Ein neues einstufiges Verfahren aus der Forschung ermöglicht die energiesparende Gewinnung von Nickel mit reduzierten CO2-Emissionen für Batterien und Edelstahl.
Um den Klimawandel zu bekämpfen und eine klimaneutrale Industrie zu erreichen, müssen die CO2-Emissionen drastisch reduziert werden. Ein wichtiger Teil dieser Umstellung ist die Ersetzung kohlenstoffbasierter Energieträger durch Strom, insbesondere im Verkehrs- und Industriebereich. Diese Umstellung hängt jedoch stark von Nickel ab, einem wichtigen Werkstoff für Batterien und rostfreien Stahl. Bis 2040 wird sich die Nachfrage nach Nickel aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung der Infrastrukturen und Verkehrssysteme voraussichtlich verdoppeln. Die Produktion einer Tonne Nickel verursacht derzeit jedoch rund 20 Tonnen CO2-Emissionen, was Bedenken hinsichtlich einer Verlagerung der Umweltbelastung vom Verkehr auf die Metallurgie aufkommen lässt. Forscher des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien haben nun ein CO2-freies, energiesparendes Verfahren zur Nickelgewinnung entwickelt. Ihr Ansatz ermöglicht auch die Verwendung von minderwertigen Nickelerzen, die aufgrund der Komplexität herkömmlicher Gewinnungsverfahren bisher ungenutzt blieben. Das Max-Planck-Team hat seine Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Ein einziger Schritt zu grünem Nickel
„Wenn wir Nickel weiterhin auf herkömmliche Weise produzieren und für die Elektrifizierung verwenden, verlagern wir das Problem nur, anstatt es zu lösen“, sagt Ubaid Manzoor, Doktorand am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. Manzoor und seine Kollegen haben ein neues Verfahren entwickelt, um Nickel in einem einzigen Schritt aus Erzen zu gewinnen, wobei anstelle von kohlenstoffbasierten Verfahren Wasserstoffplasma zum Einsatz kommt. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die CO2-Emissionen um 84 Prozent, sondern ist auch bis zu 18 Prozent energieeffizienter, wenn er mit erneuerbarem Strom und grünem Wasserstoff betrieben wird.
Traditionell ist die Industrie auf hochwertige Erze angewiesen, da die Gewinnung von Nickel aus minderwertigen Erzen aufgrund ihrer chemisch komplexen Zusammensetzung weitaus aufwendiger ist. Im Gegensatz zu Eisen, das in einem einzigen Schritt durch Entzug von Sauerstoff reduziert werden kann, ist Nickel in minderwertigen Erzen chemisch in komplexen Magnesiumsilikaten oder Eisenoxiden gebunden. Die herkömmliche Gewinnung umfasst mehrere Stufen wie Kalzinierung, Schmelzen, Reduktion und Raffination, die energieintensiv sind und eine große CO2-Bilanz aufweisen. Ein wesentlicher Durchbruch dieser Methode ist die Möglichkeit, minderwertige Nickelerze (die 60 Prozent der gesamten Nickelreserven ausmachen) in einem einzigen Reaktorofen zu verarbeiten, in dem Schmelzen, Reduktion und Raffination gleichzeitig stattfinden und direkt eine raffinierte Ferronickellegierung entsteht. „Durch den Einsatz von Wasserstoffplasma und die Steuerung der thermodynamischen Prozesse im Lichtbogenofen können wir die komplexe Struktur der Mineralien in minderwertigen Nickelerzen in einfachere ionische Spezies zerlegen – sogar ohne den Einsatz von Katalysatoren“, sagt Isnaldi Souza Filho, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für nachhaltige Materialien.
Auf dem Weg zur industriellen Anwendung
Dieses Verfahren reduziert nicht nur Emissionen und Energieverbrauch, sondern erweitert auch das Spektrum der verwertbaren Nickelerze, wodurch die Gewinnung kostengünstiger und nachhaltiger wird. Der nächste Schritt für das Max-Planck-Team ist die Skalierung des Verfahrens für industrielle Anwendungen. „Die Reduktion der Nickelerze zu einfacheren ionischen Spezies findet nur an der Reaktionsgrenzfläche statt, nicht in der gesamten Schmelze“, sagt Ubaid Manzoor. „In einem hochskalierten System muss sichergestellt werden, dass unreduzierte Schmelze kontinuierlich an die Reaktionsgrenzfläche gelangt.Dies kann durch den Einsatz kurzer Lichtbögen mit hohen Strömen, die Integration einer externen elektromagnetischen Rührvorrichtung unter dem Ofen oder durch Gasinjektion erreicht werden. Dabei handelt es sich um bewährte industrielle Techniken, die eine Integration in bestehende Prozesse ermöglichen.
Der grüne Nickelproduktionsweg öffnet die Tür zu einer nachhaltigeren Elektrifizierung des Verkehrssektors. Die reduzierte Nickellegierung kann direkt in der Edelstahlproduktion und nach weiterer Veredelung als Material für Batterieelektroden verwendet werden. Darüber hinaus kann die beim Reduktionsprozess anfallende Schlacke als wertvoller Rohstoff für die Bauindustrie, einschließlich der Ziegel- und Zementherstellung, dienen. Das gleiche Verfahren kann auch für Kobalt angewendet werden, das in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen verwendet wird.
Quelle: Yasmin Ahmed Salem, Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien
