COMPASS MAGAZINE #10
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SELTENE ERDEN China drosselt den Nachschub und versetzt Produzenten damit in Planungsnot und große Sorge

Früher war die Welt von den Vereinigten Staaten abhängig, wenn es um die Versorgung mit Seltenen Erden für moderne Technologien ging. Im Verlauf der letzten 15 Jahre hat sich diese Abhängigkeit auf China verlagert, sehr zur Sorge mancher Hersteller. Regierungen und Unternehmen sind nun bestrebt, durch die Erschließung anderer Bezugsquellen oder die Entdeckung alternativer Materialien die Seltenen Erden wieder freier verfügbar zu machen.

Die 17 Elemente umfassenden Metalle der Seltenen Erden (SE) sind für eine Vielzahl neuer Technologien unabdingbar. Dazu zählen Katalysatoren für Autos und Erdölraffinerien, Flachbildschirme, Akkus für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Windturbinen und Dauermagneten für viele medizinische Geräte.

Trotz ihres Namens sind Seltene Erden gar nicht so selten. Einige von ihnen, wie Neodym, Lanthan und Cer, kommen in der Erdkruste sogar in größeren Mengen als Blei oder Gold vor. Doch was sie so selten macht, sind die Schwierigkeiten bei ihrem Abbau und der Verarbeitung. Die Seltenen Erden kommen meist nur als Beimischungen in anderen geologischen Materialien vor, weshalb die Gewinnung einzelner Elemente sehr kostspielig ist und eine aufwendige Aufbereitung erfordert. Aufgrund dieser Faktoren wird ein Großteil der weltweiten Vorkommen von nur einer Nation kontrolliert: China.

Wegen der steigenden Nachfrage nach Seltenen Erden ist die Abhängigkeit der Hersteller von ihren Zulieferern sehr groß. Eine Studie vom Juni 2012 mit dem Titel „Rare Earth Elements: The Global Supply Chain“ vom For­s­ch­ungsdienst des Kongresses der USA (USCRS) unter Leitung des Spezialisten in Sachen Energiepolitik Marc Humphries besagt, dass die weltweite jährliche Nachfrage nach Seltenen Erden von 136.000 Tonnen im Jahr 2010 auf voraussichtlich 185.000 Tonnen bis zum Jahr 2015 ansteigen wird. Dies ist den immer größeren Anwendungs­bereichen geschuldet, zu denen auch die Erforschung von Möglichkeiten für mehr Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen zählt.

„Vor 25 bis 30 Jahren gab es fast keine Verwendung für Seltene Erden“ sagt Dr. Gareth Hatch, Gründer der For­schungs­einrichtung Technology Metals Research in Chicago, Illinois (USA). „Doch die Nachfrage hat durch die Entwicklung neuer Technologien, von denen viele dem Klimawandel und dem gestiegenen Umweltbewusstsein geschuldet sind, stark angezogen. Noch vor zwei Jahrzehnten“, so Hatch, „waren Europium und Terbium nahezu unbekannt – komische chemische Elemente ganz unten im Periodensystem, die man einfach ignorierte.“ Heute werden diese beiden für Fernsehbildschirme und energieeffiziente Leuchtmittel benötigt.

EINE HEISSE WARE

Vor 15 Jahren waren die USA das Haupt­förderland für Seltene Erden. Doch infolge des Preisdrucks aus China und der gravierenden Unterschiede in den Umweltgesetzen der beiden Länder zogen sich die Amerikaner aus dem Markt zurück.

„Bis in die späten 1980er Jahre war die Mountain Pass Mine in Kalifornien die größte Förderstätte für Seltene Erden in der Welt“, sagt Hatch. „Doch auch in China wurden Seltene Erden gefunden und man plante dort im Rahmen der nationalen Industriepolitik seit geraumer Zeit, diese Vorkommen zu erschließen und abzubauen.“ China konnte aus zwei Gründen günstiger fördern: Verfügbarkeit der Rohstoffe und Vernachlässigung des Umweltschutzes. Das größte Vor­kommen des Landes liegt in der Bayan-Obo-Mine in der Inneren Mongolei und wird als Nebenprodukt der dortigen Eisenerzförderung abgebaut. Damit hat China einen Kostenvorteil, weil es mehrere Rohstoffe in einem Vorgang gewinnen kann.

„Nicht verwunderlich – aber leider wahr – ist hingegen, dass in China auf Umwelt­­belange bei der Förderung dieser Elemente bis vor kurzem kaum geachtet wurde“, bedauert Hatch. „Man benötigte dort kein Geld für die Reduzierung der Schadstoffbelastung, für Filteranlagen oder die Überprüfung der Abfallprodukte. Damit hat man natürlich einen Preisvorteil.“

Die wissenschaftliche Abteilung der chinesischen Gesellschaft für Seltene Erden in Peking ist Mitglied einer staatlich geförderten Organisation, die der chinesischen Regierung Informationen zu den Grundlagen und der Technologie der SE-Gewinnung liefert. Der Abteilungs­leiter Dr. Chen Zhanheng ist der Auf­fassung, dass China lediglich die Früchte seiner Investitionen ernte.

„Die chinesische Regierung hat die Er­kundung, die Förderung, die Trennung und die Verhüttung der Seltenen Erden voran­getrieben“, so Chen. „Sie hat die Branche finanziell enorm gefördert, an­gefangen bei der Grundlagen­forschung bis hin zu den Einsatzmöglich­keiten der Seltenen Erden. Dank riesiger Vorkommen und geringer Betriebskosten waren die chinesischen Bergbauunternehmen weltweit wettbewerbsfähig.“ Chen betont, dass China nie eine Low-Cost-Strategie verfolgte. „Die geringeren Produktions­kosten erga­ben sich aus den niedrigen Löhnen und kaum erforderliche Investitionen in Umweltschutz­vorkehrungen“, sagt er. „Das war natürlich nicht nachhaltig, und Chinas Betriebskosten haben sich seit Inkrafttreten der neuen Emissions­richtlinie im Oktober 2011 auch deutlich erhöht.“

EINZIGER ANBIETER

Laut der Studie „Evaluating Rare Earth Element Availability: A Case with Revolutionary Demand from Clean Technologies“ vom April 2012, ver­öffent­licht in der Zeitschrift Environmental Science and Technology und verfasst vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), kontrolliert China derzeit 98% der SE-Produktion weltweit. Weiter heißt es darin, dass historisch gesehen selbst eine deutlich geringere Marktkonzentration schäd­lich für die produzierenden Betriebe weltweit war. „Das Problem sind nicht die knappen Ressourcen, sondern die kritische Lage, in der wir uns befinden“, sagt Dr. Frank Field, leitender wissen­schaftlicher Mitarbeiter und einer der Autoren der Studie. „Nur eine einzige Lieferquelle zu haben, ist ein Fehler. Die Seltenen Erden werden nicht zur Neige gehen, aber es ist klar, was da auf uns zukommt.“

Hatch ist derselben Meinung. „Als China im September 2010 den Export von Seltenen Erden nach Japan angeblich für einige Wochen unterbrach, bekamen diese Materialien plötzlich die Macht einer geopolitischen Waffe. Dann kam – ausgelöst durch Chinas Ankündigung von Exportquoten und -beschränkungen – der rapide Preisanstieg bei den zugrunde liegenden Rohmaterialien mit Stei­gerungen bis auf 3.000%.”

185.000 Tonnen

Die weltweite jährliche Nachfrage nach Seltenen Erden von 136.000 Tonnen im Jahr 2010 auf voraussichtlich 185.000 Tonnen bis zum Jahr 2015 ansteigen.

„Das erschreckte viele Endverbraucher und große Hersteller massiv. Doch auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Lieferunterbrechung – das heißt, keinen Zugriff auf das Material zu haben – gering ist, sind die Konsequenzen riesig.“ Don Bubar ist Präsident und CEO von Avalon Rare Metals, die eines der weltweit größten unerschlossenen Abbaugebiete von Seltenen Erden in den Nordwest-Territorien Kanadas besitzen. Bubar ist der Ansicht, dass die Bedenken der Industrie bezüglich Chinas Dominanz bei den Seltenen Erden verständlich sind.

„China hat die Eigentümerschaft und die Verarbeitung in seiner SE-Branche konsolidiert, die Anzahl der mitwirkenden Unternehmen reduziert und Mindestan­forderungen für die Produktion erlassen“, sagt Bubar. „Noch dazu hat es bereits vorher Ausfuhrabgaben erhoben, Um­satzsteuernachlässe auf Exporte abgeschafft, Exportquoten eingeführt und strengere Umweltstandards erlassen. China ist heute in einer besseren Position, Exporte zu beschränken und Preise kontrollieren zu können, als noch 2010. Die Verbraucher außerhalb Chinas sollten auf der Hut sein.“

Aber China ist nicht das einzige Land mit dem Status eines Alleinlieferanten für Rohmaterialien. Russland kontrolliert beispielsweise den größten Teil der Titanvorkommen weltweit. Dieses Monopol hat allerdings bisher noch nicht so viele Bedenken verursacht.

„China ist nicht in der lage, den weltweiten bedarf an seltenen erden zu decken. Es ist daher besser, wenn auch andere länder die förderung ihrer seltenen erden vorantreiben, damit mehrere bezugsquellen verfügbar sind.“

Dr. Chen Zhanheng Leiter Der Wissenschaftlichen Abteilung Der Chinesischen Gesellschaft Für Seltene Erden, Peking

„Einige sind besorgt – insbesondere politische Entscheidungsträger, einige Regierungen und diverse Industrielle mit tieferem Einblick“, sagt Hatch. „Wäre die Titanlieferkette von einem ähnlich hohen Preisanstieg wie die der Seltenen Erden heimgesucht worden, hätte das einen ähnlichen Alarmzustand ausgelöst. Doch solange man noch seinen Einkäufer anrufen und eine Bestellung aufgeben kann, die dann sechs Wochen später eintrifft, gibt es kein Problem.“

Chen argumentiert, dass Chinas Maß­nahmen verständlich und verantwor­t­ungsvoll waren. Indem das Land die Kontrolle über die Produktion übernehme, könne es den Umweltschutz besser prüfen, weil es die Verschmutzung reduzieren und die ökologischen Schäden eindämmen könne, sagte er.

Die chinesische Regierung ist auch hart gegen den illegalen Abbau vor­gegangen, was ebenfalls die Liefermengen beeinträchtigt hat. „Japan und andere entwickelte Länder waren mit Recht besorgt wegen Chinas Kontrolle über die Förderung der Seltenen Erden“, sagt Chen, „doch diese Länder waren es auch, die vom illegalen Abbau und Schmuggel der Seltenen Erden profitiert haben, was die Produktionskontrolle und Export­quoten größtenteils außer Kraft setzte.“

Tim Harper, Gründer der britischen Consultingfirma Cientifica, berät das Weltwirtschaftsforum zu neuen Techn­o- logien und war früher als Ingenieur bei der Europäischen Weltraumbehörde beschäftigt. Er macht darauf aufmerksam, dass das Versäumnis des Westens, für ausreichenden Nachschub bei Seltenen Erden zu sorgen, ebenso für die missliche Lage verantwortlich ist wie Chinas Maßnahmen.

„Durch die wirtschaftlichen und politisch- strategischen Aspekte haben wir keine ausgeglichenen Bedingungen“, so Harper. „Ginge es nur ums Wirtschaftliche, würde man einfach die Seltenen Erden von China kaufen. Doch im Westen haben die Politiker die Angewohnheit zu warten, bis etwas passiert, und versuchen dann, eine technische Lösung aus dem Ärmel zu schütteln. Das kann uns irgendwann auf die Füße fallen. Denn obwohl es Technologien gibt, die viele Probleme lösen können, braucht es Zeit, diese zu entwickeln.“

NEUE QUELLEN

Da Seltene Erden weltweit vorkommen, könnten Länder, die das chinesische Monopol fürchten, andere Bezugsquellen erschließen. Die USCRS-Studie belegt, dass Unternehmen wie Avalon Rare Metals und die Great Western Minerals Group in Kanada gemeinsam mit der amerikanischen Firma Molycorp langfristig den Nachschub von Seltenen Erden, einschließlich der Elemente Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Samarium, sichern könnten. Die Lynas Corporation begann 2013 mit dem Abbau der Lagerstätte Mount Weld in Australien. Obwohl es bis zu zehn Jahre dauern kann, dass neue Minen ihre volle Produktivität erreichen, heißt es in der Studie, dass auf lange Sicht die weltweiten Reserven und die noch unentdeckten Ressourcen den Bedarf decken können.

Molycorp und Lynas können mögliche Lieferengpässe bei leichten Seltenen Erden wie dem sehr gefragten Neodym lindern, aber bei den schweren wie Dysprosium führt an China kaum ein Weg vorbei. „Die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung bei der Entwicklung kompletter Lieferketten­lösungen muss weiter intensiviert wer­den“, sagt Bubar. „Politische Ent­schei­d­ungsträger müssen die Kooperation zwischen den Regierungen von produzierenden und konsumierenden Ländern fördern, damit koordinierte Strategien entwickelt werden können, mit denen die Industrie außerhalb Chinas eine komplette Lieferkette für Seltene Erden aufbauen kann.“

Die größte Herausforderung bleibt jedoch die Finanzierung. „Wir haben genug SE-Lagerstätten auf der Welt, die meist von kleinen bis mittleren Bergbauunternehmen betrieben werden“, so Bubar. „Es ist ein Geschäft mit hohem Risiko. Darum sind die großen Unter­nehmen eher an Kupfer und Eisen interessiert, deren Abbau unkomplizierter ist. Die kleinen Unternehmen müssen dann in den sauren Apfel beißen. Seltene Erden sind einzigartig und jede Lager­stätte hat eine eigene mineralische Struktur. Es ist nicht so wie bei Gold und Kupfer, die überall auf der Welt mit sehr ähnlichen Methoden abgebaut werden. Man muss jedes Mal einen maßgeschneiderten Prozess entwickeln, um die Mineralien zu lösen, und das kann einige Jahre dauern. Bis zur Ver­marktung können für eine Mine, die eventuell 5.000 Tonnen schwere Seltenen Erden pro Jahr produziert, Investitionen von 1 Milliarde US-Dollar nötig sein – das ist kein Pappenstiel.“

Teuer oder nicht, laut Chen kann China die globale Nachfrage nach Seltenen Erden nicht auf alle Zeiten befriedigen. „China ist nicht in der Lage, den welt­weiten Bedarf an Seltenen Erden zu decken“, meint er. „Es ist daher besser, wenn auch andere Länder die Förderung ihrer Seltenen Erden vorantreiben, damit mehrere Bezugsquellen verfügbar sind, mögliche Bedenken wegen Liefereng­pässen ausgeräumt werden und eine stabile Versorgung der Weltwirtschaft gesichert ist.“

DIE SUCHE NACH ERSATZ

Während die Bergbauunternehmen bemüht sind, neue Minen zu eröffnen, haben die Preisschwankungen und Lieferschwierigkeiten einige Verbraucher nach Ersatzlösungen suchen lassen. Die Ford Motor Company hat beispiels­weise die Dysprosiummengen in den neuen Hybridmodellen des Fusion und des C-Max halbiert, indem Lithium-Ionen-Akkus eingeführt wurden und somit kein Neodym mehr benötigt wurde, wie in den früheren Nickel-Metallhydrid-Akkus.

Doch die Erfolge von Ford haben sich noch nicht auf andere Branchen und Anwendungen ausgebreitet. „Große Fortschritte werden aus den Werkstoff­wissenschaften vermeldet. Darunter sind Technologien, die SE-Magnete ersetzen könnten“, erzählt Bubar. „Doch viele dieser Fortschritte stecken noch in der Labor- oder Testphase und sind noch nicht produktionsreif.“

Weltweit wird in zahlreichen Pro­grammen und Arbeitsgruppen weiter nach Ersatzstoffen und Recycling­methoden geforscht. In den USA wird beispielsweise im Critical Materials Institute im Rahmen einer multidiszipli­n­ären Studie unter Leitung von Ames Labs an der Verarbeitung, Produktion, Substitution, effizienten Nutzung und Wiederverwertung nach der Nutzungs­dauer geforscht. Das kanadische SE-Forschungsnetzwerk versucht in der Zwischenzeit, Doppelarbeit im Forschungsbereich zu minimieren und mehr Innovationen bei der SE-Rück­gewinnung zu ermöglichen. Diese internationale Gruppe wurde erstmals 2011 vom koreanischen Institute of Industrial Technology einberufen und hat sich zum Ziel gesetzt, die Zusammen­arbeit zwischen den großen For­schungs­gruppen in aller Welt zu fördern.

Obwohl die fieberhafte Suche nach Ersatzlösungen verständlich ist, mahnt Hatch zur Vorsicht. „Wenn man ein Produkt so abändert, dass es ohne Dauermagneten auskommt und die Preise für Seltene Erden wieder sinken oder wir neue Quellen für Neodym und Dysprosium finden, ist man im Nachteil, weil man sie nicht mehr gebrauchen kann.“ Doch Harper sagt auch, dass die technologischen Fortschritte die Suche nach Ersatz­materialien schneller und kosten­günstiger werden lassen als bisher angenommen. „Die Computersimulation hat in der Chemie die Reagenzgläser ersetzt“, so Harper. „Nun können wir viele der Tests virtuell durchführen und ermitteln, wie sich die Stoffe verhalten, bevor wir sie herstellen. Man muss nur die vielversprech­endsten Materialien synthetisieren. Damit wird die Entwicklung neuer Materialien viel produktiver.“  ◆

von Cherie Rowlands Zurück zum Seitenbeginn