Grünes Nickel effizient aus minderwertigen Erzen produziert
Nickel wird für Batterien, Magnete und Edelstahl benötigt. Nun haben deutsche Forschende ein CO2-freies und energieeffizientes Verfahren entwickelt. So kann auch mit minderwertigen Rohstoffen die wachsende Nachfrage gedeckt werden.
Energieeffizient und CO2-frei Nickel gewinnen: Daran forscht Ubaid Manzoor, Doktorand am MPI-SusMat. Mit einem Lichtbogenofen reduziert er minderwertige Nickelerze mittels Wasserstoffplasma.
Foto: Yasmin Ahmed Salem/Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
Aktuelle Prognosen gehen davon aus, dass sich der Bedarf an Nickel bis 2040 wohl verdoppeln dürfte. Benötigt wird das Übergangsmetall für Batterien, Magnete und für Edelstahl. Doch seine Produktion ist energieintensiv und geht normalerweise mit hohen CO₂-Emissionen einher. Rund 20 t CO₂ werden pro Tonne Nickel freigesetzt. Nun aber hat ein Team am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) in Düsseldorf ein Verfahren entwickelt, das praktisch CO₂-frei ist. Die Forschenden haben es im renommierten Fachblatt Nature nun vorgestellt.
Grünes Nickel: C02-Emissionen 84 % niedriger als bei üblichen Verfahren
„Wenn wir Nickel weiterhin konventionell produzieren und für die Elektrifizierung nutzen, verlagern wir die Umweltbelastung lediglich vom Verkehrs- in den Metallurgiesektor.“ So beschreibt es Ubaid Manzoor, Doktorand am MPI-SusMat und Erstautor der Publikation. Er und seine Kollegen haben deshalb einen neuen Weg zur Gewinnung von Nickel aus Erzen entwickelt. Der Clou: Sie schaffen das in einem einzigen Verfahrensschritt auf Basis von Wasserstoffplasma. Zusammen mit den CO₂-Emissionen, die der Abbau der Nickelerze und deren Transport verursachen, sinken die CO₂-Emissionen mit dem neuen Prozess um 84 %. Weil darüber hinaus im Vergleich zu den üblichen Verfahren auf ein mehrmaliges Erhitzen und Abkühlen der Erze verzichtet wird, ist den Forschern zufolge der Prozess beim Einsatz erneuerbarer Energiequellen bis zu 18 % energieeffizienter.
Weniger Verfahrensschritte für die Gewinnung von Nickel
Nickel liegt üblicherweise gebunden in komplexen Silikaten oder Eisenoxiden vor. Weil die Gewinnung aus minderwertigen Erzen als technisch anspruchsvoll gilt, greift die Industrie bisher überwiegend auf hochwertige Erze zurück. Dafür benötigt es gleich mehrere energieintensive Schritte: Kalzinierung, Schmelzen, Reduktion und Raffinierung. Das neue MPI-Verfahren aber funktioniert auch bei minderwertigen Erzen, die immerhin rund 60 % der weltweiten Nickelvorkommen ausmachen.
Im Lichtbogenofen wird das minderwertige Erz zu einem hochwertigen Nickelprodukt, zum sogenannten Ferronickel, verarbeitet. „Mithilfe 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 Isnaldi Souza Filho. Er ist Gruppenleiter am MPI-SusMat und korrespondierender Autor der Studie.
Größere Bandbreite an nutzbaren Nickelerzen für die industrielle Anwendung
Als Nächstes wollen die MIP-Wissenschaftler den Prozess für die industrielle Anwendung skalieren. „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. „Dies lässt sich durch Lichtbögen mit hohen Strömen, elektromagnetischen Rührsystemen und Gasimpulsen realisieren.“ Diese Methoden sind in der Industrie bereits etabliert, was die Integration in bestehende Produktionsanlagen erleichtert.
Das neue Verfahren, das durch einen ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats finanziert wurde, könnte auch Basis für eine umweltfreundlichere Elektrifizierung des Verkehrssektors sein. Das gewonnene Ferronickel kann direkt in der Edelstahlproduktion verwendet oder – nach weiterer Aufbereitung – für Batteriematerialien und Hochleistungsmagnete genutzt werden. Selbst die beim Reduktionsprozess entstehende Schlacke lässt sich verwenden, etwa für Zement oder Ziegel in der Bauindustrie. Das Verfahren ist zudem auf andere Metalle wie Kobalt übertragbar, das ebenfalls für Elektromobilität und Energiespeicherung eine zentrale Rolle spielt.
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