3. Zielausrichtung des Recyclings

An der Endlichkeit der nicht-erneuerbaren Ressourcen, wie z. B. Metallen besteht kein Zweifel, denn die Erde ist ein geschlossenes System¹ mit begrenzten Vorkommen. Die Diskussion um die Verknappung dieser Rohstoffvorkommen ist eine alte und stark polarisierende (Tilton 1996). Auf die Historie dieser umfassenden und sehr kontroversen Diskussion ist an dieser Stelle nicht eingegangen. Vielmehr sind nachfolgend einige Fakten aufgeführt, die zeigen, dass es für eine akute Verknappung bzw. eine Verknappung der verfügbaren Vorkommen in absehbaren Zeithorizonten keine empirischen Beweise gibt.

Mit dem Bericht von Meadows et al. (1972) wurden die statischen Reichweiten von Rohstoffen populär. Damit soll angegeben werden, wie viele Jahre ein Rohstoff aus primären Quellen noch zur Verfügung stehen wird. Die Begriffsbezeichnung lässt dabei schon das Problem erahnen – diese Reichweiten werden statisch kalkuliert. Sie beziehen also keine Dynamiken der Angebotsseite mit ein, wie sie typisch im Rohstoffsystem sind, über die jedoch kein bzw. erst in der Retrospektive ausreichendes Wissen existiert. So verändern sich die bekannten und wirtschaftlich abbaubaren Rohstoffvorkommen – Reserven genannt – über die Zeit, gesteuert durch marktwirtschaftliche Prinzipien. Steigende Nachfrage bzw. Engpässe im Angebot führen zu einer Erhöhung der Rohstoffpreise, die wiederum neue Abbautechnologien und verstärkte Exploration finanzieren und ggf. Substitute und eine effizientere Rohstoffnutzung hervorbringen. Man spricht hier vom Regelkreis der Rohstoffversorgung, auch Feedback Control Cycle genannt (Wellmer und Dalheimer 2012). Die Wirkung dieses Regelkreises kann durch historische Daten belegt werden. Eine Auswertung der statischen Reichweiten einiger Metalle, die vom United States Geological Service (USGS) veröffentlicht sind, ist in Abbildung 3.1 dargestellt. In den letzten 60 Jahren sind für alle untersuchten Metalle kurz- bis mittelfristige Schwankungen in den statischen Reichweiten zu erkennen. Das ist darauf zurückzuführen, dass das Rohstoffsystem ein relativ langsam reagierendes System ist, das durch hohe und langfristige Investitionen geprägt ist. Der Regelkreis funktioniert entsprechend langsam bzw. zeitverzögert. Langfristig sind allerdings kaum Änderungen der statischen Reichweiten passiert, die per Definition über die Zeit linear abnehmen müssten. Im Gegenteil, für manche Metalle wie Kupfer oder Silber sind die statischen Reichweiten heute höher als vor 60 Jahren. Nach den Prognosen von Meadows et al. (1972) hätten fast alle untersuchten Metalle in Abbildung 3.1 noch vor der Jahrtausendwende versiegen müssen. Die statische Reichweite ist somit kein geeigneter Indikator der Rohstoffverfügbarkeit.

Die Reserven sind, wie oben gezeigt, dynamische Größen, die maßgeblich über den Regelkreismechanismus bestimmt werden. Die Erde ist in ihren mineralischen Vorkommen jedoch definitiv begrenzt, also muss auch diese ständige Erweiterung der Reserven Grenzen unterliegen. Wo diese Grenzen liegen könnten, ist nicht so einfach vorherzusagen, denn es ist noch lange nicht alles exploriert. Es ist umfangreiches geologisches Wissen notwendig, um Hochrechnungen oder vielmehr Schätzungen anstellen zu können, welche Vorkommen zu welchen Qualitäten vorhanden sind bzw. sein könnten (Arndt et al. 2017; West 2020). Das kann am besten am Beispiel Kupfer erklärt werden, da hier eine entsprechend gute Datenlage existiert. Das damit aufgezeigte Grundprinzip kann weitestgehend auf andere Metalle und Rohstoffe übertragen werden.

Mudd et al. (2013) haben eine Analyse aller im Jahr 2010 operierenden Kupferminen sowie damals laufenden Minen-Projekten vorgenommen und deren Kupfermengen aufaddiert. Sie kamen zu dem Ergebnis von 1,7 × 10⁹ t. Johnson et al. (2014) bestätigen die Größenordnung dieser identifizierten Kupfervorkommen (Reserven) mit 2,1 × 10⁹ t. Zudem haben sie eine Abschätzung der nicht-identifizierten Kupfervorkommen mit gleicher Qualität (Erzgehalt, Tiefe) wie aktuell betriebene Minen vorgenommen, was weiteren 3,5 × 10⁹ t entspricht. Diese Abschätzung beinhaltet jedoch nur porphyrische und Sedimentlagerstätten. Die Auswertung von Mudd et al. (2013) hat ergeben, dass diese beiden Lagerstättentypen 83 % an den aktuellen identifizierten Vorkommen ausmachen. Überträgt man diesen Anteil auf die nicht-identifizierten Vorkommen von Johnson et al. (2014), so kommen weitere 1,1 × 10⁹ t Kupfer hinzu. Arndt et al. (2017) verweisen zudem noch auf Vorkommen in den Ozeanen, mit ebenfalls vergleichbaren Qualitäten. Damit kommen noch weitere 1 × 10⁹ (Hannington 2011) und 0,2  × 10⁹ t (Hein et al. 2013) hinzu. So kommt man in Summe auf mindestens 7,5 × 10⁹ t Kupfer. Dabei sind jedoch nur bereits identifizierte und nicht-identifizierte Vorkommen berücksichtigt, die eine ähnliche Tiefe und Erzgehalte aufweisen wie aktuell betriebene Minen. Diese Mengen stellen aber noch lange nicht die absoluten Grenzen der möglichen Ausdehnung der Reserven dar, da sie nur die aktuelle Qualität erfassen. Durch den Regelkreismechanismus können aber zukünftig auch schlechtere Qualitäten abbaubar werden. Kesler und Wilkinson (2008) haben ein Modell erstellt, um auch die Vorkommen zu quantifizieren, die über die aktuelle Abbautiefe hinausgehen. Arndt et al. (2017) schätzen die zukünftig technisch möglichen Abbautiefen auf bis zu 3,3 km. Die Kupfervorkommen mit vergleichbarem Erzgehalt sind bis zu dieser Tiefe auf 8,9 × 10¹⁰ t errechnet (Kesler und Wilkinson 2008). Bezieht man nun noch die Vorkommen mit ein, die einen geringeren Erzgehalt aufweisen, zukünftig aber abbauwürdig sein könnten, so steigen diese Massen auf geschätzte 1 × 10¹³ t (Arndt et al. 2017). Diese Zahl kommt der absoluten Grenze der Kupferreserven – zumindest nach heutigem Wissen – wohl am nächsten. In Abbildung 3.2 sind die Verhältnisse der Reserven, die Hochrechnungen bzw. Abschätzungen der Vorkommen unterschiedlicher Qualitäten und die aktuelle jährliche Fördermenge von 2,1 × 10⁷ t an Kupfer (USGS 2019) im Größenvergleich veranschaulicht.

Gäbe es ein akutes Versiegen wirtschaftlich relevanter Metalle, so müsste alles darangesetzt werden, um diese Metalle durch Recycling im Wirtschaftskreislauf zu halten. Nicht zuletzt im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung und Generationengerechtigkeit (siehe Abschnitt 1.​1.​3). Wie oben gezeigt, gibt es dafür aber keinerlei empirische Grundlage. Es stehen noch ausreichende Mengen an Metallen in der Erdkruste mit entsprechenden abbauwürdigen Qualitäten zur Verfügung. Deren genaue Massen können bisher zwar nur grob abgeschätzt werden, es kann aber mit einiger Sicherheit gesagt werden, dass ein mögliches Versiegen nicht in absehbaren Zeiträumen stattfinden wird. Zu diesem Ergebnis kommen u. a. auch Meinert et al. (2016): „Wir wissen nicht, wo die Grenzen der mineralischen Ressourcen liegen, aber wir wissen, dass wir sie noch nicht annähernd erreicht haben.“ und widersprechen damit den vorschnellen Aussagen, wie sie u. a. von Bardi (2013, S. 166) in seinem Bericht an den Club of Rome getätigt wurden, dass alle Bereiche der Erde und deren Ressourcen – bis auf die Antarktis – ausreichend erforscht sind.

Die größten noch verfügbaren und zukünftig ggf. abbauwürdigen Massen an Kupfer liegen, wie oben gezeigt, in relativ geringen Konzentrationen vor. Dieser Aspekt steht im Zusammenhang mit der von Skinner (1979) postulierten bimodalen Konzentrationsverteilung, die besagt, dass höher konzentrierte Vorkommen den geringsten Anteil an der in der Erdkruste enthaltenen Gesamtmasse eines Minerals ausmachen. Das sind die abbaubaren Erze wie wir sie kennen. Der Großteil der Mineralien ist sehr niedrig konzentriert und in gewöhnlichem Gestein eingebunden. Auch vor dieser Veröffentlichung der bimodalen Konzentrationsverteilung haben andere Autoren auf das Mengen-Konzentrationsverhältnis hingewiesen (Lasky 1950; Ahrens 1954, 1953). Skinner hat in diesem Zusammenhang den Begriff der mineralogischen Barriere eingeführt, die irgendwo zwischen diesen beiden Verteilungsfunktionen liegen soll und den Übergang von Erz zum Gestein markiert. Wie weit wir aktuell noch von den mineralogischen Barrieren der unterschiedlichen Metalle, sofern sie existieren, entfernt sind, ist nicht bekannt (Skinner 1979). Es ist allerdings davon auszugehen, dass wir uns diesen Barrieren zwangsläufig annähern und die Konzentrationen der Vorkommen mit zunehmender Förderung der Metalle immer weiter sinken.

Derzeit weist z. B. Eisen eine durchschnittliche Konzentration in Minen von 62 % auf – Kupfer von 0,5 % und Gold sogar von unter 0,005 % (USGS 2019, S. 88; Rankin 2011, S. 88). Auswertungen historischer Minendaten zeigen deutliche Rückgänge der Konzentrationen (Erzgehalte) unterschiedlichster Metalle über die letzten 150 Jahre. Dieser Trend wird sich vermutlich auch in Zukunft fortsetzen (Mudd 2007a; Giurco et al. 2009). Die Gründe dafür sind vielfältig und insbesondere technischer und ökonomischer Natur. Sinkende Erzgehalte als Knappheitsindikator zu verwenden, also davon auszugehen, dass geringere Erzgehalte angegangen werden, weil die hochkonzentrierten erschöpft sind, ist allerdings nicht korrekt. Vielmehr ist dieser Trend als Zeichen zu verstehen, dass wir uns durch technologische Fortschritte in die Lage versetzen, die niedriger konzentrierten aber dafür größeren Vorkommen wirtschaftlich abzubauen (Rötzer und Schmidt 2018).

Die vorhandenen aktuellen und historischen Daten geben keinen Hinweis auf ein drohendes Versiegen der mineralischen Rohstoffe. Es existiert somit entgegen der weitläufigen Meinung in absehbaren Zeithorizonten kein Mengenproblem bei der primären Metallgewinnung. Die Primärgewinnung ist vielmehr durch ein Konzentrationsproblem geprägt, das sich in Zukunft aller Voraussicht nach weiter zuspitzen wird. Dieses Konzentrationsproblem ist unmittelbar mit Aufwand und ökologischen Belastungen verbunden, denn je geringer die Konzentration, desto mehr Gesteinsmasse muss für eine Masseneinheit gewonnenes Metall bewegt werden. Der Aufwand der betrieben werden muss, kann also annähernd durch das Reziproke der Konzentration beschrieben werden (Gutowski et al. 2013). Palacios et al. (2019) haben eine realitätsnahe modellbasierte Untersuchung vorgenommen, welche Energiebedarfe notwendig sind, um Gold aus der durchmischten Erdkruste – in Fachkreisen spricht man hier von Thanatia – zu gewinnen. Diese Energiebedarfe liegen aufgrund der sehr geringen Goldkonzentration um den Faktor 440 über denen der Goldgewinnung aus Erzen, wie sie z. B. von Mudd (2007b) veröffentlicht sind.

Sind die Metalle aus den Minen – also der Ökosphäre – gefördert und zur Reinform aufkonzentriert, finden sie in der Technosphäre in unterschiedlichsten Produkten Anwendung. Dabei findet wieder eine Verdünnung bzw. Absenkung der Konzentrationen statt. Abbildung 3.3 gibt einen Überblick über die Konzentrationen von 48 Metallen in ihren Erzen (primäre Quellen) und Produkten bzw. den Hauptanwendungsgebieten (zukünftige sekundäre Quellen). Letztere sind Ciacci et al. (2015) und Graedel et al. (2015) entnommen. Die Konzentrationen eines Metalls in Erzen können zwar von Mine zu Mine unterschiedlich sein, allerdings sind die Bandbreiten eher gering. In Abbildung 3.3 sind daher Durchschnittswerte der Konzentrationen in primären Quellen angegeben. Die Metallkonzentrationen in sekundären Quellen schwanken hingegen enorm und sind daher differenziert aufgeführt. Jeder Datenpunkt gibt also die Konzentration eines Metalls in einer spezifischen sekundären Quelle sowie den Durchschnittswert der primären Quelle an. Die Datengrundlage dieser Abbildung wurde über eine umfangreiche Literaturrecherche ermittelt und kann mit entsprechenden Referenzen dem Appendix I des elektronischen Zusatzmaterials entnommen werden.²

Die Diagonale in Abbildung 3.3 gibt an, wo die Konzentrationen der primären und sekundären Quellen identisch sind. Alle Punkte über der Diagonale weisen geringere Konzentrationen in den sekundären als in den primären Quellen auf, unter der Diagonale verhält es sich vice versa. Mit anderen Worten: bei allen Punkten, die über der Diagonale liegen, wurden die Metalle in der Technosphäre unter ihr ursprüngliches Konzentrationsniveau der Ökosphäre (Erze) verdünnt. Das betrifft insbesondere die Technologiemetalle. Extrembeispiele hierfür sind u. a. der Einsatz von Seltenen Erden in Elektronikprodukten. So ist z. B. die Konzentration von Cer in Flachbildschirmen um den Faktor 150.000 geringer als in Erzen. Für die meisten Metalle in sekundären Quellen, deren Konzentrationen niedriger sind als die der primären Quellen, liegen die Unterschiede allerdings in einem moderaten Bereich zwischen Faktor 1 und 100 (siehe Appendix I des elektronischen Zusatzmaterials).

In Abbildung 3.3 ist zudem ersichtlich, dass dieses Konzentrationsverhältnis Auswirkungen auf die spezifischen EoL-RQ der Metalle in den jeweiligen sekundären Quellen zu haben scheint. Die EoL-RQ sind dabei durch die entsprechende Farbgebung der Punkte gekennzeichnet. Ist die Konzentration in den sekundären Quellen geringer als in den primären, findet tendenziell kein Recycling des Metalls aus der sekundären Quelle statt. Die Ausnahmen in Abbildung 3.3 zeigen, dass das Konzentrationsverhältnis nicht der einzige Faktor ist. Insbesondere im Bereich der höheren Konzentrationen existieren einige Ausnahmen. Denn es spielen u. a. auch verfügbare Mengen, um entsprechende Skaleneffekte erzielen zu können, sowie die technische und metallurgische Machbarkeit (siehe Abschnitt 2.​2) eine Rolle. Ein Beispiel für hohe EoL-RQ trotz geringerer Konzentrationen in den sekundären Quellen ist das Recycling von Kupfer aus Bau- und Abbruchabfällen. Die Kupferkonzentrationen sind hier zwar geringer als in Erzen, es stehen jedoch große Massen dieser sekundären Quelle zur Verfügung. Der umgekehrte Effekt ist z. B. bei Gallium in Magneten oder Seltene Erden in Glaspoliturmitteln zu beobachten. Hier sind die Konzentrationen wesentlich höher als in den entsprechenden Erzen, ein Recycling findet jedoch aufgrund der relativ geringen Massen der sekundären Quellen nicht statt. Die Konzentration der Metalle in den sekundären Quellen ist also von ganz wesentlicher Bedeutung. Denn wie auch bei der primären Gewinnung hat die Konzentration entscheidenden Einfluss auf den Aufwand, der betrieben werden muss.

Metalle, die, wie in Abschnitt 1.​1.​3 erläutert, nicht verbraucht sondern gebraucht werden, bleiben in den auf der Erde vorhandenen Massen konstant, lediglich ihre Konzentrationen werden durch die Nutzung in der Technosphäre verringert und das teils unter ihr Konzentrationsniveau in der Ökosphäre. Die Diskussion um die Verfügbarkeit mineralischer Ressourcen – insbesondere Metallen – sollte also nicht anhand von Massen, sondern vielmehr anhand des Aufwandes, der für die Gewinnung benötigt wird, geführt werden.