Die Transformation zu einer klimafreundlicheren und umweltverträglicheren Energieerzeugung schreitet voran. Der Zubau an nachhaltigen Energiequellen bedeutet jedoch einen steigenden Bedarf an verschiedensten Metallen – von Stahl und Kupfer über Lithium bis zu Seltenen Erden wie Yttrium.

Das Ziel der deutschen Energiewende liegt bei einem Strommix, der bis 2030 zu mindestens 80 Prozent von erneuerbaren Energien gedeckt wird. Nach Angaben der Bundesnetzagentur konnte dieser Anteil am erzeugten Strom im Jahr 2023 auf 56 Prozent gesteigert werden.

Um die Zielsetzung für 2030 zu erreichen, wurden die zuletzt sogar übertroffenen Zubau-Ziele teilweise weiter erhöht. Für Solarenergie etwa ist ab 2026 eine Zubau-Rate geplant, die dreimal so hoch liegen soll wie die bisherigen Leistungen. Bei der Installation von Windenergie an Land ist in den kommenden Jahren der Bau von Windkraftanlagen mit einer Leistung von 10 GW pro Jahr angedacht.

Neben Photovoltaik, solarthermischen Kraftwerken und Windkraftanlagen (an Land und Off-Shore) werden noch weitere erneuerbare Energietechnologien ausgebaut:

• Wasserkraftanlagen,
• geothermische Kraftwerke,
• Lithium-Ionen-Batterien,
• Redox-Flow-Speicher und
• Biofuels

sollen ihren Beitrag zur Dekarbonisierung des Energiesektors inklusive der Verteilung und Speicherung des Stroms leisten.

Mit dem Ausbau geht ein wachsender Bedarf an mineralischen Rohstoffen einher. Ein wesentlicher Anteil entfällt dabei auf Metallrohstoffe, die sowohl als Baumetalle als auch als Technologiemetalle benötigt werden.

Der Bedarf an den jeweiligen Metallen unterscheidet sich je nach Energietechnologie zum Teil stark. Das gilt für die Anzahl unterschiedlicher Metalle ebenso wie für die erforderlichen Mengen. Während solarthermische Kraftwerke vor allem Silber, Kupfer, Natrium und Kalium benötigen, ist die Liste für Wasserkraftanlagen sehr viel umfangreicher (siehe Tabelle).

Von besonderer Bedeutung für die neuen Energietechnologien sind sogenannte Technologie- und Sondermetalle. Hierzu zählen etwa Kupfer, Kobalt oder Lithium, die Platingruppen-Elemente, Indium, Gallium, Germanium sowie die Seltenen Erden.

Die einzelnen erneuerbaren Energietechnologien unterscheiden sich teilweise deutlich in den Anforderungen, die sie an den Rohstoffbedarf stellen. Das gilt einerseits für die Anzahl der unterschiedlichen benötigten Metalle. Andererseits bestehen Unterschiede bei den erforderlichen Mengen.

• Die Elemente der Platingruppe (Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium und Osmium) werden besonders für Brennstoffzellen und die Wasserstoffelektrolyse Damit sind sie nicht nur für Schlüsseltechnologien wie Langzeitspeicher und Power-to-Gas wichtig, sondern ebenso für Elektromobilität auf Wasserstoffbasis.
• Seltene Erden wie Yttrium, Neodym, Dysprosium, Praesodym, Terbium, Europium, Cerium oder Lanthan werden in Batterien, Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Motoren und Generatoren Darüber hinaus sind Seltene Erden die Grundlage für Permanentmagnete in (Offshore)-Windturbinen.

Gerade die Seltenen Erden, aber auch Gallium, Germanium, Indium, Tellur und die Platingruppenelemente sind ein Beispiel dafür, wie heutige Technologien – einschließlich Anlagen für erneuerbare Energien, Speicher und Netze – auf eine immer größere Zahl an Metallen angewiesen sind. Genau diese Metalle haben ihre Hauptanwendungsbereiche bisher meist in anderen Zusammenhängen.

Permanentmagnete wie die in Windturbinen kommen derzeit hauptsächlich in Elektromotoren oder Computerfestplatten zum Einsatz. Zudem spielen die genannten Metalle eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Computerchips. Diese wiederum werden für diverse Hightech-Produkte, aber eben auch für digitale Steuerungen von Kraftwerken genutzt.

Es ist daher nicht nur der quantitative Ausbau erneuerbarer Energien, der den Bedarf an Metallen steigert. Auch der technologische Fortschritt, der nach mehr und einer größeren Zahl verschiedener Rohstoffe verlangt, hat einen Anteil daran.

Wie schon die Beispiele Permanentmagnete und Computerchips gezeigt haben, besteht die Schwierigkeit bei dieser Entwicklung darin, dass die erneuerbaren Energietechnologien in vielen Fällen nicht die Hauptanwendungsgebiete für die betreffenden Metalle sind.

Einer der Gründe für den wachsenden Bedarf an Metallen, die in diesem Bereich bislang kaum oder gar nicht genutzt wurden, sind die Bemühungen, die Effizienz erneuerbarer Energietechnologien weiterzuentwickeln. Dass Seltene Erden wie Neodym, Praseodym und Dysprosium in Permanentmagneten für die Generatoren von Windkraftanlagen verarbeitet werden, hängt zum Beispiel mit dem wartungsarmen Betrieb zusammen, der dadurch erreicht werden kann.

Während diese Anwendung in Windkraftanlagen an Land bereits weit verbreitet ist, sieht die Internationale Energieagentur (IEA) in permanentmagnetisch angetriebenen Direct-Drive-Windkraftanlagen auf See noch großes Wachstumspotenzial. Das hängt nicht allein mit den Vorzügen der Technologie zusammen, sondern ebenso mit einer erwarteten Steigerung der globalen Windenergieleistung aus Offshore-Anlagen.

Permanentmagnete benötigen allerdings erheblich höhere Magnetmassen als andere Antriebstechnologien. Dazu braucht es höhere Mengen an Neodym und Dysprosium.

Im Bereich der Photovoltaik wird die Dünnschichttechnologie immer wichtiger, die inzwischen seit mehreren Jahren kommerziell verfügbar ist. Die Dünnschichtsolarzellen bestehen aus mehreren Beschichtungen aus verschiedenen Materialien. Genutzt werden neben amorphem und kristallinem Silizium auch Kupfer-Indium-(Gallium)-Diselenid (CIGS), Kadmium-Tellurid (CdTe) und weitere Varianten.

Wie hoch der tatsächliche Rohstoffinhalt pro elektrischer Leistung in den verschiedenen Dünnschichtmodulen ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Entscheidend sind

• die Schichtdicke,
• die Zusammensetzung der Schichten,
• der Wirkungsgrad der Solarzelle,
• den Materialverlusten während der Beschichtung sowie
• der Anteil an recyceltem Material.

Der Rohstoffbedarf für Dünnschicht-Photovoltaik zeigt im Verhältnis zur Weltproduktion je nach Rohstoff deutliche Unterschiede. Nach älteren Zahlen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) für das Jahr 2013 lag der Rohstoffbedarf an Kadmium (zwischen 178 und 315 Tonnen) und Tellur (zwischen 201 und 355 Tonnen) für CdTe-Module zwar auf einem ähnlichen Niveau.

Mit Blick auf die Weltproduktion stehen 22.750 Tonnen Kadmium jedoch nur rund 550 Tonnen Tellur gegenüber. Das bedeutet, dass die Produktion von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen einen erheblichen Bedarf an der weltweit geförderten Menge Tellur hat. Sie sind damit auch das größte Anwendungsgebiet für Tellur.

Was den zukünftigen Rohstoffbedarf an Tellur und Kadmium anbelangt, weist die Deutsche Rohstoffagentur auf zwei Entwicklungen hin:

• Zum einen haben sich die Rohstoffbedarfe für das Verhältnis von produktspezifischem Rohstoffinhalt zur Leistung verringert. Das liegt an technologischen Fortschritten, die unter anderem für bessere Wirkungsgrade, effizientere Herstellungsprozesse und dünnere Absorber-Schichten
• Gleichzeitig steigen aber die Verkaufszahlen für CdTe-Module weiter an. Folgerichtig prognostiziert die Deutsche Rohstoffagentur (DERA) einen Anstieg des Bedarfs an Tellur und Kadmium. Für Tellur könnte er bis 2040 auf 35 Prozent der Weltproduktion steigen, bei Kadmium reicht trotz des erhöhten Rohstoffbedarfs ein geringfügiger Teil der weltweiten Produktion aus.

Ein Kernthema, um erneuerbare Energien effizienter nutzen zu können, ist der Umgang mit der fluktuierenden Stromerzeugung, wie sie bei Solar- und Windenergie auftritt. Pufferspeicher können die Ungleichmäßigkeiten der Stromproduktion ausgleichen, darunter Redox-Flow-Batterien.

Solche Batterien sind unter anderem auf Vanadium-Basis bereits im Einsatz; am weitesten verbreitet sind sogenannten Vanadium/Vanadium-Systeme. Hier wird Vanadium in beiden Halbzellen der Batterie an den Elektroden verwendet. Es fungiert dort als Hauptelektrolyt.

Die Deutsche Rohstoffagentur geht davon aus, dass aufgrund der bisherigen Verbreitung von Vanadium-Redox-Flow-Batterien der Bedarf an Vanadium weiterhin steigen wird. Die Prognose geht von starken Impulsen auf die Vanadium-Nachfrage aus, mit einem geschätzten Bedarf bis 2040 von rund zwei Dritteln der Menge, die im Jahr 2018 durch Bergwerksförderung verfügbar war. Das entspricht einem möglichen Bedarf im Jahr 2040 von 60.500 Tonnen Vanadium.

Um die globale Energieerzeugung zu dekarbonisieren, wird sie mit zunehmender Geschwindigkeit des Ausbaus erneuerbarer Energien einen immer größeren Bedarf an Metallen haben. Laut Schätzungen der Katholischen Universität Leuwen und des europäischen Verbands Eurometaux könnte dieser Rohstoffbedarf bis 2050 zwischen 45 und 75 Megatonnen betragen – abhängig davon, wie ambitioniert die Zielsetzungen der Klimapolitik sind.

Auch die Geschwindigkeit der Energiewende kann dazu beitragen, dass der Wert und Umfang der Metallproduktion während der Transformationsphase deutlich steigen. Die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass die erneuerbaren Energien für viele Metalle einen erheblichen Anteil an der Gesamtnachfrage haben werden: Für Kupfer beispielsweise könnte er auf über 40 Prozent steigen, für Nickel und Kobalt auf bis zu 70 Prozent und für Lithium sogar auf fast 90 Prozent.

Um den hohen Bedarf an Metallen decken zu können, will die Europäische Kommission den Fokus stärker auf die Möglichkeiten der Versorgung mit sekundären Rohstoffen aus Lagerbeständen und Abfällen legen. Denn Wiederverwertung und Sekundärrohstoffe sind ein wichtiger Faktor für das Erreichen der Klimaziele.

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