Tiefseebergbau für unsere Mobilitätswende: die Suche nach nachhaltigen Batterien

Der Klimawandel ist dringlich und wir brauchen eine schnelle Dekarbonisierung aller Lebensbereiche. Als Mehrzwecktechnologie spielen Batterien eine zentrale Rolle bei der Verringerung der Kohlenstoffemissionen. Die derzeitige Lieferkette von Lithium-Ionen-Batterien ist jedoch häufig mit Umwelt- und Sozialbelastungen verbunden. Daher gibt es Stimmen, die für einen alternativen Abbau plädieren: kartoffelgroßes Gestein, das reich an kritischen Metallen ist. Der Haken dabei? Diese Gesteine liegen 4000-6000 m tief in den Ozeanen, und wir haben wenig bis gar keine Ahnung von diesem Nischen-Ökosystem oder den schwerwiegenden Auswirkungen, die ein Abbau auf dieses System hätte.

Der Verkehrssektor ist der größter CO2-emittierender Sektor in der Schweiz - und im Gegensatz zu allen anderen Sektoren in der Schweiz hat sie nicht abgenommen, sondern erhöhen. seine Emissionen seit 1990. Die Schweiz ist in der Tat nur ein Beispiel, denn dieses Muster zeigt sich in viele Länder. Dies ist ein Musterbeispiel für den berüchtigten Rebound-Effekt: technische Effizienzgewinne werden durch den steigende Nachfrage nach Transportdienstleistungen (hauptsächlich Autos).

Komplexe Probleme wie dieses können auf verschiedenen Ebenen angegangen werden - siehe Abbildung 1. Systemische Veränderungen auf Ebene 1 sind wohl am wirkungsvollsten, aber auch von Natur aus schwer umzusetzen. Maßnahmen auf dieser Ebene sind für die Bekämpfung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung, stehen aber nicht im Mittelpunkt dieses Artikels - interessierten Lesern könnte dieser Artikel gefallen Bericht. Abgesehen von den Ansätzen auf Systemebene ist es offensichtlich, dass die Dekarbonisierung des Verkehrs kohlenstoffarme Technologien erfordert (Stufe 2 in Abbildung 1). In diesem Zusammenhang stellen Energiespeicherlösungen eine besondere Herausforderung dar, da nur wenige für mobile Anwendungen geeignet sind.

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) sind eine der geeigneten Lösungen: Sie sind eine Mehrzwecktechnologie mit vielen kohlenstoffarmen Anwendungen, die von der stationären Speicherung über die Unterhaltungselektronik bis hin zu mobilen Anwendungen, etwa in Elektrofahrzeugen, reichen. Je nach den gewünschten Leistungsmerkmalen werden für LIBs unterschiedliche Metalle benötigt. Im Allgemeinen enthält eine Lithium-Ionen-Batterie Lithium (Li), Graphit (C), Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und eine Mischung (oder nur eines) aus Nickel (Ni), Mangan (Mn), Kobalt (Co) oder Eisen (Fe).

Glücklicherweise wird die Einführung kohlenstoffarmer Lösungen in gewisser Weise ein beispielloses Wachstum erfahren: Bis 2030 wird allein die Nachfrage nach Batterien schätzungsweise um unglaubliche 600%¹ und 1300%. Der erwartete Anstieg ist so erheblich, dass selbst bei technologischer Innovation die Abbaukapazitäten für die oben genannten Metalle zwangsläufig erweitert werden müssen (Stufe 3 in Abbildung 1).

Abbildung 1: Rahmen zur Visualisierung potenzieller Interventionsebenen

Folglich müssen wir uns die Frage stellen, woher die Metalle kommen und, was vielleicht noch wichtiger ist, unter welchen Umständen sie gewonnen werden. Dieses Unterfangen lässt sich am besten angehen, indem man die Batterie analysiert Lieferkette (Ebene 4 in Abbildung 1): Eine Lieferkette bietet Einblicke in die Materialien eines Produkts und die Aktivitäten, die zur Lieferung dieser Materialien durchgeführt werden, von der Mineralgewinnung bis hin zur Behandlung am Ende des Lebenszyklus.

Wo liegt also das Problem?

Die herkömmliche Lieferkette von Batterien wird scharf kritisiert, vor allem von einer Menschenrechtsperspektive. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, den Begriff "Nachhaltigkeit" in seine verschiedenen Dimensionen zu zerlegen. Ein klassischer Ansatz gliedert Nachhaltigkeit in wirtschaftliche, ökologische und soziale Aspekte. Über diese Unterscheidung hinaus bringt jedes Metall seine eigenen Nachhaltigkeitsherausforderungen mit sich, da die für LIB benötigten Metalle weltweit ungleichmäßig verteilt sind und mit einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden gewonnen werden. Prozesse. Daher ist eine Nachhaltigkeitsbewertung der einzelnen Metalle ist unabdingbar.

Besonders hervorzuheben sindSo wird der Lithiumabbau häufig mit einem nicht nachhaltigen Wasserverbrauch in wasserarmen Regionen in Verbindung gebracht (z. B. Chile, ~38% der weltweiten Produktion), die Nickelgewinnung mit Abholzung und Verlust der biologischen Vielfalt in Indonesien und auf den Philippinen (18% bzw. 17% der weltweiten Produktion) und Kobalt mit schweren Menschenrechtsverletzungen einschließlich Kinderarbeit im handwerklichen Bergbau (Demokratische Republik Kongo, 57% GP). Letzteres wird auch ausführlicher in Martin Beuses Blog-Beitrag.

Nachdem wir die Bedeutung des Abbaus kritischer Metalle und die Probleme mit den derzeitigen Abbaumethoden beleuchtet haben, wollen wir uns nun mit einer neu entstehenden Bergbautechnik befassen: dem Tiefseebergbau.

Tiefe und salzige Erleichterung am Horizont?

Auf dem Boden unserer Ozeane gibt es eine Vielzahl von kartoffelgroßen Gesteinen (auch Knollen genannt) - siehe Abbildung 2a. Diese Knollen sind besonders zahlreich in den Clarion-Clipperton-Zone (CCZ), ein Gebiet zwischen Hawaii und Mexiko von der Größe der Europäischen Union. Die Knollen bildeten sich über einen unvorstellbar langen Zeitraum und wuchsen nur ein wenige Millimeter pro Million Jahre. Was diese eigentümlichen Formationen so attraktiv macht, ist ihre metallische Zusammensetzung und ihr Reichtum:

1. Ein Knöllchen besteht aus einer hohen Konzentration von viele kritische Metalle (Mn, Ni, Cu, Co) - und nicht nur ein oder zwei (wie es bei Erzen auf dem Land der Fall ist).
2. Der Erzgehalt (der Prozentsatz der Metalle pro Knolle) beträgt typischerweise höher als die derzeitigen terrestrischen Mineralvorkommen der gleichen Metalle.
3. Die derzeit bekannten Nickel- und Kobaltvorkommen in den Tiefseeknollen werden auf folgende Werte geschätzt die derzeitigen terrestrischen Reserven übersteigen um 3 bzw. 5.

Abbildung 2b skizziert, was Tiefseebergbau aussehen könnte. Am Boden würden Maschinen die Abgrundebene durchkämmen, um die Knollen von den Sedimenten zu trennen (man kann sich diese Maschinen als überdimensionierte Staubsauger vorstellen). Anschließend wird die Aufschlämmung in ein Förderschiff gepumpt, das die Knollen von den restlichen Sedimenten trennt. Schließlich wird das Wasser zusammen mit den verbleibenden Sedimenten wieder in den Ozean gepumpt.

Abbildung 2: (a) Bild des Meeresbodens mit kartoffelgroßen polymetallischen Knollen (Quelle); (b) Schema eines möglichen Tiefseebergbaus (Abbildung inspiriert von Hein et al. 2020)

Im Gegensatz zu dem, was man sich unter einer kalten, stockdunklen, 4000-6000 m (!) tiefen Umgebung vorstellt, ist dieses Gebiet erstaunlich artenreich und beherbergt eine große Zahl einzigartiger Organismen der Flora und Fauna. Die Gewinnung der Knollen führt zu einer direkten Verlust von Lebensraum und Umweltveränderungen wie z. B. Sedimentverdichtung, lokale und abfließende Abluftfahnen und unnatürliche (anthropogen verursachte) Geräusche. Es scheint klar, dass der Abbau schwerwiegend stören und höchstwahrscheinlich irreversibel schädigen Meeresleben in der Tiefsee. Außerdem bleiben die Tiefsee, ihre Flora und Fauna und die möglichen Auswirkungen des Bergbaus kaum verstanden.

Dies führt zu problematischen Unsicherheiten beim Vergleich des Tiefseebergbaus mit anderen Metallquellen. Abbildung 3 vergleicht qualitativ die drei übergeordneten Nachhaltigkeitsdimensionen von aggregierten kritischen Metallen aus konventionellen, Tiefsee- und Recycling-Quellen.

Abbildung 3: Nachhaltigkeitsmatrix zum Vergleich von Metallen aus konventionell, Tiefsee und Recycling Quellen.

Das Regieren in der Tiefe

Nach einem UN-Übereinkommen von 1994 unterliegt die Tiefsee dem Internationale Meeresbodenbehörde (ISA). Die ISA kontrolliert die Lizenzen für die Mineralienexploration und hat das oben genannte Gebiet zwischen Hawaii und Mexiko in Umweltschutz und länderspezifische Forschung aufgeteilt Regionen. Nach den Explorationsgenehmigungen wird die ISA in Zukunft auch Abbaugenehmigungen erteilen. Geplant ist eine teilweise Umverteilung der von den Unternehmen (meist wohlhabendere Länder) erwirtschafteten Gewinne an nicht teilnehmende Länder nach einem ISA-Lizenzgebührenregelung.

Wenn sie angemessen gestaltet und verwaltet werden, können diese Governance-Merkmale einen spürbaren Vorteil gegenüber dem terrestrischen Bergbau haben, bei dem nur einige wenige Länder den Abbau einiger wichtiger Ressourcen kontrollieren. Die ISA ist jedoch nicht unumstritten. Einige Interessengruppen behaupten, dass die ISA eine Interessenkonflikt da sie sowohl für den Schutz der Umwelt als auch für die wirtschaftliche Nutzung des Gebiets zuständig ist.

Zum Mitnehmen

Der Tiefseebergbau ist ein polarisierendes Thema. Während der konventionelle Kobaltabbau oft mit Kinderarbeit in Verbindung gebracht wird, ruft der Abbau im Meer Bilder von unberührten Meeresökosystemen hervor, die von Unterwasser-Bulldozern zerstört werden. Der Vergleich verschiedener Bergbautechnologien ist ein komplexes Unterfangen, für das es leider keine einfache Lösung gibt. Das Recycling kann den Druck auf die neuen Vorräte verringern, aber es muss erst einmal eine ausreichende Menge an Metallen in den Kreislauf gelangen. Bei der Gewinnung dieser Metalle stellt sich nicht die Frage, wie schlecht oder gut der Tiefseebergbau ist, sondern wie viel besser oder schlechter im Vergleich zu den derzeitigen Bergbaupraktiken.

Angesichts der großen Ungewissheit, die mit dem Tiefseebergbau verbunden ist, kann zum jetzigen Zeitpunkt kein legitimer Vergleich gezogen werden - weitere Untersuchungen sind erforderlich, bevor Bergbaugenehmigungen erteilt werden. In der Zwischenzeit sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um die terrestrischen Lieferketten nachhaltiger zu gestalten.

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