Grünes Nickel für die Energiewende

Ein energiesparendes Verfahrenes ermöglicht es, Nickel für Batterien, Magnete und Edelstahl nahezu CO₂-frei zu gewinnen

Auf den Punkt gebracht

• Global rasant wachsende Nickelnachfrage: Der Bedarf an Nickel wird sich bis 2040 voraussichtlich verdoppeln. Gleichzeitig werden bei der konventionellen Herstellung von einer Tonne Nickel, rund 20 Tonnen CO₂ emittiert.
• Nachhaltiges Verfahren: Wissenschaftler stellen Nickel aus minderwertigen Erzen mit Hilfe von Wasserstoffplasma her – CO₂-frei, energieeffizient und in nur einem einzigen Prozessschritt.
• Industrielle Skalierung möglich: Für die industrielle Anwendung müssen bewährte Verfahren wie Lichtbögen mit hohen Strömen, elektromagnetische Rührsysteme oder Gasimpulse eingesetzt werden, um eine kontinuierliche Reaktion zu gewährleisten.

Der Umstieg von fossilen Energieträgern auf Strom aus erneuerbaren Quellen ist ein zentraler Baustein, um CO₂-Emissionen zu senken und damit den Klimawandel einzudämmen. Für die Elektrifizierung gerade im Transportsektor und der Industrie ist Nickel unverzichtbar. Denn Nickel wird sowohl für Batterien, Magnete und für Edelstahl benötigt. Prognosen zufolge wird sich der Nickelbedarf daher bis 2040 voraussichtlich verdoppeln. Doch die konventionelle Nickelproduktion verursacht aktuell rund 20 Tonnen CO₂ pro Tonne Nickel – eine erhebliche Umweltbelastung. „Wenn wir Nickel weiterhin konventionell produzieren und für die Elektrifizierung nutzen, verlagern wir die Umweltbelastung lediglich vom Verkehrs- in den Metallurgiesektor“, sagt Ubaid Manzoor, Doktorand am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. Gemeinsam mit seinen Kollegen hat er nun ein CO₂-freies, energieeffizientes Verfahren zur Nickelgewinnung entwickelt, das auch die Nutzung bislang vernachlässigter, minderwertiger Erze ermöglicht. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature.

In einem einzigen Schritt zu grünem Nickel
 

In dem Verfahren wird Nickel aus Erzen mit Wasserstoffplasma in nur einem einzigen Schritt gewonnen – ganz ohne Kohlenstoff. Rechnet man die CO₂-Emissionen ein, die beim Abbau der Nickelerze und deren Transport entstehen, so lassen sich die CO₂-Emissionen mit dem neuen Prozess um 84 Prozent senken.  Zudem ist der Prozess bei Einsatz erneuerbarer Energiequellen bis zu 18 Prozent energieeffizienter, da das mehrmalige Erhitzen und Abkühlen der Erze, wie es bei konventionellen Verfahren üblich ist, vermieden wird.

Bisher setzt die Industrie überwiegend auf hochwertige Erze, da die Gewinnung von Nickel aus minderwertigen Erzen technisch deutlich anspruchsvoller ist. Nickel kommt in komplexen Silikaten oder Eisenoxiden vor. Herkömmliche Verfahren benötigen deshalb mehrere energieintensive Schritte: Kalzinierung, Schmelzen, Reduktion und Raffinierung. Die Max-Planck-Wissenschaftler können mit ihrem neuen Verfahren auch die minderwertigen Erze – die rund 60 Prozent der weltweiten Nickelvorkommen ausmachen – in einem einzigen Lichtbogenofen zu einem hochwertigen Nickelprodukt, sogenanntem Ferronickel, verarbeiten. Das Verfahren ist also sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht sinnvoll. „Mit Hilfe 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, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien.

Von der Forschung zur Anwendung

Den Produktionsprozess in die industrielle Anwendung zu bringen, wird dadurch erleichtert, dass sich dafür Methoden nutzen lassen, die in vielen Produktionsanlagen bereits eingesetzt werden. „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.“

Das neue Verfahren für die Herstellung von grünem Nickel ermöglicht unter anderem eine umweltfreundlichere Elektrifizierung des Verkehrs. Das gewonnene Ferronickel kann direkt in der Edelstahlproduktion verwendet oder – nach weiterer Aufbereitung – für Batteriematerialien und Hochleistungsmagnete genutzt werden. Auch die beim Reduktionsprozess entstehende Schlacke kann Verwendung finden, etwa in Zement oder Ziegeln. Das Verfahren ist zudem auf andere Metalle wie Kobalt übertragbar, das ebenfalls für Elektromobilität und Energiespeicherung eine zentrale Rolle spielt.

Die Forschung wurde durch einen ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats finanziert.

Yasmin Ahmed Salem