In dieser Serie veröffentlicht NEROS in loser Folge Wissenswertes zu Rohstoffen und Gesteinen, natürlich immer auch mit einem Bezug zur Schweiz. Die Zusammenstellung der Informationen stammen von Rainer Kündig (Vorstandsmitglied NEROS und Dozent an der ETH Zürich) aus Vorlesungen im Themenbereich angewandte Mineralogie. Sie sind zusammengestellt für NEROS, für das Departement Erdwissenschaften der ETH Zürich und für andere Lehrveranstaltungen und dürfen mit Hinweis auf die NEROS-Webseite und unter Wahrung der allgemeinen Copyrightbestimmungen verwendet werden.

Kobalt

So schön kann Kobalt sein. Das Bild (zum Grössenvergleich mit einem Fünfrappenstück) zeigt einen Karbonatgang mit der rosafarbenen Kobaltblüte (Erythrin) aus dem Bergwerk Kaltenberg im Turtmanntal VS (vergleiche Schlusskapitel in diesem Beitrag). Foto: Roger Widmer.

Kobalt – unverzichtbar in der Elektromobilität

Zu Kobalt erscheinen in den letzten Jahren vermehrt Berichte und Pressemitteilungen. Auslöser dafür sind weniger das Metall und sein geologischer Kontext als vielmehr kritische Reportagen bezüglich seiner Gewinnung in krisengeschüttelten Ländern und zur Rolle dieses Metalls im Zusammenhang mit der sich rasant entwickelnden Elektromobilität. Kobalt ist zur Zeit ein unverzichtbarer Bestandteil in Batterien, insbesondere in den Lithiumionen-Batterien. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2035 für Akkus der Elektrofahrzeuge jährlich gut 120’000 Tonnen Kobalt benötigt werden. Damit würde alleine für diese Anwendungen ungefähr die derzeitige, weltweite Gesamtproduktion von Kobalt benötigt, welche das Cobalt Institute CI, eine in England basierte Nonprofit Organisation von Produzenten, Verbrauchern, Händlern und Wiederverwendern auf 122’000 Tonnen schätzt.

Die nachstehenden Tabellen (links CI Mitglieder, rechts Andere) des Cobalt Institute stammen aus dem Bericht Cobalt News April 2019 (als PDF downloadbar). Interessante Angaben zu Kobaltproduzenten insbesondere in der Demokratischen Republik Kongo finden sich auch in den nachstehend erwähnten Commodity TopNews 53 der deutschen Bundesanstalt für Geowissen und Rohstoffe. Langjährige Statistiken und Informationen werden US Geological Survey (Cobalt: Mineral Commodity Summaries & Yearbook) regelmässig zusammengestellt.

Fast zwei Drittel des globalen Bedarfs von Kobalt, das entspricht einer Menge von 84.400 Tonnen, stammt heute aus Bergwerken der Demokratischen Republik Kongo in Afrika, wo gesamthaft etwa 50% der geologischen Reserven vermutet werden. Wegen der grossen Nachfrage und der grossen Wertschöpfung kommt Kobalt leider vermehrt negativ in die Schlagzeilen. Die deutsche Rohstoffagentur (DERA) der Bundesagentur für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) hat im Mai 2017 zur Situation in der DR Kongo einen fundierten Bericht veröffentlicht (Commodity TopNews 53; Kobalt aus der DR Kongo – Potenziale, Risiken und Bedeutung für den Kobaltmarkt).

Man rechnet gemäss U.S. Geological Survey (2017) weltweit mit Reserven von gut 7 Millionen Tonnen Kobalt, was beim derzeitigen Bedarf rein theoretisch einer statischen Reichweite von etwa 60 Jahren entspricht. Kobalt ist, insbesondere in Afrika, ein lohnendes Geschäft für die oft ausländischen Betreiber der Minen. Verschiedene Organisationen üben zunehmend Kritik an den sozialen Missständen vor Ort und fordern mehr Sorgfaltspflicht von den Abnehmern des begehrten Rohstoffs.

Geschichte des Kobalts

links: Farben prägten die ersten Anwendungen von von Kobalt Bildquelle
rechts: Batterien prägen die heutige Verwendung von Kobalt Bildquelle

Bekannt war das wunderbare Blau des Kobaltoxids bereits vor mehr als 4000 Jahren. Unter den ägyptischen Pharaonen wurde Kobaltoxid gezielt auch zur Färbung von durchsichtigem Glas verwendet, später auch zur Herstellung von Blauporzellan. Erst im Mittelalter begann man die Existenz eines eisenähnlichen Elements zu ahnen. So wurden im 14. Jahrhundert im sächsischen Erzgebirge kobaltartige Mineralien gewonnen, allerdings liess sich damals daraus noch kein nützliches Mineral gewinnen. Beim Rösten, also beim Erhitzen der Erze in Röstöfen (um Schwefel und Arsen zu entfernen), entstanden giftige Arsengase, was dem bösartigen Treiben von Kobolden und Berggeistern zugesprochen wurde. Daher auch der Name Kobalt. In Deutschland entwickelte sich im Zusammenhang mit der Porzellanherstellung ein Art Kobaltkultur, aber auch in Kanada, in Amerika und in Marokko entstanden Zentren zur Blaufarbenherstellung.

Seither haben sich die Anwendungsbereiche von Kobalt rasant entwickelt und markant verändert. Ausgelöst durch Material- und Technologieentwicklungen kam es zu verschiedenen Boom-Perioden, in einer solchen befinden wir uns momentan gerade (Elektromobilität, Batterien). Die nachstehende Chronologie von Produkten und Technologien hält sich zu grossen Teilen an das Werk „Die chemischen Elemente“ von Lucien F. Trueb (2005, Verlag Hirzel).

Bis Anfangs des 20. Jahrhunderts wurde Kobalt hauptsächlich für Farben, Pigmente verwendet.
Ein erster Boom begann 1905, nach der Entdeckung der hervorragenden Eigenschaften von Kobalt-Eisen-Legierungen. Schnelldrehstahl enthält beispielsweise 2.5-10 Prozent Kobalt sowie einige Prozent Chrom, Molybdän, Wolfram und Vanadium und etwa 1 Prozent Kohlenstoff). Auch Kobalt-Chrom-Wolframlegierungen (z.B. für Gelenkprothesen) enthalten einige Prozent Kobalt.
Es folgten diverse, extrem hochtemperaturbeständige Superlegierungen auf der Basis von Kobalt (z.B. für Gasturbinenschaufeln) und die Verwendung von Kobalt als Binder in Hartmetallen.
Da Kobalt auch sehr gute katalytische Eigenschaften aufweist, werden in Erdölraffinerien im grossen Stil Kobaltoxid-Molybdänoxyd-Katalysatoren zur Entschwefelung des Öls verwendet.
Eine zweite, beinahe explosionsartige Verwendung von Kobalt setzte mit der Energiegewinnung und Energiespeicherung ein. Beträchtliche Anteile der weltweiten Kobaltförderung wurden und werden für die Herstellung von Permanentmagneten verwendet. Was 1930 mit der Entwicklung der «Alnico» Werkstoffe (Aluminium, Nickel, Cobalt) begann, wurde seit den 1970er Jahren mit immer besseren Seltenerdmetall-Kobalt-Magneten (Samarium-Kobalt) weitergeführt und zur Marktreife gebracht. Solcher Magnete wurden in der Folge auch für grosse Anwendungen (Turbinengeneratoren, Windturbinen) verwendet und später durch Neodym-Bor-Eisen Magnete abgelöst, wo Kobalt zur Stabilisierung zugegeben wird. In Hochleistungsakkumulatoren – und dazu gehören insbesondere die Lithiumionen Akkus – besteht die positive Elektrode aus Lithium-Kobaltoxid (die negative Elektrode aus Graphit).
Mit der rasanten Entwicklung mobiler Kommunikationsgeräte und insbesondere mit der enormen Entwicklung der Elektromobilität erlebt Kobalt derzeit einen dritten Boom.

Noch etwas IT-Nostalgie: Die früher massenweise verwendeten Magnetbänder enthalten etwa 3 Prozent Kobalt und für Floppy-Disks wurde Kobalt jahrzehntelang in grossen Mengen benötigt. Heute ist Kobalt in den modernen Speichermedien weniger stark vertreten.

Geologie/Mineralogie

Mit einer durchschnittlichen Konzentration von 20 Gramm pro Tonne ist Kobalt in der Erdkruste vorhanden – in ultrabasischen Gesteinen stärker angereichert (bis 270 g/t) als in Sandsteinen und Kalken (4-6 g/t). Kobalt ist also kein seltenes Element. Wegen seiner hervorragenden Eigenschaften in Legierungen insbesondere auch für die Rüstungsindustrie, wird es aber häufig als strategisches Metall bezeichnet.

Zur Bildung von Kobalt-Lagerstätten sind verschiedene geologische Anreicherungsprozesse nötig. Zu den wichtigsten gehören:

Bildquelle: Cobalt Institute -> Bericht Cobalt News April 2019 (als PDF downloadbar)

Ein allgemeines Schema mit der Darstellung der wichtigsten Lagertsättentypen mit Bezug auf die verschiedenen Elemente ist nachstehend abgebildet.

Bildquelle: Folie aus Vorlesung Rohstoffe der Erde & WERZ Kurs 2019

Die wichtigsten Minerale/Erze, welche Kobalt in nutzbaren Grössenordnungen enthalten, sind:

Bildquelle: Cobalt Institute -> Bericht Cobalt News April 2019 (als PDF downloadbar)
Bilder und weiterführende Angaben zu den einzelnen Kobaltmineralen finden sich in Wikipedia und im Mineralienatlas.

Weiterführende Angaben zu Geologie, Mineralogie und Lagerstättenkunde finden sich beim U.S. Geological Survey (Professional Paper 1802-F, 2017)
Download via: https://pubs.er.usgs.gov/publication/pp1802F

Vorkommen

Heute wird Kobalt weltweit gesucht aber nur in wenigen Ländern und Minen wirtschaftlich abgebaut (siehe Tabellen 1 und 2). Fast immer wird Kobalt dabei als Nebenprodukt gewonnen. Die wichtigsten Minen befinden sich in der Demokratischen Republik Kongo, in China, Kanada, Australien und Marokko. Kobalt ist fast immer mit Nickel und mit Mineralien der Platingruppe assoziiert, häufig auch mit Kupfer. Man schätzt, dass 61% beim Kupfer-Bergbau und 37% beim Nickel-Bergbau gewonnen werden. Grosse wirtschaftliche Bedeutung erlangten auch, insbesondere in Australien, Kuba und Neukaledonien, lateritische Nickelerze, die immer auch etwas Kobalt enthalten.Nur etwa 2 Prozent des Kobalts werden direkt aus Kobaltmineralen gewonnen, vorwiegend in Marokko (BGR 2017). Die afrikanischen Erze sind besonders beliebt, weil sie sehr wenig Nickel enthalten, womit sich die Aufbereitung vereinfacht.

Nicht zu unterschätzen sind in Zukunft polymetallische Vererzungen in der Tiefsee, wo in Manganknollen Kobaltgehalte von 0.2 bis 2% nachgewiesen wurden.

Bildquelle: U.S. Geological Survey (2017): Professional Paper 1802-F, Critical Mineral Resources ot the United States – Cobalt, Economic and Environmental Geology and Prospects for Future Supply.
Download via: https://pubs.er.usgs.gov/publication/pp1802F
Der gesamte lesenswerte Report 1802 ist via diesen Link downloadbar: https://pubs.er.usgs.gov/publication/pp1802

Batterien (Lithiumionen Batterien)

Kobalt spielt als batterieaktives Material neben Lithium, Seltenen Erden, Grafit, Nickel, Kupfer, Mangan und weiteren Elementen eine bedeutende Rolle bei modernen Batterietypen. Die Informationsplattform „Visual Capitalist” hat dazu unter Annahme einer Veränderung in Richtung 100% elektrobetriebener Fahrzeuge eine interessante Zusammenstellung generiert.

Bildquelle: https://www.visualcapitalist.com/massive-impact-evs-commodities/

Wenn man von Lithiumionen-Batterien spricht, sollte man die Entwicklung der Batterietypen im Auge behalten. Nicht alle dieser Batterietypen benötigen gleich viel Kobalt. Je nachdem, wie sich die Elektromobilität entwickelt, kann das zu grossen Differenzen bezüglich prognostizierter Bedarfszahlen führen. Interessante Ansätze bestehen beispielsweise darin, dass einige grössere Autohersteller (z.B. Renault) nicht mehr primär auf höhere Kapazitäten und grössere Reichweiten, sondern auf den mehrheitlichen Einsatzbereich der Fahrzeuge und ergo auf einen Verzicht von zu grossen und selten genutzten Reichweiten setzen. Bedeutend in diesem Zusammenhang sind auch Entwicklungen ganz anderer Batterietypen, beispielsweise umweltfreundliche und gut rezyklierbare Salzbatterien (Salz, Eisen, Nickel werden als Rohstoffe verwendet; Infos unter Innovenergy.ch). Salzbatterien sind heute zwar weit entwickelt, aber vorwiegend für den stationären Einsatz gemacht (z.B. für Fotovoltaik Anlagen oder Notstromanlagen). Sie brauchen eine gewisse Betriebstemperatur (300 Grad) und liefern keine Spitzenströme sondern konstanten Bandstrom.

Recycling

Aus abgenutzten Hartmetallwerkzeugen und anderem Kobalt-haltigem Schrott wird Kobalt seit längerer Zeit schon zurückgewonnen. Es liegt eigentlich auf der Hand – respektive auf dem Recyclingförderband – Kobalt aus verbauten Bauteilen, insbesondere auch aus Batterien zu einem möglichst grossen Anteil zurück zu gewinnen.

Bedingt durch das komplexe Design der Produkte und durch komplexe Verbindungen ist es gar nicht so einfach, Kobalt zu extrahieren, beispielsweise aus einer Batterie oder aus Legierungen und Kombiwerkstoffen. Es läuft international ein eigentlicher Wettkampf unter spezialisierten Firmen um die Rückgewinnungsanteile zu erhöhen oder alternativ ein „zweites Leben“ für die Batterie zu generieren. Von einzelnen Ländern/Regierungen werden Anreize geboten, um die wegen der schleichenden Wertschöpfung gebremste Innovationsfreudigkeit anzukurbeln (ein lesenswerter Artikel hierzu wurde im Sept. 2018 auf der Bluewin Digital Seite veröffentlicht).

Die belgische Umicore, ein weltweit bedeutendes Unternehmen im Recycling- und Rückgewinnungsbereich schätzte 2018 den Rückgewinnungsanteil aus Batterien auf 7000 Tonnen pro Jahr (ein mittlerweile bedeutender Anteil bezogen auf die Gesamtproduktion von Kobalt (siehe einleitende Tabelle in diesem Beitrag). Andere, weltweit führende Konzerne wie die finnische OutoTec sind ebenfalls im Kobalt-Recycling stark.

Kobalt forever ?

Andere Meinungen zur Verwendung/Bedeutung von Kobalt in der Zukunft und insbesondere bezüglich Energiespeichermedien existieren durchaus. Zur Frage, ob die riskante Spekulation aufgeht, gibt es auch sehr kritische Bemerkungen, beispielsweise in der Neuen Zürcher Zeitung vom 30.4.17 und auch der Infodienst Visual Capitalist (18. Oktober 2018; Battery Megafactory Forecast) räumt ein, dass neue Technologien die Prognosen erschweren. Die Handelszeitung konstatierte im Februar 2019, nach einem stetigen Preisanstieg in den vergangenen Jahren einen markanten Rückgang des Kobaltpreises seit Anfangs 2019 auf das tiefste Niveau seit zwei Jahren und bringt dies mit dem schwächeren Wirtschaftswachstum in China in Verbindung.

In einer skeptischen Hinterfragung des allemeinen Kobalt-Booms zweifelt Rainer Bunge, Professor an der Hochschule für Technik in Rapperswil, daran, dass sich die Elektromobilität langfristig durchsetzen wird. Er hält es für intelligenter, elektrische Energie in künstliche Kohlenwasserstoffe umzuwandeln als die Elektronen in Batterien zu stopfen. «Saubere Treibstoffe» dieser Art liessen sich durch sukzessive Beimischung in die bestehende Infrastruktur einspeisen und in konventionellen Automobilen verbrauchen. Elektroautos würden letztlich nur in sehr bescheidenem Umfang eingeführt, vor allem als Lifestyle-Produkt – als «grünes Feigenblatt» für den ökologisch korrekten Autojunkie. Selbst wenn sich diese Fahrzeuge kommerziell durchsetzen sollten, sei offen, ob künftig Kobalt und Lithium in den gerne wagemutig prognostizierten Mengen benötigt würden. Schliesslich beschäftigten sich im Moment Hunderte von Forschern intensiv mit der Frage, wie man diese Metalle durch konventionellere und billigere Stoffe substituieren könne.

Elektromobilität in der Steine und Erdenindustrie

Die Elektromobilität ist schon heute kein Fremdwort mehr im Steinbruch- und Minenbereich. Im Steinbruch Pery des Zementproduzenten Vigier S.A. ist im Berner Jura seit April 2018 ein e-Dumper mit einer Ladekapazität von 65 Tonnen Gestein im Einsatz. Dank der besonderen Topographie (Steinbruch liegt höher als Werk) kann mit der Bremsenergie beim Herunterfahren mittels einem ausgeklügelten System die Batterie aufgeladen werden. Auch das Rohstoffunternehmen Glencore setzt in Kanada bereits batteriebetriebene Schaufellader ein (Tagesanzeiger, 24.2.2019; per E-Bagger zum kostbaren Erz).

Link auf Bild/Artikel (Empa)

Kobalt in der Schweiz

Wussten sie schon, dass es auch in der Schweiz Kobalt gibt und gab. So beispielsweise aktuell aus dem Recycling in Regensdorf bei der Firma Immark oder in längst vergangener Zeit im Wallis im Turtmanntal (Bergwerk Kaltenberg). Nachstehend sind zwei Bilder des Bergwerks Kaltenberg, wo auf 2500 Meter über Meer gegen Ende des 19. Jahrhunderts ungefähr 20 Tonnen von Hand geschiedenes Kobalterz gewonnen wurden.

Im ersten Weltkrieg, obwohl man Kobalt dringend gebraucht hätte, fand im Turtmanntal wegen ungünstiger geologischer Prognosen kein Abbau statt. Im Zweiten Weltkrieg versuchte man nochmals Kobalt zu gewinnen, aber mit 120 Kilogramm (!) Erz von der alten Halden und gut 500 Kilogramm aus dem Berg musste man die Aktivitäten einstellen. Das Vorkommen gilt als ausgeerzt. Weiterführende Informationen zu Kobaltvorkommen in der Schweiz sowie zum schweizerischen Bergbau allgemein sind in der Zeitschrift Minaria Helvetica, 32/2013 (www.sghb.ch) und im Rohstoffinventar der Schweizerischen Geotechnischen Kommission an der ETH Zürich (heute Fachgruppe Georessourcen Schweiz) https://map.georessourcen.ethz.ch/purl/obid/440 enthalten.

RK/Obfelden/Bern, Juni 2019