Mit einem neuen chemischen Verfahren will das Startup Still Bright umweltschädliche Kupferschmelzen ersetzen.
Die Nachfrage nach Kupfer steigt rasant, ebenso wie die Umweltverschmutzung durch seine schmutzigen Produktionsprozesse. Die Gründer des Startups Still Bright wollen eine bessere und sauberere Methode gefunden haben. Das Unternehmen nutzt wasserbasierte Reaktionen, die auf der Technologie der Batteriechemie basieren, um Kupfer in einem Verfahren zu reinigen, das weniger umweltschädlich sein könnte als das herkömmliche Schmelzen. Die Hoffnung ist, dass diese Alternative auch dazu beitragen wird, die wachsende Belastung der Kupferlieferkette zu verringern, wie die US-Zeitschrift MIT Technology Review des Massachusetts Institute of Technology in einem aktuellen Beitrag berichtet. „Wir konzentrieren uns wirklich darauf, die sich abzeichnende Kupferversorgungskrise zu bewältigen“, zitiert die Zeitschrift Randy Allen, den Mitbegründer und CEO von Still Bright.
Kupfer ist heute ein wichtiger Bestandteil von elektrischen Leitungen bis hin zu Kochgeschirr. Erneuerbare Energien und Elektromobilität mit ihrem erheblichen Kupferbedarf für Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeuge sorgen für eine noch größere Nachfrage. Die weltweite Kupfernachfrage wird laut MIT bis 2040 um voraussichtlich 40 Prozent steigen.
Mit der steigenden Nachfrage wachsen auch die Auswirkungen der Kupfergewinnung, also des Prozesses der Veredelung von Erz zu reinem Metall, auf das Klima und die Umwelt, wie Technology Review schreibt. Außerdem wächst die Sorge über die geografische Konzentration der Kupferlieferkette. Kupfer wird auf der ganzen Welt abgebaut und verhüttet. In der Vergangenheit verfügten viele dieser Minen über eigene Schmelzanlagen, um das geförderte Erz überwiegend schmelzmetallurgisch (pyrometallurgisch) zu verarbeiten. Bei der pyrometallurgischen Verhüttung in der Kupferschmelze wird in einem mehrstufigen Prozess Kupfer durch Erhitzen auf seinen Schmelzpunkt aus Erz geschmolzen, oder recyceltem Schrott. Dieser Vorgang findet in Brennstoff- oder Induktionsöfen statt, wobei die Schmelze aufbereitet, eventuell legiert und dann zu fertigen Produkten gegossen wird. Heute hat sich die Schmelzindustrie konsolidiert, sodass viele Minen Kupferkonzentrate an Schmelzanlagen in Asien, insbesondere in China, liefern.
Das liegt zum Teil daran, dass die Verhüttung viel Energie und Chemikalien verbraucht und schwefelhaltige Emissionen verursachen kann, die die Luftqualität beeinträchtigen. „Sie haben die ökologischen und sozialen Probleme an einen anderen Ort verlagert“, sagt Simon Jowitt, Professor an der Universität von Nevada, Reno, und Direktor des Nevada Bureau of Mines and Geology. Es ist möglich, die Emissionen einer Schmelzanlage von Schadstoffen zu befreien, und Schmelzanlagen sind heute viel sauberer als früher, sagt Jowitt. Insgesamt sind Schmelzzentren jedoch nicht gerade für ihre Umweltverantwortung bekannt, schreibt Autor Casey Crownhart. Selbst Länder wie die USA, die über reichliche Kupferreserven und aktive Minen verfügen, liefern danach Kupferkonzentrate, die bis zu etwa 30 % Kupfer enthalten, größtenteils zur Verhüttung nach China oder in andere Länder. Derzeit gibt es in den USA nur zwei in Betrieb befindliche Erzschmelzen.
Verzicht auf pyrometallurgischen Prozess
Still Bright verzichtet auf den pyrometallurgischen Prozess, den Schmelzen verwenden, und setzt stattdessen auf einen chemischen Ansatz, der teilweise von der Technologie der Vanadium-Flüssigbatterien inspiriert ist.
Im Reaktor des Start-ups reagiert Vanadium mit den Kupferverbindungen in Kupferkonzentraten. Das Kupfermetall bleibt fest, während viele der Verunreinigungen in der flüssigen Phase zurückbleiben. Der gesamte Vorgang dauert zwischen 30 und 90 Minuten. Der Feststoff, der nach dieser Reaktion etwa 70 % Kupfer enthält, kann dann in einen anderen, in der Bergbauindustrie etablierten Prozess, die sogenannte Lösungsmittelextraktion und Elektrogewinnung, eingespeist werden, um Kupfer mit einer Reinheit von über 99 % herzustellen. ##Dies ist bei weitem nicht der erste Versuch, Kupfer mit einem wasserbasierten chemischen Verfahren zu verarbeiten. Heute wird beispielsweise ein Teil des Kupfererzes mit Säure verarbeitet, und Ceibo, ein Start-up-Unternehmen mit Sitz in Chile, versucht, eine Variante dieses Verfahrens auf die Art von Kupfer anzuwenden, die traditionell geschmolzen wird. Der Unterschied besteht hier in der besonderen Chemie, insbesondere in der Entscheidung, Vanadium zu verwenden.
Jon Vardner, einer der Gründer von Still Bright, forschte zu Kupferreaktionen und Vanadium-Flow-Batterien, als er auf die Idee kam, eine Kupfergewinnungsreaktion mit einem elektrischen Ladeschritt zu kombinieren, bei dem das Vanadium recycelt werden kann. Nachdem das Vanadium mit dem Kupfer reagiert hat, kann die flüssige Mischung in einen Elektrolyseur geleitet werden, der das Vanadium mit Hilfe von Strom wieder in eine Form umwandelt, die erneut mit Kupfer reagieren kann. Es handelt sich im Grunde um denselben Prozess, den Vanadium-Flow-Batterien zum Aufladen verwenden. Während andere chemische Verfahren zur Kupferveredelung hohe Temperaturen oder extrem saure Bedingungen erfordern, um das Kupfer in Lösung zu bringen, die Reaktion schnell voranzutreiben und sicherzustellen, dass das gesamte Kupfer reagiert, kann der Prozess von Still Bright bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden.
Einer der größten Vorteile dieses Ansatzes ist die Verringerung der Umweltverschmutzung durch die Kupferveredelung. Bei der traditionellen Verhüttung wird das Zielmaterial auf über 1 200 °C erhitzt, wodurch schwefelhaltige Gase entstehen, die in die Atmosphäre freigesetzt werden. Bei dem Verfahren von Still Bright entsteht stattdessen Schwefelwasserstoffgas als Nebenprodukt. Es handelt sich zwar immer noch um einen giftigen Stoff, der jedoch effektiv aufgefangen und in nützliche Nebenprodukte umgewandelt werden kann, so Allen.
Eine weitere potenzielle Verschmutzungsquelle sind die nach dem Raffinationsprozess verbleibenden Sulfidmineralien, die bei Kontakt mit Luft und Wasser Schwefelsäure bilden können. Dies wird auch als saures Grubenwasser bezeichnet und tritt häufig bei Bergbauabfällen auf. Auch bei dem Verfahren von Still Bright entstehen solch saure Abflüsse. Das Unternehmen plant, diese sorgfältig zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie nicht ins Grundwasser gelangen.
Das Unternehmen testet sein Verfahren derzeit in einem Labor in New Jersey und plant den Bau einer Pilotanlage in Colorado, die eine Kapazität von etwa zwei Tonnen Kupfer pro Jahr haben wird. Als Nächstes soll ein Reaktor im Demonstrationsmaßstab mit einer Jahreskapazität von 500 Tonnen gebaut werden, der 2027 oder 2028 in einem Bergwerk in Betrieb gehen soll, sagt Allen. Still Bright hat kürzlich eine Startkapitalrunde in Höhe von 18,7 Millionen Dollar abgeschlossen, um den Skalierungsprozess voranzutreiben.
Wie die Skalierung verläuft, wird ein entscheidender Test für die Technologie sein und zeigen, ob die typischerweise konservative Bergbauindustrie mitziehen wird, sagt Jowitt von der UNR: „Man möchte sehen, was im industriellen Maßstab passiert. Und ich denke, bis das geschieht, werden die Leute vielleicht etwas zögern, sich darauf einzulassen.“
Quelle: MIT Technology Review
