- Geotechnologien
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KATALOG ZUR WANDERAUSSTELLUNG WERTVOLLE ERDE DER SCHATZ IM UNTERGRUND Katalog zur Wanderausstellung WERTVOLLE ERDE DER SCHATZ IM UNTERGRUND Inhalt 6 9 11 13 15 17 19 21 21 23 25 27 29 31 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 2 WERTVOLLE ERDE Vorwort Ausstellungskonzept Unser Planet Entstehung von geologischen Rohstoffen Erdöl und Erdgas Stein- und Braunkohle Gashydrate Metallische Rohstoffe Seifen Manganknollen Steine, Erden und Salz Suchen, Finden, Fördern und Aufbereiten von Rohstoffen Erkundung des Untergrundes Seismische Erkundungsmethoden Geoelektrische Messungen Magnetfeldmessung Gravimetrie Bohrungen Berg- und Tagebau Mariner Bergbau Deutsche Bergbaugeschichte Deutsche Montantechnologie Gesteinsaufbereitung – Brechen und Mahlen Flotation und Verhüttung Biolaugung und chemische Laugung Rekultivierung WERTVOLLE ERDE 3 51 53 55 57 59 61 63 Rohstoffe, Ressourcen, Reserven, Verbrauch und Fördermengen Vorrat an geologischen Rohstoffen Rohstoffsituation in Deutschland Fördermengen heimischer Rohstoffe Urangewinnung in Deutschland Einfuhr von Rohstoffen Verbrauch von Rohstoffen Rohstoffverknappung und Versorgungsengpässe 65 67 69 71 73 75 77 Bedeutung und Nutzung von Rohstoffen Baustoffe, Glas- und Keramikindustrie Energiegewinnung Elektroindustrie, Fahrzeug- und Maschinenbau Besondere Bedeutung der Seltenen Erden Kosmetik, Keramik, Farben und Düngemittel Recycling und Wiederverwertung Rückgewinnung metallischer Rohstoffe 79 81 83 85 87 89 91 97 99 4 WERTVOLLE ERDE Geoenergie und Nutzung des Untergrundes Geothermie Gasspeicher Energiespeicher Unkonventionelles Gas Rohstoffe aus dem All Lexikon Danksagung Ausstellungsteam WERTVOLLE ERDE 5 Vorwort Ohne die Nutzung geologischer Rohstoffe wäre die Industrialisierung undenkbar gewesen. Sie hat das Leben auf unserem Planeten in den vergangenen zwei Jahrhunderten enorm verändert. Zu den geologischen Rohstoffen gehören fossile Rohstoffe wie Kohle und Erdöl, mineralische Rohstoffe wie Zement, Steine und Erden sowie die metallischen Rohstoffe, die Erze. Heute wissen wir, dass geologische Rohstoffe nicht ewig reichen und ihr Abbau immer kostspieliger und technisch aufwendiger wird. Deshalb versucht die Industrie heutzutage möglichst effizient und rohstoffsparend zu produzieren, und das Recycling, vor allem von Glas und Metallen, ist inzwischen ein integraler Bestandteil des Rohstoffkreislaufes geworden. Diese Ausstellung widmet sich den geologischen Rohstoffen, ihrer Entstehung, der Erkundung und Gewinnung sowie der Verwendung und Wiederverwertung jener Reserven, die die Erde uns zu bieten hat. Dabei versuchen wir viele Fragen zu beantworten: Wie und über welchen Zeitraum entstehen geologische Rohstoffe? Wie werden sie gesucht und gefunden? Wie und wo werden sie heute abgebaut? Welche Methoden gibt es, Lagerstätten sinnvoll und effektiv zu nutzen? 6 WERTVOLLE ERDE Wo finden geologische Rohstoffe, insbesondere Erze, in der Industrie Verwendung, und wie können Rohstoffe wiederverwendet werden? Diese Fragen betreffen uns alle, denn Rohstoffe werden immer knapper. Länder und ganze Industriezweige geraten inzwischen in Abhängigkeit von jenen Produzenten, die über den Zugang zu Ressourcen verfügen. Deshalb konzentriert sich die geowissenschaftliche Forschung heute mehr denn je auf die Rohstoffe. Forscher und Ingenieure suchen nach umweltverträglichen und nachhaltigen Gewinnungsmethoden, entwickeln eine schonende Nutzung und optimieren die Wiederverwertung. Es ist unmöglich, in dieser Wanderausstellung das Thema Rohstoffe erschöpfend zu behandeln. Dennoch wollen wir Denkanstöße geben und gleichzeitig für eine schonende und nachhaltige Nutzung der schwindenden Rohstoffe plädieren. Prof. Dr. Gerold Wefer Dr. Ute Münch Vorsitzender des Lenkungsausschusses GEOTECHNOLOGIEN Leiterin des Koordinierungsbüros GEOTECHNOLOGIEN WERTVOLLE ERDE 7 Ausstellungskonzept Die Wanderausstellung WERTVOLLE ERDE möchte Sie mit auf eine Reise zu den Rohstoffen in unserem Erdreich nehmen. In fünf Modulen wird ein breiter Überblick über die Entstehung unseres Planetens, die Genese von Lagerstätten, moderne Erkundungsmethoden bis hin zur Wiederverwertung einiger Rohstoffe gegeben. Um das Gefühl des Hinabsteigens ins Erdreich zu vermitteln, wurden die Wände massiv gebaut und die Farbe Schwarz eingesetzt. Schwarz charakterisiert nicht nur die Dunkelheit der Tiefe, sondern auch einen unserer wichtigsten heimischen Rohstoffe, die Kohle. Um diesen Rohstoff zu bergen, werden beispielsweise Baggerschaufeln genutzt. Von der Form einer liegenden Schaufel abgeleitet, entstanden die Schrägen der Stellwände. Da der Mensch oberhalb des Erdreiches lebt, war es wichtig, dem Schwarz eine Farbe des Wachstums entgegenzusetzen. So entschieden wir uns für ein frisches helles Grün. Dieses wiederholt sich in allen weiteren Gestaltungselementen. Ideenfindung Modellbau Skizzen Entwürfe Exponate Beim Bau der Stellwände sowie bei der Realisierung verschiedenster Exponatideen hatten wir mit dem Designbüro und Ausstellungsbauern »freybeuter« aus Potsdam den idealen Partner. In jedem Modul sind eine Vielfalt verschiedenster Medien wie z. B. 3-D Bilder, Animationen, Spiele, Mitmach-Rätsel und Filme integriert. So entsteht ein Spannungsfeld zwischen Erlebnis und Inhaltsvermittlung. Corinna Kallich Grafikdesignerin Koordinierungsbüro GEOTECHNOLOGIEN 8 WERTVOLLE ERDE WERTVOLLE ERDE 9 Millionen Jahre vor unserer Zeit EPOCHE 65 Mio. Jahre Tertiär 136 Mio. Jahre Kreide Jura 225 Mio. Jahre Trias 280 Mio. Jahre Perm Karbon 395 Mio. Jahre Devon 435 Mio. Jahre Silur 500 Mio. Jahre Ordovizium 570 Mio. Jahre Kambrium 1,8 Mrd. Jahre Proterozoikum 2,5 Mrd. Jahre 4,0 Mrd. Jahre 4,6 Mrd. Jahre 10 WERTVOLLE ERDE BRAUNKOHLE ERDÖL / ERDGAS STEINKOHLE 345 Mio. Jahre Archaikum Erdurzeit Unser Planet Alpidische Gebirgsbildung SALZ, KUPFERSCHIEFER ERDALTERTUM Paläozoikum 190 Mio. Jahre ERDMITTELZEIT Mesozoikum Quartär BLEI, ZINK, KUPFER, ZINN Rheinland 6 - 8 Mio. Jahre Lausitz 15 - 20 Mio. Jahre Mitteldeutschland 23 - 45 Mio. Jahre Mitteleuropa 190 - 200 Mio. Jahre Sachsen-Anhalt, Brandenburg, Polen ca. 250 Mio. Jahre Ruhrgebiet ca. 300 Mio. Jahre Harz (Rammelsberg), Erzgebirge 345 - 395 Mio. Jahre › Schwacher Vulkanismus › Festlandbereiche werden den heutigen ähnlich › Meer wird zurückgedrängt › Kräftiger Vulkanismus › Überwiegend Meer und Überflutung von Landmassen › Zerfall des Urkontinents (Gondwana) abgeschlossen › Schwacher Vulkanismus › Aufsteigen von Tiefenge stein in die Erdkruste Variskische Gebirgsbildung › Starker Vulkanismus › Meer wird zurückgedrängt › Kräftiger Plutonismus › Schwacher Vulkanismus › Überflutung von Landmassen durch das Meer Kaledonische Gebirgsbildung › Dehnungsphase Die erdgeschichtliche Entwicklung im Überblick: Aufgelistet sind die Erdzeitalter (Epochen) ZINN ERDFRÜHZEIT Präkambrium 2,4 Mio. Jahre ERDNEUZEIT Känozoikum 0,01 Mio. Jahre GOLD, URAN Gebänderte EISENERZE Erzgebirge 560 Mio. Jahre sowie wichtige Entstehungsphasen einiger Südafrika (Witwatersrand) 1,8 Mrd. Jahre Rohstoffvorkommen. Brasilien, USA, Kanada, Südafrika, Russland 2,0 - 2,4 Mrd. Jahre geologische Prozesse Darüber hinaus sind und die jeweilige Verteilung der Landmassen Auswahl einiger geologischer Rohstoffe und Lagerstätten Die Erde ist vor ungefähr 4,6 Milliarden Jahren entstanden. Im Laufe der Erdgeschichte gab es immer wieder gewaltige Veränderungen. So wechselten sich Kalt- und Warmzeiten ab, es gab Erdzeitalter, in denen Festlandsbereiche weitgehend von Ozeanen überflutet waren. Darüber hinaus gab es Phasen, in denen es zu heftigen vulkanischen Aktivitäten kam oder Gesteine aus großen Tiefen in die Erdkruste aufgedrungen sind. So sind über Jahrmillionen hinweg Gebirge entstanden und wurden Gräben aufgerissen. Im Vergleich zum gesamten Erdalter ist die heutige Gestalt der Erde sehr jung. Die Verteilung von Landmassen und Ozeanen, wie wir sie auf Landkarten sehen, existiert erst seit knapp 2,5 Millionen Jahren. Auch dieses Bild ändert sich ständig: Erdbeben oder Vulkanausbrüche sind dramatische Beispiele für die immerwährende Umgestaltung der Oberfläche der Erde. Auch der Mensch hat im Laufe seiner Entwicklungsgeschichte die Gestalt der Erde verändert. Schon in der Ur- und Frühgeschichte haben Menschen im kleinen Rahmen geologische Rohstoffe abgebaut. Heute werden sie großtechnisch gewonnen und weltweit zur Energieerzeugung und in der Industrie eingesetzt. Inzwischen sind viele der oberflächennahen Rohstoffvorkommen bereits erschöpft und der Bergbau dringt in immer größere Tiefen und unwirtlichere Landschaften vor. So werden die geologischen Rohstoffe, die sich im Laufe von Jahrmillionen gebildet haben, unwiderruflich verbraucht. Umso wichtiger werden in Zukunft das Einsparen und die Rückgewinnung von Rohstoffen. dargestellt. WERTVOLLE ERDE 11 ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN Erdöl und Erdgas Vor rund 200 Millionen Jahren So entstehen Erdöl- und Erdgasvorkommen. Da Gas eine geringere Dichte als Öl hat, ist es aufgestiegen und oftmals oberhalb von Ölvorkommen zu finden. 12 WERTVOLLE ERDE Wichtige Phasen bei der Erdöl- und Gasentstehung: Organisches Material sinkt auf den Meeresboden. Dort bildet sich unter sauerstoffarmen Bedingungen Faulschlamm, der im Laufe von mehreren hunderttausend Jahren von Sediment (Sand, Ton) überlagert wird. Durch den Anstieg von Druck und Temperatur im Untergrund, entstehen aus dem Faulschlamm Erdöl und Erdgas. Erdöl und Erdgas sind natürliche, in der Erdkruste vorkommende Stoffgemische, die hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen und organischen Schwefelverbindungen bestehen. Kohlenwasserstoffe sind, wie der Name sagt, chemische Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Erdöl ist flüssig, Erdgas ist gasförmig. Letzteres besteht überwiegend aus dem einfachsten Kohlenwasserstoffmolekül, dem Methan. Das heute geförderte Erdöl und Erdgas ist vor ungefähr 20 bis 200 Millionen Jahren aus abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Bestandteilen (Plankton) im Meer hervorgegangen. Im Laufe vieler Millionen Jahre lagerten sich diese ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN biologischen Reste in mächtigen Faulschlammschichten ab, die unter Luftabschluss nach und nach unter Ton-, Sand- und Kiesschichten begraben wurden. Durch diese Überlagerung nahmen Druck und Temperatur im Untergrund zu und aus dem Faulschlamm entstanden allmählich Kohlenwasserstoffe. Öl konnte sich bei Temperaturen zwischen 65 und 120 Grad Celsius in einer Tiefe zwischen 2.000 und 4.000 Meter bilden. Gas entstand bei höheren Temperaturen von bis zu 180 Grad Celsius und Tiefen von bis zu 6.000 Metern. Da Gas eine geringere Dichte als Öl hat, ist es später aufgestiegen und heute deshalb oftmals oberhalb von Ölvorkommen zu finden. Überlagernde undurchlässige Gesteine, beispielsweise mächtige Tonschichten, verhinderten den weiteren Aufstieg des Erdgases. Es hat sich deshalb zumeist in porösen Sandsteinen unterhalb von Tonlagen angereichert. Erdgas und -öl waren so auf natürliche Weise für mehrere Millionen Jahre im Wirtsgestein eingelagert. WERTVOLLE ERDE 13 Steinund Braunkohle Entstehung von Kohle: Vor rund 300 Millionen Jahren war das heutige Deutschland von dichtem Urwald bedeckt. Durch Meeresspiegelanstieg und Landsenkung versank der Wald langsam im Meer. Die abgestorbenen Pflanzen sammelten sich am Grund dieses Meeres und wandelten sich ohne Sauerstoffzufuhr zu Torf um. Am Grund des Meeres wurde der Torf von Sand und Ton bedeckt. Die Last dieser aufliegenden Sedimente ließ den Druck und die Temperatur in der Torfschicht ansteigen. Hierdurch konnten chemische Prozesse ablaufen, die aus dem Torf Braunkohle entstehen ließen. Dieser Prozess lief mehrere Male ab, so dass verschiedene kohleführende Schichten übereinander abgelagert wurden. Da in der Umgebung der tiefsten Braunkohle der Druck und die Temperatur weiter anstiegen, wandelte sich diese in Steinkohle um. So sind Steinkohleschichten meist unter Braunkohleschichten verborgen. 14 WERTVOLLE ERDE Kohle ist im Laufe vieler Millionen Jahre aus abgestorbenen Landpflanzen entstanden, die ähnlich wie Erdöl in tiefen Erdschichten hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt waren. Dieser Vorgang heißt Inkohlung und läuft in mehreren Stufen ab. Zunächst entsteht Torf, dann Braunkohle, anschließend Steinkohle und schließlich Anthrazit. Als Endprodukt dieser Kette bildet sich Graphit. So hat sich die heute abgebaute Steinkohle vor 280 bis 345 Millionen Jahren, die Braunkohle aber erst vor 2,5 bis 65 Millionen Jahren gebildet. ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN Damit Torf und Braunkohle überhaupt entstehen können, darf kein Sauerstoff an die Pflanzenreste gelangen. Die späteren Kohlen entstehen dann vor allem unter hohen Drücken und Temperaturen. Braunkohle wird häufig zur Stromerzeugung verwendet. Steinkohle wird dagegen durch Erhitzung auf 1.000 Grad Celsius unter Luftausschluss zu Koks für die Stahlerzeugung umgewandelt. Die weltweit größten Steinkohlevorkommen gibt es in China und den USA. In Deutschland wird Steinkohle hauptsächlich im Ruhrgebiet im Untertagebergbau gefördert. Große Braunkohlevorkommen gibt es beispielsweise in Australien, Polen, aber auch hierzulande in Revieren in der Rheinischen Bucht und in der Lausitz. WERTVOLLE ERDE 15 Gashydrate Im Jahre 1996 entdeckten deutsche Wissenschaftler erstmals große natürliche Methanhydratvorkommen vor der Küste Oregons (USA). Das Methanhydrat (weiß) ist in Sedimenten am Kontinentalhang eingelagert. (Quelle: Bormann, MARUM) 16 WERTVOLLE ERDE Gashydrate sind feste Verbindungen aus Gasmolekülen und Wasser, die je nach Temperatur des Meerwassers in 300 bis 700 Meter Wassertiefe vorkommen. Neben Methan können auch Kohlendioxid und Stickstoff Gashydrate bilden, wobei weltweit die Vorkommen an Methanhydrat überwiegen. Die meisten Methanhydrate findet man entlang von Kontinentalrändern, Stickstoff-Hydrate hingegen sind aus den Eisschilden Grönlands und der Antarktis bekannt. Zur Bildung von Methanhydrat ist ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN ein Überangebot an Methan im Wasser notwendig. Es ist nur bei hohen Drücken und relativ niedrigen Temperaturen stabil. Bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck entweicht das entflammbare Methangas. Derzeit wird erforscht, ob sich diese Gashydrate auch als Energierohstoff nutzen lassen. WERTVOLLE ERDE 17 Schematisches geologisches Profil, welches Vererzungen in Gängen und entlang von Störungen sowie unterhalb von undurchlässigen Schieferlagen zeigt. (nach Malyutin und Sitkovsky, 1968) Schematisches geologisches Profil, das eine idealisierte Stockwerksvererzung mit typischer Mineralführung in vulkanischen Gesteinen zeigt. (nach Evans, 1992) Heißes Wasser entweicht am Ozeanboden und wird dort schlagartig abgekühlt, so dass die in der Lösung befindlichen Metall-Schwefelverbindungen auskristallisieren. Pyrit, Kupferkies, Blei- und Zinkblende sind typische Minerale. Sie bilden oftmals Schornsteine am Ozeanboden, die auch »Schwarze Raucher« genannt werden. (Quelle: Daniel Desbruyères) 18 WERTVOLLE ERDE Metallische Rohstoffe In der Erdkruste kommen metallische Rohstoffe in verschiedenen Konzentrationen in ganz unterschiedlichen Gesteinen vor. Gesteine, die solche metallischen Ressourcen enthalten, werden Erze genannt. Die Entstehungsgeschichten der Erzkörper können ganz verschieden sein. Sie richten sich aber generell nach dem Wirtsgestein. Dabei unterscheiden wir drei wichtige Gesteinsarten: 1. Magmatite kristallisieren aus Magma, also einer Gesteinsschmelze, aus. 2. Sedimente entstehen durch Abtragung (Erosion). Sie werden durch Wind oder Wasser transportiert und wieder abgelagert. 3. Metamorphes Gestein entsteht, wenn die beiden zuvor genannten Gesteins arten sich unter großem Druck und hoher Temperatur verändern. ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN Magmatische Gesteine sind aus einer ursprünglich zähflüssigen Gesteinsschmelze kristallisiert. Je nach Anordnung und Größe der einzelnen Minerale und Komponenten lassen sich Tiefengesteine von vulkanischen Gesteinen unterscheiden. Erzlagerstätten entstehen dadurch, dass Minerale mit einer niedrigen Schmelztemperatur zu einem frühen Zeitpunkt auskristallisieren und innerhalb der Gesteinsschmelze absinken. Chromit oder auch Kupfer und Nickel können sich so anreichern. Schließlich bleiben nach der Ausscheidung aller gesteinsbildenden Minerale aus den Restschmelzen nur noch heiße, mineralgesättigte Lösungen zurück. Sie werden als hydrothermale Lösungen bezeichnet und durchdringen den Gesteinskörper entlang von Rissen und Klüften. Dabei werden erneut verschiedene Elemente aus dem Gestein herausgelöst. Durch Änderung von Druck und Temperatur und chemischen Variationen können die jeweiligen Metalle innerhalb eines Gesteinskörpers oder -schmelze mobilisiert und konzentriert werden. Statt kleinsten Mengen in einem riesigen Gesteinskomplex, sind dann zum Beispiel Erzbänder oder -gänge zu finden. Viele Erzlagerstätten sind auf diese Weise entstanden. Auch heute noch bilden sich aus heißen, hydrothermalen Lösungen Erzvorkommen; sie sind vom Ozeanboden durch die eindrucksvollen »Schwarzen Raucher« bekannt. WERTVOLLE ERDE 19 In vielen Flüssen Deutschlands kann sogar heute noch Gold gewaschen werden. Im industriellen Maßstab wird hingegen nur am Rhein nach den Goldseifen gesucht. (Bildquelle: TVR) Manganknollen sind in großen Mengen auf dem Meeresgrund in einer Wassertiefe zwischen 4.000 und 6.000 Meter zu finden, sie werden zwischen 2 und 20 Zentimeter lang. Diese Manganknolle hat einen Durchmesser von etwa 15 Zentimeter. (Quelle: G. Parent) 20 WERTVOLLE ERDE Seifen Manganknollen Durch das Einwirken von Wind und Wasser können aus Gesteinskörpern Bruchstücke und Minerale herausgelöst und von dem ursprünglichen Ort über große Distanzen transportiert werden. Sobald die Strömung oder der Wind nachlässt, lagern sich diese Minerale dann am Ufer oder Grund eines Gewässers oder am Fuße einer Anhöhe ab. Solche Lagerstätten werden als Seifen bezeichnet. Neben Gold bilden beispielsweise auch Platin, Zinn oder Diamanten Seifen aus. Manganknollen entstehen, wenn sich in kalten arktischen Strömungen die im Meerwasser gelösten Metalle um einen Kristallisationskeim, wie einem Haifischzahn oder dem Bruchstück einer Muschelschale, ablagern. Daher sind die Knollen ähnlich einer Zwiebel schalenförmig aufgebaut, wobei sie in einer Million Jahre nur etwa 5 Millimeter wachsen. Manganknollen sind etwa 2 bis 20 Zentimeter groß und auf sedimentbedeckten Flächen auf dem Meeresboden in etwa 4.000 bis 6.000 Meter Wassertiefe zu finden. Sie bestehen überwiegend aus Mangan, aber auch aus Eisen, Kupfer, Nickel und Kobalt. Wirtschaftlich interessant sind die Knollen, da sie auch Elemente wie Selen, Indium und Tellur enthalten. ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 21 Steine, Erden und Salz Mit großen Schaufelladern wird das abgesprengte Rohsalz, das Haufwerk, transportiert. Das Salz wird insbesondere für die Produktion von kali- und magnesiumhaltigen Düngemitteln benötigt. (Quelle: K+S GmbH & Co. KG) 22 WERTVOLLE ERDE Mineralische Rohstoffe wie Steine und Erden sind unerlässlich für den Straßen- und Wohnungsbau. Verwendet werden sowohl magmatische Gesteine wie Basalte und Granite, metamorphe Gesteine wie Gneis und Schiefer und Sedimente wie Sandsteine, Sand, Kies und Ton. Ein weiterer wichtiger Rohstoff, der auch in Deutschland abgebaut wird, ist das Steinsalz. In der Erdgeschichte gab es immer wieder Phasen, in denen das Meer weit auf die Kontinente vordrang oder sich wieder zurückzog. Beim Rückzug verdunstete das Wasser und die darin gelösten Salze lagerten sich ab. Im Laufe von vielen Mil- ENTSTEHUNG VON GEOLOGISCHEN ROHSTOFFEN lionen Jahren sind in der frühen Erdgeschichte auf diese Weise mächtige Salzlagen entstanden, die heute oftmals von anderen dicken Gesteinsschichten überlagert sind. Da Salz eine deutlich höhere Verformbarkeit und eine geringere Dichte als beispielsweise Sand- oder Tonstein hat, wurde es an einigen Orten durch den Druck der auf ihm liegenden Schichten in Form eines Salzstockes nach oben gedrückt. Salz wird entweder in Bergwerken durch Sprengung oder aber auch durch Auflösung durch Wasser, also durch Laugung, abgebaut. WERTVOLLE ERDE 23 SUCHEN FINDEN FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN Auch Frauen suchten während des Goldrausches im amerikanischen Westen, nur mit einem Hammer ausgerüstet, nach Gold (Sodaville, Nevada, im Mai 1910). (Quelle: ID. Sterret/USGS Photographic Library) Seismische Strukturen des Untergrundes in 3D aufgelöst. Diese Technik wird genutzt, um beispielsweise Öl- und Gasvorkommen zu lokalisieren. (Quelle: Wintershall GmbH) Erkundung des Untergrundes Während des kalifornischen Goldrausches Mitte des 19. Jahrhunderts reichten einfache Werkzeuge wie Schaufel und Sieb aus, um größere Goldklumpen, kleine Nuggets oder Goldstaub entlang von Flussläufen zu finden. Um heute Bodenschätze in wirtschaftlichen Mengen aufzuspüren, sind andere Werkzeuge notwendig, beispielsweise die satellitengestützte Fernerkundung, GPS-Navigation und Hightech-Messgeräte, mit denen der tiefe Untergrund durchleuchtet werden kann. Die Suche nach Rohstoffen erfolgt heute im Wesentlichen mit Hilfe verschiedener geophysika- 24 WERTVOLLE ERDE lischer Methoden wie der Geoelektrik, der Magnetik, der Seismik und der Schweremessung. Dazu werden elektrischer Strom, Schallwellen und Magnetfelder in den Untergrund geschickt. Weil verschiedene Gesteine, Flüssigkeiten oder Gase unterschiedliche Materialeigenschaften haben, reflektiert beispielsweise ein festes Gestein Schallwellen deutlich besser als ein gasreiches Lockergestein. Die verschiedenen Gesteine können darüber hinaus auch anhand ihrer elektrischen Leitfähigkeit, ihrer magnetischen Eigenschaften sowie ihrer Dichte und der Rückstrahlung von Infrarotlicht voneinander unterschieden werden. Solche Messungen finden meist an Land statt. Es werden aber auch Hubschrauber und Flugzeuge zu Messungen aus der Luft oder Schiffe für marine Untersuchungen eingesetzt. Inzwischen sind auch einige Satelliten mit entsprechenden Sensoren ausgerüstet. Auf diese Weise können große und unwegsame Gebiete erkundet werden. Sofern die Ergebnisse vielversprechend sind, werden Probebohrungen durchgeführt, um ein detaillierteres Bild über die Strukturen und Gesteinsschichten im Untergrund zu erhalten. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 25 Start des Hubschraubers mit angehängter Messsonde zur Kartierung der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrundes. (Quelle: BGR, Hannover) Mehrere Vibratorfahrzeuge fahren zur Erkundung des Untergrundes dicht hintereinander her, bleiben in regelmäßigen Abständen stehen, setzen ihr Fahrzeuggewicht auf eine am Fahrzeugboden installierte Bodenplatte und vibrieren anschließend mit ihrem Eigengewicht. Die so in den Boden gesendeten Signale werden von vorher ausgelegten Geophonen aufgezeichnet. (Quelle: DMT GmbH & Co. KG) Ausbringen des seismischen Streamers in der Melville Bay, nordwestliches Grönland. An den hellen Markierungen des Kabels, das bis zu 5 Kilometer lang sein kann, befinden sich die Hydrophone. Der Schwimmköper, den der Wissenschaftler in der Hand hält, dient dazu, den Streamer in einer konstanten Wassertiefe treiben zu lassen. (Quelle: M. Koch / Alfred-Wegener-Institut) 26 WERTVOLLE ERDE Seismische Erkundungsmethoden Aktive seismische Verfahren liefern Informationen über den Untergrund, wenn der Boden durch Sprengungen oder mit Vibrationsfahrzeugen künstlich erschüttert wird. Diese Erschütterungen gleichen kleinen Erdbeben und senden Schallwellen in den Untergrund. Aus der Zeit, die zwischen dem Absenden des Signals und dem Auffangen der reflektierten Welle verstreicht, lässt sich die Lage unterschiedlicher Gesteinsschichten ermitteln. Die reflektierten Wellen werden an verschiedenen Orten aufgefangen, so dass mit entsprechenden Computerprogrammen ein dreidimensionales Bild des Untergrundes gezeichnet werden kann. Bei der passiven Seismik werden natürliche Erschütterungen und Erdbeben auf ganz ähnliche Weise ausgewertet, um Informationen über geologische Störungen und Gesteinsgrenzen zu gewinnen oder um die Größe von Lagerstätten zu ermitteln. Besonders intensiv werden seismische Verfahren bei der Suche nach Rohstoffen unter dem Meeresboden eingesetzt. Hier werden die Sensoren, auch Hydrophone genannt, an langen Schläuchen hinter einem Schiff hergezogen. Hochdruckkanonen, die Luftpulse direkt in die Wasserstände abgeben, erzeugen dann Schallwellen, die in die Sediment- und Gesteinsschichten des Untergrundes eindringen und reflektiert werden. So lassen sich auch in großen Wassertiefen Informationen über Öl-, Gas- oder andere Rohstoffvorkommen ermitteln. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 27 Geoelektrische Messungen Die roten Steuerboxen sitzen auf dem oberen Ende der Metallspieße, über die der Strom in den Boden eingebracht wird. Mit den Kabelverbindungen werden sowohl der Messstrom als auch die Messdaten transportiert. (Quelle: DMT GmbH & Co. KG) 28 WERTVOLLE ERDE Bei geoelektrischen Messungen wird Strom über Metallspieße in den Boden geleitet. Dieser breitet sich dann im Untergrund entlang des geringsten elektrischen Widerstandes aus. Da der Stromfluss im Untergrund ein elektromagnetisches Feld erzeugt, kann an der Oberfläche eine Spannung gemessen werden, die direkt dem jeweiligen Stromfluss im Untergrund zugeordnet werden kann. So sind Aussagen über die elektrische Leitfähigkeit der verschiedenen Gesteine oder wasserführenden Schichten möglich. Mit Hilfe dieser Messungen können auch Süß- und Salzwasserhorizonte voneinander unterschieden und Erzkörper identifiziert werden. Moderne Verfahren bringen unterschiedliche Stromfrequenzen in den Boden ein. Auf diese Weise können zusätzlich zum spezifischen Widerstand auch richtungsabhängige Effekte der Leitfähigkeit oder elektrische Speichereffekte des Untergrundes untersucht werden. Das ermöglicht sogar die Bestimmung einer Gesteinsart im Untergrund. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 29 Magnetfeldmessung Die Kartierung des Magnetfeldes in unwegsamen Gelände wird mit tragbaren Geräten durchgeführt. Zusätzlich ist diese Messtechnik mit einem GPS-Empfänger ausgestattet, so dass alle Messungen einem genauen Ort zugeordnet werden können. Die hier gezeigten Messungen wurden über unterirdischen Kohlefeuern in Nordchina durchgeführt. (Quelle: DMT GmbH & Co. KG) 30 WERTVOLLE ERDE Ein Gravimeter zur hochgenauen Aufzeichnung des Schwerefeldes über einem Kalibrierungspunkt. Diese Messungen werden benötigt, um zum Beispiel Schwerefelddaten, die mit Satelliten gewonnen werden, zu eichen, also auf ein vergleichbares Messniveau zu bringen. Das Gravimeter muss hierzu über mehrere Stunden kontinuierlich das Schwerefeld messen. (Quelle: DMT GmbH & CO. KG) Die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von Metallen ermöglichen die Suche nach Rohstoffen mit Magnetfeldmessungen. Dabei können nicht nur Erze, sondern auch solche Gesteinsarten voneinander unterschieden werden, die unterschiedliche Eisengehalte aufweisen. Moderne Sensortechnik erlaubt es inzwischen, Metallanreicherungen mit Hubschraubern oder Flugzeugen aus der Luft oder sogar von Satelliten aus aufzufinden. Gravimetrie Die Schwerkraft eines Objektes hängt von der Masse des Körpers ab. Sie ist umso größer, je dichter das Objekt ist. Deshalb variiert das Schwerefeld der Erde in Abhängigkeit der jeweiligen Gesteinsart im Untergrund und es lassen sich mit gravimetrischen Messungen unterschiedliche Gesteinskörper kartieren. Auch dieses Verfahren lässt sich aus der Luft mit Flugzeugen und von Satelliten aus anwenden und wird insbesondere bei der Suche nach Diamanten und größeren Erzkörpern genutzt. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 31 Bohrungen Das InnovaRig wurde am Deutschen GeoForschungsZentrum in Zusammenarbeit mit Industriepartnern entwickelt und ist eine der modernsten Bohranlagen. Hiermit kann bis in eine Tiefe von 5.000 Meter gebohrt werden. (Quelle: GFZ, Potsdam) 32 WERTVOLLE ERDE Das Bild zeigt einen Bohrkern, der dem Bohrkopf entnommen werden kann. Die vier »Zahn-Kegel« rotieren bei der eigentlichen Bohrung und zerkleinern so das Gestein. In der Mitte hingegen wird eine Kernbohrung ausgespart, die anschließend von den Wissenschaftlern untersucht werden kann. (Quelle: GFZ, Potsdam) Moderne geophysikalische Erkundungsverfahren geben zwar Hinweise auf Lagerstätten, aber erst eine Bohrung lässt genaue Schlüsse über das Gesteinsmaterial zu. Mineralogische und chemische Analysen des beim Bohren geförderten Gesteins geben Aufschluss über die Reinheit und Konzentration des gesuchten Rohstoffes. Erst dann kann entschieden werden, ob sich ein Abbau lohnt. Die heutige Bohrtechnik erlaubt nicht nur horizontale oder vertikale Bohrungen. Bohrlöcher können inzwischen auch abgelenkt und um Hindernisse herumgelenkt werden. Allerdings sind Bohrungen teuer. Eine 5.000 Meter tiefe Bohrung kostet ungefähr 7 bis 12 Millionen Euro, mit zunehmender Tiefe steigen die Kosten überproportional. Bohrungen sind außerdem für die Förderung von Rohstoffen wie Erdöl und Erdgas notwendig. Die im Untergrund durch die Gesteinslast unter hohem Druck stehenden Rohstoffe werden dabei meist von allein durch das Bohrloch an die Oberfläche gedrückt. Erdöl- und Erdgasbohrungen reichen heute oftmals in mehrere tausend Meter Tiefe und zwar sowohl auf dem Festland als auch auf dem Meeresgrund. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 33 Der größte Schaufelradbagger der Welt ist der Bagger 288, der derzeit im Tagebau Garzweiler (Nordrhein-Westfalen) eingesetzt wird. Er wiegt so viel wie 13.000 Autos und transportiert am Tag ein Erdvolumen von etwa 240.000 Tonnen Gestein und ersetzt damit rund 40.000 Arbeiter. Er ist mit etwa 45.000 Tonnen Eigengewicht nur ein wenig leichter als das 1912 gesunkene Passagierschiff »Titanic« (46.328 Tonnen). (Quelle: Krupp Galerie/ carsbase) Mit der Schrämmaschine wird die kohleführende Schicht (Flöz) abgehobelt und direkt über ein Fließband wegtransportiert. Durch hydraulische Stützen und Pressen wird die Maschine nach jedem Durchgang wieder an den Flöz angepresst, so dass der Vorgang wiederholt werden kann bis die kohleführende Schicht ausgefördert worden ist. (Quelle: D. Schopphoff) 34 WERTVOLLE ERDE Bergund Tagebau Rohstoffe an der Oberfläche werden im Tagebau gefördert - auch der Steinbruch ist demnach ein Tagebau. Lagern Rohstoffe in größeren Tiefen, werden sie mit Schächten und Stollen in einem Bergwerk erschlossen. In Deutschland werden Steine, Erden und Braunkohle im Tagebau abgebaut. In den Braunkohlerevieren kommen die markanten, bis zu 240 Meter langen und 100 Meter hohen Schaufelradbagger zum Einsatz. Manche dieser Maschinen sind so komplex, dass sie von 5 Baggerführern gleichzeitig gesteuert werden müssen. Der größte Tagebau der Welt ist das Kupferbergwerk Chuquicamata im Norden von Chile. Er umfasst eine Fläche von fast 13 Quadratkilometern und reicht etwa 850 Meter tief. Für den unterirdischen Abbau von Rohstoffen werden Stollen und Schächte in den Untergrund gebohrt. Anschließend müssen alle Maschinen zerlegt in Förderkörben in die Schächte gebracht werden. Erst untertage werden die Bagger, Lastwagen und andere Fahrzeuge wieder zusammengebaut. Die eigentliche Grabung erfolgt mit Bohrhämmern, Sprengungen oder sehr speziellen Maschinen wie dem Kohlehobel oder der Schrämmaschine. In Deutschland werden heute untertage vor allem Steinkohle und Salz, früher wurden auch Erze abgebaut. Die tiefsten Bergwerke reichen etwa 4.000 Meter in den Untergrund. In Südafrika wird Gold unter anderem im TauTona Bergwerk aus diesen Tiefen gefördert. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 35 Die Areale W und E, die sich die Bundesregierung im Zentralpazifik gesichert hat, liegen im sogenannten Manganknollengürtel. In diesen Gebieten untersuchen Geowissenschaftler wie sich Manganknollen bilden, wie sie in das marine Ökosystem eingebunden sind und welche Technologien notwendig sind, um Manganknollen zu bergen. (Quelle: Lage der Felder nach BGR) Marine Technik (Subsea-Crawler/Unterwasser-Krabbler) zur Bergung und Beprobung von Manganknollen oder Erzen am Ozeanboden. Das Gerät kann auch genutzt werden, um andere marine Bergbautechnik zu installieren. (Quelle: Bosch Rexroth) 36 WERTVOLLE ERDE Mariner Bergbau Weil Rohstoffpreise steigen und Ressourcen knapper werden, wird in vielen Staaten über den Abbau mariner Rohstoffe nachgedacht. Manganknollen bestehen schließlich nicht nur aus Mangan, Eisen, Kupfer und Kobalt, sondern sie enthalten auch eine Reihe von seltenen Metallen wie Indium und Tellur. Bereits 1978 wurde im Pazifik durch ein internationales Konsortium ein Abbauverfahren für Manganknollen getestet. Damals unwirtschaftlich, könnten sich solche Abbauverfahren wegen der hohen Rohstoffpreise heute aber lohnen. Deutschland hat sich zur Prüfung dieser Möglichkeit zwei Gebiete im Zentralpazifik gesichert. Allerdings müssen zunächst geeignete Förder- und Aufbereitungstechniken entwickelt und erprobt werden . SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 37 Deutsche Bergbaugeschichte Diese vier Abbildungen der Bergbaulandschaft und des bergmännischen Lebens entstanden um 1521, wahrscheinlich durch den Maler Hans Hesse. Die Bilder, die auf der Rückseite des Annabergers Bergaltars zu finden sind, zeigen die zur Gewinnung von Silber notwendigen Prozesse. In der Haupttafel (Mitte oben) sind Schächte und Stollen sowie unterschiedliche Berufe im Bergbau dargestellt. Auf den Nebentafeln sind die Silberwäsche (Mitte unten), die Aufbereitung durch Aufschmelzen (links) sowie die Münzer (rechts) zu sehen. (Quelle: Hans Hesse, Künstler) 38 WERTVOLLE ERDE Der Bergbau in Deutschland ist fast 4.500 Jahre alt. Damals wurde in Mitteldeutschland erstmals Kupfer abgebaut. Noch älter ist die Geschichte des Kupferbergbaus im Iran, wo er sich 6.500 Jahre weit zurückverfolgen lässt. Abgebaut wurden anfänglich allerdings keine Erze, sondern nur gediegene Metalle, also solche, die in der Natur in reiner Form vorkommen. Dazu gehören Kupfer, Silber und Gold. Zunächst machte man daraus Schmuckstücke. Aber bereits in der Bronzezeit (2.200 bis 800 v. Chr.) entstanden die ersten Waffen aus einem Gemisch aus Kupfer und Zinn, der Bronze eben. Im Mittelalter begann der Bergbau in Deutschland aufzublühen, als zunächst in Bayern Kupfer gewonnen wurde. Später folgte dann im Harz der übertägige Abbau von Silber, Blei, Kupfer und Zink. Aber auch im Schwarzwald wurden seit dem 14. Jahrhundert Silber, Blei, Zinn und Kupfer gefördert. Im Erzgebirge wurde mit dem Silberbergbau begonnen. Abgebaut wurden Erze über mehrere hundert Jahre bis 1990, als die meisten Bergwerke aus wirtschaftlichen Gründen geschlossen wurden. Das Aachener Revier gilt als das älteste Steinkohlenrevier Europas. Vieles deutet darauf hin, dass bereits Kelten und Römer diese Steinkohle nutzten. Im Zwickauer Raum wurde die Steinkohle vermutlich ebenfalls schon im 10. Jahrhundert gewonnen. Durch die Industrialisierung und wegen des Baus vieler Eisenbahnen stieg der Bedarf an Steinkohle in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts rasant an. Der Beginn des modernen Bergbaus und der Metallurgie, also der Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung und Verarbeitung von Metallen begann im 16. Jahrhundert. Bereits 1530 veröffentlichte der Universalgelehrte Georgius Agricola sein Standardwerk über die Suche und Aufbereitung von Erzen, weshalb er als »Vater des modernen Bergbaus« bezeichnet werden kann. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 39 Deutsche Montantechnologie Die erste Sprengung zur seismischen Rohstoff-Prospektion durch die Seismos GmbH im Jahr 1923 im amerikanischen Bundesstaat Oklahoma markiert den Beginn der industriellen Erkundung nach Rohstoffen, da mit Hilfe der erzeugten seismischen Wellen Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Untergrundes gemacht werden konnten. (Quelle: Gerhard Keppner) 40 WERTVOLLE ERDE Über Jahrhunderte hinweg suchten die Menschen mit einfachen Mitteln, wie dem Hammer oder der Hacke, nach geologischen Rohstoffen. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts kamen auch Messgeräte zum Einsatz. Bis dahin war zum Beispiel die Erdölexploration allein auf die Ergebnisse von Probebohrungen angewiesen. Doch das Aufspüren von Lagerstätten im Untergrund durch Bohrungen war eher Zufall und damit aufwendig und kostspielig. Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der deutsche Geophysiker Ludger Mintrop die Grundprinzipien für die seismische Erkundung. Gemeinsam mit einigen der damals großen deutschen Montankonzerne gründete er die Seismos GmbH. Dieses Unternehmen war lange Zeit weltweit führend bei der Suche nach Rohstoffen. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 41 Gesteinsaufbereitung – Brechen und Mahlen Die gewaltige Kugelmühle eines Goldbergwerkes in Namibia - im Inneren dieser Mühle zerschlagen extrem harte Stahlkugeln das Gestein zu feinem Mehl. (Quelle: AngloGold Ashanti) 42 WERTVOLLE ERDE Die Rohstoffe müssen zunächst aufbereitet werden, bevor sie in der Industrie verarbeitet werden können. So liegt beispielsweise Kupfer nicht immer rein vor, also gediegen, sondern es ist zumeist mit anderen Metallen, Schwefel, Oxiden und Salzen fein verteilt im Gestein vorhanden. Um das Erz vom Gestein zu trennen, wird es als erstes in einem Brecher grob zerkleinert. Taubes Gestein, also Gestein ohne oder mit nur geringen Erzkonzentrationen, wird entfernt und kommt auf eine Deponie oder eine Abraumhalde. Das Erz wird hingegen in einem zweiten Schritt in einer Kugelmühle zu feinem Staub zermahlen. Bei der Aufbereitung von Rohstoffen, zur Gewinnung von Blei und Gold oder anderer schwerer Metalle, wird der Staub in einem weiteren Schritt in fließendes Wasser gegeben und ausgewaschen. Die leichten Bestandteile werden vom Wasser abtransportiert, die schweren sinken schnell zum Boden der Waschtrommeln, sammeln sich dort an und können aufgefangen und weiterverarbeitet werden. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 43 Luftblasen, die mit Kupfersulfid beladen sind, können im Prozess der Flotation abgeschöpft werden. (Quelle: Geomartin) Flotationsanlage bei Murmansk (Russland) zur Gewinnung von Magnesit und Eisen. (Quelle: CETCO) Eisen wird mehrfach aufgeschmolzen, um einen möglichst hohen Reinheitsgrad zu erhalten. Diese Aufnahme zeigt die Gießerei von A. Finkel and Sons in Chicago (USA). (Quelle: Adam McCormick) 44 WERTVOLLE ERDE Flotation und Verhüttung Bei der Flotation wird das Gesteinsmehl mit Wasser und verschiedenen Chemikalien vermischt. Anschließend wird Luft in das Gemisch gepumpt. Die im Gesteinsmehl enthaltenen Erzpartikel heften sich an die Blasen und werden an die Oberfläche transportiert. Die beigemischten Chemikalien sorgen dafür, dass sich die Luftblasen nicht wieder auflösen. Das entstehende Erzkonzentrat wird abschließend abgeschöpft. Dieses Verfahren wird insbesondere bei der Aufbereitung von Blei, Zink und Kupfer eingesetzt. Bei der Verhüttung wird schließlich aus den Erzkonzentraten der eigentliche Rohstoff gewonnen. Wegen der unterschiedlichen Schmelztemperaturen der Gesteinsbestandteile lösen sich diese beim Schmelzen der Gesteinsmasse nach und nach. Schließlich wird der jeweilige Rohstoff in geschmolzener Form aufgefangen und in Barren gegossen. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 45 Biolaugung und chemische Laugung Eine Anlage zur Laugung von Zink in Finnland (Quelle: New Boliden) 46 WERTVOLLE ERDE Die Biolaugung ist ein Verfahren, mit dem weltweit immer häufiger Erz aufbereitet wird. Dabei kommen solche Mikroorganismen zum Einsatz, die das Erzmaterial in lösliche Salze umwandeln. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Energieaufwand relativ gering ist und kaum Abgase oder andere Schadstoffe entstehen. Neben Kupfer werden auch Zink, Nickel, Kobalt, Gold und Uran durch Biolaugung gewonnen. Mittlerweile wird etwa ein Viertel des Kupfers weltweit auf diese Weise gewonnen. Daneben gibt es auch eine rein chemische Laugung. So werden zum Beispiel durch den Zusatz von Schwefelsäure bei der Herstellung von Zink Verunreinigungen mit Eisen ausgeschieden. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 47 Rekultivierung werden, können wieder als landwirtschaftliche Nutzflächen oder Bauland freigegeben werden. Die Rekultivierung einer ausgeförderten Tagebauregion – links während des Förderbetriebs, rechts nach der Rekultivierung (Quelle: RWE, Tagebau Garzweiler (NordrheinWestfalen), historischer Ortskern von Kaster) 48 WERTVOLLE ERDE Sind die Lagerstätten in einem Tagebau erschöpft, müssen die offenen Bergwerke in Deutschland zu naturnahen Lebensräumen für Lebewesen und Pflanzen rekultiviert werden. Da Abraumhalden zumeist für die Landwirtschaft nicht mehr genutzt werden können, werden hier Wälder, Busch- und Grasflächen angelegt. Tagebaulöcher, die nicht wieder verfüllt werden können, werden mit Wasser geflutet, so dass eine Seenlandschaft entsteht. Flächen, die mit dem Abraum aufgeschüttet Die Rekultivierung von ausgeförderten Tagebauregionen ist ein wichtiger Bestandteil der Rohstoffpolitik in Deutschland. So sind zum Beispiel in den Jahren 1993 bis 2003 rund 9 Milliarden Euro in die Rekultivierung der Tagebaulandschaften in Ostdeutschland investiert worden. SUCHEN, FINDEN, FÖRDERN UND AUFBEREITEN VON ROHSTOFFEN WERTVOLLE ERDE 49 ROHSTOFFE RESSOURCEN RESERVEN VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN Vorrat an geologischen Rohstoffen Reserven sind diejenigen Vorräte, die mit vorhandener Technologie wirtschaftlich abgebaut werden können. Ressourcen schließen auch Vorräte ein, die möglicherweise zukünftig rentabel gewonnen werden können. 50 WERTVOLLE ERDE Rohstoffe sind unbearbeitete, in der Natur vorkommende Stoffe, die abgebaut, gefördert und weiterverarbeitet werden. Mit dem Begriff »Reserve« beschreibt man, wie viel von dem jeweiligen Rohstoff noch vorhanden und mit verfügbaren Methoden wirtschaftlich abbaubar ist. Unter einer »Ressource« versteht man stattdessen die größtmögliche zur Verfügung stehende Menge eines Rohstoffes. Oftmals wird Ressource auch mit der Elementhäufigkeit gleichgesetzt. Angaben von Ressourcen und Reserven für einen bestimmten Rohstoff können oftmals erheblich voneinander abweichen, da Berechnungen von Ressourcen auch Vorräte einschließen, die mit heutiger Technik (noch) nicht gefördert werden können. Ressourcen und Reserven sind keine konstanten, festen Größen, sondern unterliegen immer wieder Neubewertungen. Werden neue Vorkommen gefunden, effizientere Fördertechniken entwickelt oder bisher ungenutzte Lagerstätten durch Preisänderungen wirtschaftlich rentabel, ändert sich auch die Menge an Reserven. Außerdem ändern sich diese Werte, wenn der tatsächliche Verbrauch die Annahmen erheblich übersteigt. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 51 Rohstoffsituation in Deutschland Eisen Weitere Erze Salze Gold, Silber Braunkohle Steinkohle Erdgas Erdöl Karte der Verteilung der wichtigsten Rohstofflagerstätten in Deutschland (nach: BGR, DERA) 52 WERTVOLLE ERDE Zwar gilt Deutschland als rohstoffarmes Land, dennoch verfügt es über relativ große Vorkommen an Braunkohle, Kaliund Steinsalz sowie über Steine und Erden für die Bauindustrie. Aber selbst Erdöl und –gas werden in Deutschland gefördert. Die Vorkommen liegen hauptsächlich in Norddeutschland und in der Nordsee. Viele geologische Rohstoffe sind heute nicht mehr oberflächennah zu finden, sondern müssen aufwendig aus großen Tiefen gefördert werden. Ob eine Lagerstätte erschlossen und abgebaut werden soll, hängt allein von der Wirtschaftlichkeit ab. In diese Größe gehen die Vorratsmenge, der Durchschnittsgehalt des Erzes, der Aufwand der Erschließung und Förderung des Rohstoffes sowie die Aufbereitungs- und Transportkosten ein. Auch Kosten für Umweltschutzauflagen, wie der Grundwasserschutz und anschließende Rekultivierung, werden mit einbezogen. Aus diesem Grund spielt derzeitig der Erzabbau in Deutschland kaum mehr eine Rolle, allerdings könnten steigende Rohstoffpreise dazu führen, dass auch hierzulande einige Bergwerke wieder geöffnet werden. Wichtige Erzvorkommen befinden sich im Harz, im Sauerland, im Erzgebirge, im Thüringer Wald, im Schwarzwald und im Bayerischen Wald sowie im Lahn-DillGebiet in Hessen und im Siegerland in Südwestfalen. Wie in den meisten Bergwerken wurde der Erzabbau beispielsweise am Rammelsberg (bei Goslar im Harz) nach über tausend Jahren des Bergbaus im Jahr 1988 eingestellt. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 53 Fördermengen heimischer Rohstoffe Eine Band-Sammelanlage im Braunkohlerevier Hambach (Nordrhein-Westfalen): An den Sammelstellen kommen Förderbänder der verschiedenen, in einem Revier eingesetzten Schaufelradbagger zusammen. Das geförderte Material wird hier auf Güterzüge verteilt und zur Weiterverarbeitung abtransportiert. (Quelle: RWE Power) 54 WERTVOLLE ERDE In Deutschland wurden im Jahr 2010 fast 170 Millionen Tonnen Braunkohle gefördert, die zu 90 % in Kraftwerken zur Stromerzeugung eingesetzt wurde. Die deutsche Steinkohleförderung deckt hingegen nur noch weniger als ein Viertel des Bedarfs. Da die Einfuhr der Steinkohle preiswerter ist als die heimische Förderung, sind inzwischen viele Bergwerke im Ruhrgebiet und Saarland geschlossen oder schließen in den nächsten Jahren. Die deutschen Erdölreserven werden mit etwa 36 Millionen Tonnen und die Erdgasvorräte mit 146 Milliarden Kubikmetern beziffert. Da allein der jährliche Erdgasverbrauch in Deutschland bei rund 100 Milliarden Kubikmetern, der Erdölbedarf bei 109 Millionen Tonnen liegt, müssen beide Rohstoffe in großen Mengen importiert werden. Metallische Rohstoffe werden in unserem Land kaum noch gefördert. Allerdings könnte sich der Abbau wieder lohnen, wenn die Rohstoffpreise weiter steigen. Steine und Erden werden in Deutschland genauso wie Salz in großen Mengen gefördert und sogar exportiert. So wurden im Jahr 2010 über 3 Millionen Tonnen Kaliund fast 20 Millionen Tonnen Steinsalz abgebaut. Kein anderes Land der EU fördert derzeit mehr. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 55 Urangewinnung in Deutschland Das Bild zeigt zwei Erzgänge aus dem Erzgebirge in denen Uran vorkommt: (links) Gang mit Quarz, Kalzit und violetten Fluorit sowie (rechts) Karbonat (kalziumreiches Gestein) und Goethit (eisenreiches Mineral). Die Gänge sind über 100 Mio. Jahre alt. (Quelle: Geomartin) 56 WERTVOLLE ERDE Pechblende aus dem sächsischen Erzgebirge: aus diesem Gestein kann Uran gewonnen werden. (Quelle: Geomartin) Das radioaktive Uran kommt in der Natur beispielsweise als Pechblende vor. Es wird heute in hochangereicherter Form in Brennstäben zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken benötigt. Bereits im 19. Jahrhundert wurde Uran in einigen erzgebirgischen Gruben als Nebenprodukt für die Farbenherstellung gewonnen. In Joachimsthal erreichte der Abbau frühzeitig industrielle Ausmaße. Die beiden französischen Nobelpreisträger Marie und Pierre Curie nutzten große Mengen von Auf- bereitungsrückständen aus Joachimsthal für ihre Entdeckung der beiden radioaktiven Elemente Polonium und Radium. Neben der Radiumgewinnung zur Farbenherstellung wurden radioaktive Wässer aus den Gruben zum Aufbau eines bis heute andauernden Kurbetriebes genutzt. Nach dem 2. Weltkrieg wurde in Ostdeutschland Uran industriell abgebaut. Bis 1990 gewann man über 230.000 Tonnen Uran, das in aufbereiteter Form hauptsächlich in der sowjetischen Atomindustrie verwendet wurde. Ungenutzte Vorkommen gibt es auch im Bayerischen Wald und im Schwarzwald. Sie wurden aber nur versuchsweise und nie im industriellen Maßstab abgebaut. Australien, Kanada und Russland sind heute die größten Förderländer für Uran. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 57 Einfuhr von Rohstoffen Kupfer Eisen Mangan Seltene Erden Erdöl Erdgas Steinkohle Nickel Zinn Wolfram Zink Niob 58 WERTVOLLE ERDE Diese Karte zeigt die Hauptlieferanten ausgewählter Rohstoffe. (nach: DERA) Damit der enorme Energie- und Kraftstoffbedarf Deutschlands gedeckt werden kann, wurden im Jahr 2010 über 93 Millionen Tonnen Mineralöl zumeist aus Russland, aber auch aus Großbritannien und Norwegen eingeführt. Darüber hinaus wurden mehr als 3,7 Terajoule Erdgas überwiegend aus Russland, Norwegen und den Niederlanden importiert. Neben den Energierohstoffen muss Deutschland auch Erze, Seltene Erden und sogenannte Eisen- und Stahlveredler wie Chrom und Mangan einführen. Weitere wichtige Einfuhrmetalle sind Kupfer, Aluminium, Blei, Zink und Zinn. Fast eine Million Tonnen Kupfer werden jährlich zumeist aus Südamerika nach Deutschland eingeführt. Hinzu kommt ein erheblicher Nettoimport von Elektroschrott, aus dem das Kupfer zurückgewonnen wird. Darüber hinaus werden insgesamt mehr als 2,9 Millionen Tonnen Aluminiumerze eingeführt sowie mehrere hunderttausend Tonnen Blei, Zink und Zinn. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 59 Verbrauch von Rohstoffen In Deutschland werden die meisten geologischen Rohstoffe in der Baustoffindustrie verwendet. Hier gezeigt ist ein so genannter Trockenschnitt mit Schaufelradbaggern, wie er in Kiesgruben in ganz Deutschland eingesetzt wird (hier Kieswerk Ottendorf-Okrilla GmbH). (Quelle: F. Vollmer, TU Dresden) 60 WERTVOLLE ERDE Sande, Kiese sowie verschiedene Natursteine sind diejenigen Rohstoffe, die am meisten benötigt und abgebaut werden. Sie finden Verwendung beim Bau von Straßen, Tunneln, Brücken, Gleis- und Hafenanlagen sowie Gebäuden. Sie werden außerdem für die Zement-, Ziegelund Keramikindustrie benötigt. Darüber hinaus werden energietragende Rohstoffe wie Steinund Braunkohle sowie Mineralöl und Erdgas in großen Mengen verbraucht. Statistiken der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe belegen für Deutschland einen Rohstoffbedarf von insgesamt über 800 Tonnen pro Kopf im Laufe eines im Durchschnitt 78 Jahre dauernden Lebens. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 61 Rohstoffverknappung und Versorgungsengpässe Lagerhalden wie diese Kohleberge dienen nicht nur dazu, den reibungslosen Produktionsprozess zu gewährleisten – sie dienen auch der Vorratshaltung. (Quelle: ThyssenKrupp) 62 WERTVOLLE ERDE Aus wirtschaftlichen Gründen reduzierten viele Industrienationen die heimische Erzgewinnung erheblich oder stellten sie sogar völlig ein, da die Gewinnung und Aufbereitung von Erzen aufwendig und teuer ist. Viele metallische Rohstoffe kommen heute aus China. Aufgrund von Lieferengpässen und enormen Preissteigerungen planen Länder wie Australien, Kanada und die USA, ihre eigenen Lagerstätten neu zu erschließen. Auch in Deutschland, vor allem in Sachsen, wird wieder gezielt nach Seltenen Erden gesucht.Diese Metalle werden insbesondere in der Hochtechnologieindustrie gebraucht. ROHSTOFFE, RESSOURCEN, RESERVEN, VERBRAUCH UND FÖRDERMENGEN WERTVOLLE ERDE 63 Die Dresdner Frauenkirche ist aus sächsischem Sandstein erbaut, der aus verschiedenen Steinbrüchen des Elbsandsteingebirges gewonnen wurde. Beispielsweise aus Rathen und Bad Schandau wurde das Gestein mit dem Schiff auf der Elbe nach Dresden transportiert. (Quelle: S Hagebusch, fotolia) Aus Ton oder auch Lehm wurden schon seit frühster Menschheitsgeschichte Ziegel gebrannt. Auch das Holstentor der Hansestadt Lübeck ist aus Ziegelsteinen gemauert. Der Ton wurde aus nahegelegenen Tongruben gewonnen. Das Dach des Tores hingegen ist mit Schiefer gedeckt, der aus der Eifel stammt. (Quelle: kameraauge, fotolia) 64 WERTVOLLE ERDE BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Baustoffe, Glasund Keramikindustrie Geologische Rohstoffe sind für unseren Alltag sichtbar geworden und haben enorme Bedeutung für die verschiedenen Bereiche unseres Lebens. Mobilität und Energiegewinnung sind wohl die bekanntesten Anwendungsgebiete, aber auch der Haus- und Straßenbau, Gebrauchsgegenstände im Haushalt sowie die verschiedenen Produkte der Unterhaltungselektronik wären ohne geologische Rohstoffe undenkbar. BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Für den Bau von Gebäuden, Brücken und Straßen werden zum Beispiel Steine, Zement, Ziegel und Asphalt benötigt. Feldspat, Tonminerale und Silikate sind beispielsweise für die Glas- und Keramikindustrie unverzichtbar. Alle diese Materialien werden in der Natur abgebaut und wachsen nicht nach. WERTVOLLE ERDE 65 Auch Bauschutt wird aufbereitet und wiederverwertet, allerdings muss dieser zunächst zerkleinert werden. (Bildquelle: Kleemann GmbH) In Umspannwerken wird der große Rohstoffbedarf für die Energiegewinnung deutlich: Isolatoren aus Keramikprodukten, Leitungen aus besonderen Kupferlegierungen oder die Infrastuktur aus Stahl und Beton. (Quelle: A. Teich/ 50Hertz) 66 WERTVOLLE ERDE Energiegewinnung Für jede Art der Energieerzeugung, auch bei regenerativer Energie, sind geologische Rohstoffe notwendig. So werden fossile Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle in Kraftwerken oder als Treibstoff genutzt. Aus radioaktivem Material, wie Uran oder Plutonium, erzeugen Atomkraftwerke Strom. BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Seltene Erden und Kupfer werden in großen Mengen für die Herstellung von Windkrafträdern benötigt. Silizium ist der wesentliche Bestandteil von Solarzellen und um den Strom überhaupt transportieren zu können, werden für Strommasten und Leitungen Stahl und Kupfer verwendet. WERTVOLLE ERDE 67 Elektroindustrie, Fahrzeug- und Maschinenbau Moderne Fahrzeuge bestehen zu rund 60 % aus Aluminium, 30 % Stahl und zu circa 10 % aus anderen Rohstoffen. (Quelle: Stefan Warter/Audi AG) 68 WERTVOLLE ERDE Metall, Halbmetall, Nichtmetall, Leiter, Halbleiter, Nichtleiter, magnetisch, korrosions- und temperaturbeständig sind nur einige Beispiele für Materialien und Eigenschaften von geologischen Rohstoffen, die für die Verwendung in der Industrie von enormer Bedeutung sind. Diese sehr unterschiedlichen Eigenschaften beeinflussen die verschiedenen Funktionen und Leistungen von Bauteilen beispielsweise in der Elektrotechnik. BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Für den Fahrzeug- und Maschinenbau spielt Stahl eine ganz wichtige Rolle. Natürlich gibt es unterschiedliche Verfahren und Qualitäten, aber immer ist Eisenerz der wichtigste Grundstoff, der durch Zugabe verschiedener Elemente - die Stahlveredler - ganz unterschiedliche Materialeigenschaften bekommt. So wird Chrom zugegeben, um die Härte und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, Wolfram verbessert die Hitzebeständigkeit und die Zugabe von Niob und Vanadium steigert die mechanische Widerstandsfähigkeit des Stahls. WERTVOLLE ERDE 69 Zehn der insgesamt siebzehn Elemente der Seltenen Erden-Gruppe (Quelle: Seltenerdmetalle24) 70 WERTVOLLE ERDE Dysprosium, Holmium, Erbium, Yttrium, Praseodym, Lutetium, Lanthan, Neodym, Terbium, Scandium (v. li. n. re.) Besondere Bedeutung der Seltenen Erden Metalle der Seltenen Erden wurden zunächst nur in selten vorkommenden Mineralen gefunden, woher auch ihr Name stammt. Sie sind zwar nicht selten, kommen aber nur in so geringen Konzentrationen als Beimischungen vor, dass sich der Abbau oftmals wirtschaftlich nicht lohnt. Dennoch sind die Seltenen Erden heute in vielen Industriezweigen äußerst wichtig. Beispielsweise ist die dauerhafte Magnetisierung von Eisen besonders stark, wenn Seltene Erden wie Neodym und Praseodym zugegeben werden. Solche Permanentmagnete kommen in Windkrafträdern und BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Elektromotoren, aber auch in leistungsfähigen Lautsprechern und Mikrofonen zum Einsatz. Darüber hinaus werden Seltene Erden in Plasma- und LCD-Bildschirmen, in der Glas- und Keramikindustrie sowie in Hybridautos und Abgaskatalysatoren verarbeitet. Seltene Erdmetalle stammen heute überwiegend aus China und der Mongolei, aber auch in Sachsen gibt es Vorkommen, deren Abbau sich bei steigenden Preisen lohnen könnte. WERTVOLLE ERDE 71 Kosmetik, Keramik, Farben und Düngemittel Mineralpulver ist das Ausgangsmaterial für viele Farbstoffe. Schwefel, Blei, Kupfer oder auch Titan werden beispielsweise für die Herstellung von Farben eingesetzt. (Quelle: Eve Organics) 72 WERTVOLLE ERDE Kieselerde und Kalzit werden in Zahnpasta, Cremes und als Schleifmittel für die Haut verwendet. Das Mineral Glimmer sorgt, wie der Name sagt, in Cremes und Makeup für Schimmer- und Glanzeffekte. Auch Rohöl ist häufiger Bestandteil von Cremes, Lotionen, Ölen und Wachsen. Abgesehen von Bleistift und Kreide werden geologische Rohstoffe für die Färbung von Stiften und Farben benötigt. BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN Zinnober und Eisenoxid färben rot, Azurit und Kobalt blau und Titanverbindungen braucht man für die Herstellung von weißer Farbe. WERTVOLLE ERDE 73 Bevor der eigentliche Recyclingprozess starten kann, ist viel Handarbeit gefragt. Akkus und Kunststoffgehäuse, aber auch Glas werden von metallischen Bauteilen getrennt und separat aufbereitet und verwertet. (Quelle: Telekom) In großtechnischen Recyclinganlagen werden anschließend die Elektroaltgeräte vollautomatisch zerkleinert und Rohstoffe voneinander getrennt. (Quelle: Telekom) 74 WERTVOLLE ERDE Recycling und Wiederverwertung Geologische Rohstoffe werden nach Gebrauch zunehmend in den Kreislauf zurückgeführt und wiederverarbeitet. Hierzu zählen nicht nur Plastik, Glas und Bauschutt, sondern inzwischen auch Elektroschrott, aus dem metallische Rohstoffe vergleichsweise einfach zurückgewonnen werden können. Viele andere geologische Rohstoffe sind allerdings erheblich schwieriger oder gar nicht rückgewinnbar, da sie durch Produktions- und Weiterverarbeitungsprozesse zum Teil erheblich BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN verändert worden sind und sich dies nicht durch Schmelzen oder chemische Trennung rückgängig machen lässt. Dennoch werden ständig neue Verfahren entwickelt, um die ganz unterschiedlichen Elemente und Minerale wieder zurückzugewinnen. Selbst bei den Seltenen Erden gibt es Ansätze der Rückgewinnung aus Leuchtstoffröhren. WERTVOLLE ERDE 75 Durch das Recycling z. B. von Elektroschrott werden wertvolle Rohstoffe wie Kupfer oder andere Metalle wieder für neue Technikprodukte brauchbar. Ein wichtiger Schritt im Recyclingprozess ist die magnetische Separierung von Metallen - hier Kupfer. (Quelle: Alba Group) Schließlich werden die metallischen Komponenten als wertvolle Rohstoffe in die Produktion neuer Geräte zurückgeführt. Rohstoffe, die aus dem Recycling gewonnen werden, nennt man Sekundärrohstoffe. Sie werden in Barren gegossen oder als Folie gewalzt und können dann wieder verwertet werden. (Quelle: ThyssenKrupp) 76 WERTVOLLE ERDE Rückgewinnung metallischer Rohstoffe Der Recyclingprozess für Metalle aus Elektrogeräten erfolgt in ähnlicher Weise wie die ursprüngliche Aufbereitung der Erze. Zunächst einmal werden Glas, Kunststoffgehäuse, Akkus und Platinen soweit möglich voneinander getrennt. In einem weiteren Arbeitsschritt werden die Komponenten geschreddert. Danach werden metallische Bestandteile mit Magneten aussortiert. In weiteren Schritten lassen sich Aluminium, Kunststoffe und Platinen, die nicht-magnetische Metalle enthalten, voneinander BEDEUTUNG UND NUTZUNG VON ROHSTOFFEN trennen. Letztere werden in einem Ofen unter Zugabe von Sauerstoff geschmolzen. So reagieren beispielsweise Blei und Zink im flüssigen Zustand relativ schnell mit dem Sauerstoff und können abgetrennt und zu Barren gegossen werden. Die restliche Schmelze wird ebenfalls in Formen gegossen. Die darin enthaltenen Metalle können nacheinander durch weitere chemische, thermische und elektrolytische Verfahren voneinander getrennt werden. So lassen sich Kupfer, Silber, Platin, Nickel und auch Gold rückgewinnen. Da sie ihre ursprünglichen Eigenschaften nicht verloren haben, können sie wie der ursprüngliche Primärrohstoff verwendet werden. WERTVOLLE ERDE 77 GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Solarthermische Kraftwerke können beispielsweise Energie erzeugen. Dabei wird über Sonnenspiegel Wasser in Dampf umgewandelt, der eine Turbine antreibt. Doch um die Effizienz solcher Anlagen möglichst hoch zu halten, bestehen besondere Anforderungen an das Material. So müssen die Spiegel zum Beispiel allen Wettereinflüssen standhalten, dürfen sich nicht bei Temperaturschwankungen verziehen und müssen die unter Umständen entstehenden enormen Temperaturen aushalten. Das Bild zeigt die solarthermische Anlage Nevada Solar One bei Boulder City in Colorado. (Qelle: Siemens) 78 WERTVOLLE ERDE Energie ist die Triebkraft der modernen Gesellschaft. Ohne Wasserkraft hätten unsere Vorfahren kein Getreide mahlen, ohne Feuer nicht kochen können, aber erst durch die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung wurde die Industrialisierung möglich. Zwar werden auch heute noch Öl, Gas, Uran und Kohle für die Energieerzeugung genutzt, aber in zunehmendem Maße kommen auch GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Alternativen dazu in Betracht, wie die Wind- und Sonnenenergie. Auch Wasserkraft und geothermische Energie gewinnen zunehmend an Bedeutung. WERTVOLLE ERDE 79 Geothermie Das größte Geothermalkraftwerk Islands wandelt bei einer derzeitigen Bruttoleistung von 120 Megawatt Erdwärme in elektrische Energie um. (Quelle: G. Ivarsson) 80 WERTVOLLE ERDE Als Geothermie wird die Nutzung der Erdwärme bezeichnet, die in der obersten Erdkruste gespeichert ist. Dabei gibt es unzählige Verfahren und Methoden, um diese Wärme brauchbar zu machen. Zwei Grundprinzipien lassen sich unterschieden: die Wärme aus dem Untergrund wird in Wärmepumpen direkt genutzt, um beispielsweise Gebäude oder Schwimmbäder zu heizen oder sie wird zur Erzeugung von Strom eingesetzt. GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Mit Hilfe jener geophysikalischen Verfahren, mit denen man Rohstoffvorkommen im Untergrund sucht, lassen sich auch Zonen erhöhter Wärme in der Erdkruste identifizieren. Sie kommen später möglicherweise als Standorte für Geothermiekraftwerke in Betracht. Viele Häuser werden bereits mit Erdwärme beheizt. Für die industrielle Nutzung sind allerdings die geothermischen Lagerstätten in Deutschland oftmals nicht warm genug. Im Oberrheingraben und der Region um Urach, südlich von Stuttgart, ist etwa 100 Grad Celsius warmes Wasser in einer Tiefe von knapp 1.000 Metern zu finden. In anderen Regionen der Welt wird geothermische Energie schon lange intensiv genutzt. In Island wird beispielsweise aus Erdwärme Strom erzeugt, wo bereits heute schon ein Fünftel des Stroms in Geothermiekraftwerken produziert wird. WERTVOLLE ERDE 81 Gasspeicher Die Erdgasspeicher in Deutschland. Um einen solchen Speicher einrichten zu können, sind bestimmte geologische Bedingungen zu erfüllen. So muss ein geeignetes Speichergestein in einer wirtschaftlich zu erreichenden Tiefe liegen und von einem für das Erdgas undurchlässigen Deckgestein überdeckt werden. Daher ist der Betrieb von Erdgasspeichern nicht in allen Regionen Deutschlands möglich. (nach: LBEG, 2012) Wichtige Erdgasspeicher 82 WERTVOLLE ERDE Der größte Teil des in Deutschland benötigten Erdgases wird importiert und dann gelagert. Dazu gibt es zurzeit 47 Speicher mit einem Gesamtvolumen von etwa 21 Milliarden Kubikmetern. Es gibt in unserem Land zwei Typen von unterirdischen Gasspeichern: Bei Porenspeichern handelt es sich um ausgebeutete Erdgaslagerstätten in porösen Sandsteinen. Kavernenspeicher sind natürliche oder künstliche Hohlräume beispielsweise in Salzvorkommen. Die Porenspeicher dienen vor allem dem saisonalen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage. Kavernenspeicher können hingegen schnell genutzt werden. GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Sie sind deshalb in der Lage tageszeitliche Schwankungen zu puffern. Für die Einlagerung von Erdgas in einem Untertagespeicher wird das Gas zunächst komprimiert und unter etwa 220 bar Druck in den Speicher gepresst. Wegen dieses Überdrucks ist das Gas bei Bedarf einfach zu fördern. Dabei kühlt das Gas aufgrund des Druckverlustes so stark ab, dass es in der Förderanlage aufgewärmt werden muss. Andernfalls würde das aus dem Speicher mit dem Gas gemeinsam geförderte Tiefenwasser in den Leitungen gefrieren und starke Schäden verursachen. WERTVOLLE ERDE 83 Energiespeicher Grafische Darstellung eines Kavernenspeichers. Eine Kaverne ist ein natürlicher oder aber auch künstlicher Hohlraum, der für die Energiespeicherung genutzt werden kann. Oftmals sind diese Hohlräume in Salzschichten im norddeutschen Raum zu finden. Um Energie einzuspeichern oder zu entnehmen, sind Förder- beziehungsweise Injektionsbohrungen mit der Förderanlage an der Oberfläche verbunden. (Quelle: T. Wolf/ mainova) 84 WERTVOLLE ERDE Erneuerbare Energien wie die Wind- und Solarenergie stehen nicht immer in konstanter und ausreichender Menge zur Verfügung. Deshalb werden Verfahren entwickelt, um das erzeugte Überangebot an Energie zu speichern und bei Bedarf abrufen zu können. In Frage kommen hierfür unter anderem die Druckluft- oder die Wasserstoffspeicherung im Untergrund. Bei Druckluftspeichern wird zunächst die überschüssig produzierte Energie genutzt, um Luft unter hohem Druck in einen Untertagespeicher zu pressen. Wird wieder Energie benötigt, wird die Druckluft über Turbinen GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES geleitet und erzeugt Strom. Oft werden heute Druckluftmit Wärmespeichern kombiniert. Bei Wasserstoffspeichern wird mit Hilfe der überschüssigen Energie Wasser in einem sogenannten Elektrolyseur in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff wird dann im Untertagespeicher gelagert. Wird Strom benötigt, kann der Wasserstoff dann in einer Brennstoffzelle wieder zu Energie umgewandelt werden. Eine andere Möglichkeit der Energiespeicherung bieten Pumpspeicherwerke. Hier wird in Zeiten hoher Energieproduktion bei geringem Verbrauch Wasser aus tiefer liegenden Speicherbecken in höher gelegene Speicherbecken gepumpt. Wird die Energie später benötigt, um beispielsweise Verbrauchsspitzen auszugleichen, wird das Wasser aus dem höher gelegenen See über Turbinen wieder nach unten geleitet. Insgesamt gibt es in Deutschland eine Pumpspeicherkapazität von etwa 7.000 Megawatt. WERTVOLLE ERDE 85 Unkonventionelles Gas Die weltweite Verteilung von Erdgasreserven in herkömmlichen Lagerstätten (hellgrau) und in unkonventionellen Lagerstätten (dunkelgrau). Die Mengenangaben beziehen sich auf Billionen Kubikmeter. (nach: Deutsche Welle/BGR 2009, Hannover) 86 WERTVOLLE ERDE Die Bezeichnung »unkonventionelles Gas« bezieht sich auf das Speichergestein, in dem Erdgas vorkommt. Konventionelles Erdgas ist zumeist in Porenräumen von Sandsteinen eingeschlossen. Unkonventionelles Gas ist hingegen in Kohleflözen, in dichten Gesteinsschichten oder aber auch in Schiefergesteinen eingelagert und kann deshalb nicht mit herkömmlichen Methoden gefördert werden. Um dieses Gas fördern zu können, müssen zunächst Wegsamkeiten, wie GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Risse und Klüfte, innerhalb der Gesteinskörper im Untergrund, geschaffen werden. Insbesondere in den USA wird zunehmend unkonventionelles Gas gefördert. In Deutschland werden diese Gasvorkommen auf eine Menge von ungefähr 200 Milliarden Kubikmeter geschätzt. WERTVOLLE ERDE 87 Diese Aufnahme zeigt die unterschiedlichen Reflektionen von Infrarotstrahlung an der Mondoberfläche. Die Strahlung selbst stammt von der Sonne. Blaue Bereiche weisen wasserreiche Minerale aus (Hydroxide), rote Bereiche zeigen eisenreiche Minerale. Die Daten wurden vom Moon Mineralogy Mapper an Bord der Raumsonde Chandrayaan-1 gesammelt. (Quelle: NASA/JPL) Rohstoffe aus dem All Steigende Preise und die wachsende Nachfrage nach Rohstoffen rücken auch bisher für unmöglich gehaltene Projekte in das Blickfeld von Investoren. So wird seit einigen Jahren über die Möglichkeit der Rohstoffgewinnung auf dem Mond nachgedacht. Abgesehen von rechtlichen Fragen ist die Entwicklung entsprechender Technologien eine interessante Aufgabe für Ingenieure, Wirtschafts- und Naturwissenschaftler. Mondgestein enthält beispielsweise hohe Konzentrationen an Titan, 88 WERTVOLLE ERDE GEOENERGIE UND NUTZUNG DES UNTERGRUNDES Platin, Aluminium oder Helium-3, wobei Letzteres für die Energieerzeugung von Interesse sein könnte. Zudem hat die amerikanische Weltraumbehörde Indizien für Vorkommen der Metalle der Seltenen Erden auf dem Mond gefunden. WERTVOLLE ERDE 89 Lexikon Abraum Gestein ohne nennenswerte Erzgehalte, welches im Tage- und Bergbau anfällt und auf einer Halde deponiert wird. Anthrazit Mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 % ist Anthrazit eine sehr hochwertige Kohle. Anthrazit ist sehr hart und hat einen hohen Energiege- halt und dient deshalb als Brennstoff. Azurit Ein Mineral mit hohem Kupferanteil, das als Pulver zur Herstellung blauer Farbtöne genutzt wird. Bastnäsit Ein Mineral, das sich aus einer Vielzahl von Elementen der Seltenen Erden zusammensetzt. Wichtigste Bestandteile des Bastnäsit-Minerals sind Cer und Lanthan sowie Neodym. Bastnäsit kommt vor allem in China, den USA und auf Madagaskar vor. Bergbau Aufsuchung, Erschließung, Gewinnung und die Aufbereitung von Bodenschätzen aus der oberen Erdkruste. BergmannBerufsbezeichnungen für jemanden, der in einem Bergwerk Rohstoffe fördert. BergwerkBauwerk, das zur Gewinnung von Rohstoffen aus unteririschen Gängen und Schächten besteht. Chromit Auch Chromeisenerz; hat einen Chrom-Gehalt von über 45 %. Chrom ist ein Metall und wird zusammen mit Nickel für die Härtung von Stahl verwendet. 90 WERTVOLLE ERDE WERTVOLLE ERDE 91 Claim Begriff aus dem Englischen, der einen Grundbesitz beschreibt, auf dem der Eigentümer bis in eine im Vertrag definierte Tiefe das Recht zur Förderung von Rohstoffen besitzt. DiageneseVerfestigung von Lockergestein Erz Metallhaltiges Gestein Exploration Die Erschließung von Lagerstätten und Vorkommen geologischer Rohstoffe, bei der die Abbauwürdigkeit einer Lagerstätte auf Basis geowissenschaftlicher Untersuchungen bewertet wird. FaulschlammAbgestorbenes, organisches Material, das unter Abschluss von Sauer- stoff meist in Seen oder in der Tiefsee biochemisch zersetzt wird. 92 Flotation Ein Verfahren, das im Bergbau als Aufbereitungsverfahren eingesetzt wird, um Erze und Gangart voneinander zu trennen. Gangart Umgebungsgestein beispielsweise von Erzkörpern, das zunächst mitgefördert, aber durch geeignete Aufbereitungsverfahren vom Erz abgetrennt werden muss. Graphit Mineral mit einem hohen Kohlenstoffanteil Gravimetrie Der Begriff bezeichnet die Methoden, mit denen das lokale Schwerefeld der Erde vermessen wird. Mit Hilfe gravimetrischer Methoden lassen sich Schwere-/Dichteunterschiede in der Erdkruste lokalisieren und somit auch Rohstoffvorkommen aufspüren. WERTVOLLE ERDE Indium Indium ist ein Schwermetall und wird in Flachbildschirmen und Touch- screens als elektrischer Leiter verwendet. Kalzit Kalzit ist ein Mineral und gehört zu den Karbonaten. Lebewesen nutzen Kalzit zum Aufbau von Skeletten und Schalen. Kalkstein besteht zum Beispiel zu einem hohen Anteil aus Kalzit (z. B. Kreidefelsen von Rügen oder Dover). KieselerdeSiliziumhaltige Minerale und Sedimente Kobalt Übergangsmetall. Kobalt wird überwiegend zur Blau-Färbung von Glas und Keramik genutzt. Abgebaut wird Kobalt überwiegend in der Demokratischen Republik Kongo. LagerstätteRohstoffvorkommen bei dem aus wirtschaftlichen Gründen der Abbau des jeweiligen Stoffes lohnt. Lanthan Übergangsmetall. Lanthan wird in Brennstoffzellen und Wasserstoffspei- chern eingesetzt, aber auch zur Herstellung silikatfreier Gläser genutzt. Laugung Chemisch oder biochemischer Prozess, bei dem metallische Rohstoffe aus Erzen mit Hilfe von Säuren oder Mikroorganismen ausgelöst und für die industrielle Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Mangan Übergangsmetall. Mangan wird zur Härtung von Stahl verwendet. Methan Farb- und geruchsloses, leicht brennbares Gas, Hauptbestandteil von Erdgas. WERTVOLLE ERDE 93 MolybdänÜbergangsmetall. Molybdän wird zur Produktion hochfester Werkstoffe als Beimischung eingesetzt. In der Ölverarbeitung wird er als Katalysator zur Schwefelentfernung verwendet. Monazit Mineral, in welchem die Metalle der Seltenen Erden angereichert sind (vgl. Bastnäsit). Niob Übergangsmetall. Niob wird als Beimischung zur Produktion hochfester Stahlprodukte verwendet. Nuggets Auf natürliche Art entstandene Gold- und Platinklumpen, die Ende des 19. Jahrhunderts häufig entlang von Flussläufen in Nordamerika gefunden wurden. im Untergrund, die meist in Form eines Pilzes oder eines halbkugelförmi- gen Doms ausgebildet ist. Selen Halbmetall. Selen wird aufgrund von optimalen lichtelektrischen Eigen- schaften in Druckern und Kopierern, aber auch bei Solarzellen verwendet Stollen Waagerechter Gang in der Erdkruste aus dem ein Rohstoff gefördert wird. Tagebau Der Abbau von Rohstoffen an der Erdoberfläche Pluton Gesteinskörper vulkanischen Ursprungs (Magma), der in der Erdkruste auskristallisiert (erstarrt) ist und nicht durch vulkanische Prozesse an die Oberfläche gelangt ist. Seltene ErdenSeltene Erd-Elemente sind Metalle, die nur in geringen Konzentrationen in Gesteinen vorkommen. Aufkonzentriert sind sie aber in Mineralen wie Bastnäsit und Monazit. Zu den 17 Elementen der Seltenen Erden zählen z. B. Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym. Sie haben besondere spektroskopische Eigenschaften, die sie insbesondere im Hochtechno logiebereich unentbehrlich machen. Prospektion Das Suchen und Erkunden neuer Rohstoffvorkommen mit Hilfe von geophysikalischen und geologischen Methoden. Taubes GesteinGesteinsmaterial, das aus bergmännischer Sicht nicht mehr verwertbar ist. Auch als Abraum bezeichnet. Rekultivierung Die Rückführung einer industriell genutzten Fläche in einen Zustand, wie er annähernd vor der industriellen Nutzung existiert hat. So werden zum Beispiel Tagebauareale wieder zu landwirtschaftlich nutzbaren Flächen rekultiviert. Salzdom 94 WERTVOLLE ERDE Salzstock oder auch Salzdiapir ist eine Ansammlung von festem Steinsalz Tellur Halbmetall. Tellur wird in Legierungen verwendet, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. teufen/ abteufen Begriff aus der Bergmannssprache, der sich aus dem Begriff Teufe, also der Tiefe, ableitet. Bohrungen werden abgeteuft oder auch niedergebracht. WERTVOLLE ERDE 95 Danksagung Thorium Radioaktives, metallisches Element. Titan Übergangsmetall. Titan ist sehr leicht und dabei korrosions- und temperaturbeständig. Als Beimischung in der Stahlproduktion erzeugt es besonders harten, rostbeständigen Spezialstahl. Titan wird vor allem in Australien und Südafrika gefördert. Wir danken den folgenden Firmen, Universitäten, Forschungseinrichtungen und Museen für das Bild- und Probenmaterial sowie für Exponate. ALBA Group plc & Co. KG --- Alfred-Wegener Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven --- Bayerisches Landesamt für Umwelt --- Bosch Rexroth AG --- Bundesan- Uran Radioaktives Metall, welches in Atomkraftwerken zur Energieerzeugung genutzt wird. stalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover --- Deutsche Rohstoffagentur Vanadium Übergangsmetall. Vanadium wird zusammen mit Chrom in hochfesten Werkzeugen und Baustoffen verwendet. Raumfahrt e. V. (DLR) --- DMT GmbH & Co. KG --- Fraunhofer-Institut für Silicatforschung Verhüttung Prozess im industriellen Maßstab, bei dem durch Aufschmelzen von Erzen metallische Rohstoffe gewonnen werden. Zentrum Geesthacht – Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH (HZG) --- Helm- Vorkommen Die Ansammlung eines bestimmten Elementes oder Minerals wird in der Geologie als Vorkommen bezeichnet. Hierbei werden - im Gegensatz zum Begriff Lagerstätte - keine Aussagen zur wirtschaftlichen oder technischen Abbaumöglichkeiten getroffen. Goethe-Universität, Frankfurt am Main --- K+S Aktiengesellschaft --- MARUM – Zentrum für Wirtsgestein Auch Muttergestein; das einen Rohstoff beinhaltende Gestein. Zinnober Auch Cinnabarit; ist ein rotes bis tief schwarzes Mineral, das zur Herstel- lung roter Farben eingesetzt wird. (DERA) --- Deutsches Bergbau-Museum Bochum (DBM) --- Deutsches Zentrum für Luft- und ISC, Würzburg --- GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung, Kiel --- Helmholtzholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) --- Johann Wolfgang Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen --- Museum für Naturkunde Berlin --RAG Deutsche Steinkohle --- RWE Power --- Seltenerdmetalle24 --- SIEMENS AG --- StahlInformations-Zentrum --- Technische Universität Bergakademie Freiberg --- Technische Universität Dresden --- Telekom Deutschland GmbH --- terra mineralia --- ThyssenKrupp AG --- Wintershall Holding GmbH Dem Bundesministerium für Bildung und Forschung danken wir für die finanzielle Unterstützung zur Realisierung der Ausstellung. 96 WERTVOLLE ERDE WERTVOLLE ERDE 97 Ausstellungsteam Leitung und Text Dr. Ute Münch Organisation Simon Schneider Gestaltungsidee, Layout & Umsetzung Corinna Kallich Beratung & Ausstellungsbau freybeuter, Potsdam Lektorat Horst Rademacher, Wissenschaftsjournalist Beratung & weitere Ideen Stefanie Lenz, Phelim Burgess 98 WERTVOLLE ERDE WERTVOLLE ERDE 99 Zahlen und Fakten sind u. a. folgenden Quellen entnommen: Deutsche Rohstoffagentur (Hrsg.) (2011): Deutschland Rohstoffsituation 2010, DERA Rohstoffinformationen, Bundesagentur für Geowissenschaften und Rohstoffe. Evans, A. E. (1992): Erzlagerstättenkunde. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart. GeoZentrum Hannover (Hrsg.) (2005): Rohstoffe, Geostandpunkt. Janzing, B. (2010): Kraft auf Vorrat, Neue Energie Nr. 7. Sedlacek, R. (2009): Untertage-Gasspeicherung in Deutschland. Erdöl Erdgas Kohle 125, Heft 11. WEG Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e. V. (Hrsg.), (2008): Erdgas - Erdöl: Entstehung, Suche, Förderung. Malyutin, R. S. and Sitkovskiy, B. N. (1968): Structural features of the Gyumushlug Lead-Zinc deposit. - Geologiya Rudnykh Mestorozhdeniy, 10, 96-99. Impressum Koordinierungsbüro GEOTECHNOLOGIEN Telegrafenberg, 14473 Potsdam [email protected] www.geotechnologien.de www.wertvolle-erde.de 1. Auflage 2013 Druck: Druckerei Arnold, Großbeeren WERTVOLLE ERDE 100 Die Wanderausstellung »Wertvolle Erde« ist ein Beitrag des Forschungs- und Entwicklungsprammes GEOTECHNOLOGIEN, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert wird. Die Forschungsvorhaben dieses Programmes sollen einen Beitrag leisten, um nachhaltige Konzepte zur Nutzung der Erde und zum Schutz der auf ihr lebenden Menschen zu entwickeln. Die umweltverträgliche Gewinnung, die sparsame Nutzung sowie die Wiederverwertung von geologischen Rohstoffen ist deshalb ein wichtiges Thema, welches verständlich und anschaulich in der Ausstellung aufbereitet worden ist. ISBN 978-3-9808780-7-4
