversorgung. Umgekehrt können Versorgungsengpässe signifikante Auswirkungen auf einzelne Unternehmen und ganze Wirtschaftszweige haben. Zur Bewertung dieser beiden Dimensionen: des Risikos eines Versorgungsengpasses und der potentiellen Auswirkungen eines solchen Engpasses, hat sich die Methode der Kritikalitätsbewertung etabliert.

Metalle, bei denen ein großes Risiko besteht, dass es zu einem Versorgungsengpass kommen kann und deren Mangel starke Auswirkungen auf die Wirtschaft haben könnte, werden als kritische Metalle bezeichnet. Die beiden Dimensionen werden jeweils mit verschiedenen Kriterien bewertet. Potentiellen Auswirkungen werden anhand von Kriterien, wie dem Anteil am Weltverbrauch, der Sensitivität der Wertschöpfungskette und den globalen Nachfrageimpulsen durch Zukunftstechnologien bewertet. Zur Bewertung des Versorgungsrisikos finden sich Kriterien, wie die Länderkonzentration der globalen Reserven, die Unternehmenskonzentration der Produktion und die Recyclingfähigkeit des Materials. 

Das Umweltbundesamt hat in einer Studie 2017 eine Bewertung kritischer Rohstoffe durchgeführt.

Primärproduktion

Industrieanlagen zur Herstellung und Verarbeitung von Metallen sind bedeutende Verursacher von umweltbelastenden Emissionen mit negativen Umweltauswirkungen entlang der Wertschöpfungskette. Zur Metallindustrie werden die Bereiche Eisen- und Stahlerzeugung, die Gewinnung von Nichteisenrohmetallen, die Gießerei-Industrie sowie die metallverarbeitende Industrie gezählt.

Die deutsche Metallindustrie nimmt innerhalb der Europäischen Union eine bedeutende Rolle ein, da Deutschland hinsichtlich der Produktion von Stahl und Nichteisenmetallen führend ist.

Die Produktion von Primärmetallen gliedert sich typischer Weise in folgende Produktionsschritte:

  • Erzabbau
  • Aufkonzentrierung/Anreicherung
  • Raffination
  • Verhüttung

Entsprechend dem Beispiel von Aluminium setzten sich auch bei anderen Metallen die Umweltwirkungen der Primärgewinnung aus den Energie- und Materialverbräuchen sowie den anfallenden Abfällen in den einzelnen Schritten der Prozesskette zusammen. Die Umweltwirkungen, die mit der Produktion (Abbau, Verhüttung, Raffination) von Metallen einhergehen, tragen signifikant zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Dies ist u.a. in einem hohen Energieverbrauch der Metallproduktion begründet, so war bspw. die Eisen- und Stahlindustrie in 2009 der zweitgrößte industrielle Verbraucher von Energie (IEA 2012).

Treibhausgaspotential von Metallen

Das Treibhauspotenzial (englisch Global Warming Potential - GWP) beschreibt den möglichen Beitrag eines Stoffes am Treibhauseffekt und damit zum Klimawandel. Für die Umweltwirkung eines Produkts ist das Treibhauspotenzial ein relevanter Indikatoren.

Die Treibhausgaspotentiale verschiedener Metalle lassen sich im Periodensystem der Elemente bezogen auf ein Kilogramm Metall darstellen. Hier zeigen die Edelmetalle (Platingruppenmetalle und Gold) das höchste Treibhauspotential, während sich Eisen, Mangan und Titan eher am unteren Ende finden.

Recycling

Theoretisch lassen sich Metalle aufgrund ihrer typischen Eigenschaften beliebig oft recyceln. In der Praxis sind die Recyclingraten jedoch weit entfernt von einer vollständigen Kreislaufführung.

Die Sekundärproduktion von Metallen aus dem Recycling von Schrotten und entsorgten Produkten ist meist mit geringeren Umweltwirkungen verbunden als die Primärproduktion.

So ist es durchaus von Relevanz, ob Designer:innen für ihr Produkt Metall aus Primärproduktion wählt oder auf die Verwendung von Sekundärmaterialien mit deutlich reduzierten Umweltwirkungen zurückgreift. Aber nicht nur die Materialwahl ist wichtig. Auch in Hinblick auf eine spätere Entsorgung des Produkts sind Materialkombinationen die beste Wahl, die später auch einem möglichst hochwertigen Recycling zugeführt werden können und somit am Produktlebensende dazu beitragen, Primärmetalle durch Sekundärmetalle zu substituieren.

Die Umweltwirkungen im Recycling setzen sich aus den Schritten der Sammlung, Sortierung, Aufbereitung und stofflichen Rückgewinnung zusammen. Die Umweltvorteile, die durch das Recycling entstehen, sind von Metall zu Metall unterschiedlich. Die Sekundärproduktion von Kupfer benötigt beispielsweise etwa 40 % weniger Energie als die Primärproduktion. Bei Aluminium und den Platingruppenmetallen fallen die Unterschiede noch deutlicher aus. Hier benötigt die Sekundärproduktion nur etwa 5 % der Energie der Primärproduktion. Entsprechende Vorteile zeigen sich bei den Treibhausgasemissionen und anderen Wirkungskategorien. 

Eine zentrale Voraussetzung für das Recycling ist die funktionierende Sammlung der Produkte am Produktlebensende. Doch auch wenn die Produkte im vorgesehenen Abfallstrom landen, kommt es in vielen Fällen nicht zu einer Rückgewinnung der enthaltenen Metalle. Hierfür gibt es verschiedene mögliche Ursachen:

  • Das Metall ist in einer Weise verbaut bzw. ins Produkt eingebracht, die eine Separierung des Materials zur anschließenden spezifischen Behandlung erschwert oder unmöglich macht.
  • Das Metall ist in einer so geringen Menge im Produkt bzw. im Abfallstrom enthalten, dass kein ökonomischer Anreiz für eine Rückgewinnung besteht (Aufwand vs. Nutzen der Rückgewinnung).
  • Es stehen dem Recyclingunternehmen keine Informationen bzw. Erkenntnisse darüber zur Verfügung, welche Metalle im entsorgten Produkt enthalten sind. 
  • Die üblichen Recyclingverfahren zielen auf die Rückgewinnung eines anderen Metalls ab (häufig Massen- und/oder Edelmetalle), was einer Rückgewinnung des betrachteten Metalls entgegensteht. Daher steht kein (ökonomisch rentabel durchführbares) Recyclingverfahren für das betrachtete Metall zur Verfügung. 
  • Das Metall dissipiert bereits in der Produktnutzung und steht für ein Recycling nicht zur Verfügung, wie z.B. bei Katalysatormaterialien.

Das Recyclingpotential strategischer Metalle ist in einer Studie des Umweltbundesamtes nachzulesen.

Die Metalle, die nicht zurückgewonnen werden, landen je nach Prozessroute und Eigenschaften in Schlacke, Stäuben oder als Verunreinigung im recycelten Metall. Im recycelten Metall können diese Verunreinigungen einen negativen Einfluss auf die Eigenschaften haben, so reduziert bspw. Kupfer als Verunreinigung im Stahl dessen Bearbeitbarkeit deutlich, reduziert die Festigkeit und dessen Schweißeignung.

Zimmermann, Till (2015): Cycles of Critical Metals: Dissipative Losses and Potential Optimizations: Bremen, Universität Bremen, Diss., 2015.

Nuss, Philip; Eckelman, Matthew J. (2014): Life cycle assessment of metals: a scientific synthesis. In: PLoS ONE 9 (7), S. e101298. DOI: 10.1371/journal.pone.0101298.

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