Die Nachfrage nach Nickel für die globale Energiewende wächst rasant, doch die hochwertigen sulfidischen Nickelressourcen schwinden zunehmend. Dies zwingt die Industrie, ihren Blick auf minderwertige, schwer nutzbare ultramafische Erze zu richten – Schätzungen zufolge sind in diesen Ressourcen rund 45 Millionen Tonnen unerschlossenes Nickel gebunden. Die University of Toronto hat gemeinsam mit Vale Base Metals kürzlich bahnbrechende Forschungsergebnisse im Nature-Journal Communications Engineering veröffentlicht. Erstmals wird ein neues, auf niedrigen Temperaturen basierendes, überwiegend feststoffliches Nickel-Extraktionsverfahren beschrieben. Dabei wird preiswertes Eisen als „Nickelfänger“ eingesetzt, um bei Temperaturen unter 950 °C in etwa drei Stunden eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Nickelgehalt von 16–24 % zu erzeugen – und das ohne Schwefeldioxidemissionen.

Sollte diese Technologie industrialisiert werden, hätte sie tiefgreifende Auswirkungen auf die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit der globalen Nickelversorgungskette.

Erschöpfung hochwertiger Ressourcen: Ultramafische Erze als „harte Nuss“

Nickel ist ein entscheidender Rohstoff für Edelstahl, Nickelbasislegierungen und Lithium-Ionen-Batterien. Seine strategische Bedeutung nimmt im Zuge der Energiewende stetig zu. Nach jahrelangem Abbau erschöpfen sich die globalen hochwertigen sulfidischen Nickelvorkommen jedoch rapide. Obwohl minderwertige ultramafische Erze reichlich vorhanden sind, konnten sie aufgrund ihrer komplexen Mineralzusammensetzung und des hohen Gehalts an magnesiumsilikathaltiger Gangart lange Zeit nicht wirtschaftlich genutzt werden.

Traditionell gibt es zwei Hauptwege der Nickelgewinnung: die pyrometallurgische Hochtemperaturschmelze, die enorm viel Energie verbraucht und große Mengen Schwefeldioxid freisetzt, sowie die nasse Laugung, die komplexe Verfahren, hohen Reagenzienverbrauch und schwierige Abwasserbehandlung mit sich bringt. Beide Wege stoßen bei der Verarbeitung minderwertiger ultramafischer Erze auf wirtschaftliche und technische Hürden, sodass diese Ressourcen lange Zeit ungenutzt blieben.

Vier Durchbrüche des Feststoffverfahrens bei niedrigen Temperaturen

Das Team um Wei Lv, Fanmao Wang, Brian Makuza, Sam Marcuson und Mansoor Barati vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der University of Toronto hat in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Technologie und Innovation von Vale Base Metals ein innovatives Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, das vier Durchbrüche erzielt:

„Fänger“-Strategie: Preiswertes Eisen „fängt“ gezielt Nickel ein

Die Kerninnovation des Verfahrens liegt im Einsatz von preiswertem Eisen als „Nickelfänger“. Unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen von Temperatur, Atmosphäre und Eisenmenge entstehen im Reaktor günstige thermodynamische Verhältnisse, die es Nickel ermöglichen, selektiv aus dem Erz zu wandern und sich in der metallischen Legierungsphase anzureichern.

Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, bei denen Eisenpulver und Konzentrat agglomeriert und auf etwa 920 °C erhitzt wurden, ermöglicht dieses Verfahren eine effiziente Extraktion bei niedrigen Temperaturen unter 950 °C. Der technische Kern besteht darin, dass Eisen den Schwefel aus den Sulfiden bindet und nichtmagnetisches FeS bildet, während überschüssiges Eisen mit Nickel eine Nickel-Eisen-Legierung eingeht – dieser „Feststoffverdrängungs“-Reaktionsweg umgeht geschickt die für das traditionelle Schmelzen erforderlichen hohen Temperaturen.

Umweltfreundlich: Keine Schwefeldioxidemissionen mehr

Einer der größten ökologischen Nachteile der traditionellen Nickelverhüttung sind die Schwefeldioxidemissionen. Dieses Verfahren verhindert die Entstehung von SO₂ grundlegend, indem Schwefel stabil in der festen Sulfidphase gebunden wird. Dieses Design macht das Verfahren zu einem nachhaltigen Extraktionsweg, der vollständig mit den Zielen der dekarbonisierten Metallproduktion übereinstimmt.

Schnell und effizient: Produktion in drei Stunden, kontrollierbare Partikel

Die Verfahrensdauer beträgt nur etwa drei Stunden, und die erzeugte Nickel-Eisen-Legierung hat einen Nickelgehalt von 16–24 %. Entscheidend ist, dass das Forschungsteam eine präzise Kontrolle der Partikelgröße und -morphologie der Legierung erreicht hat – dies bestimmt direkt die Effizienz der anschließenden physikalischen Trennung der Legierung von der Gangart. Die Kontrollierbarkeit von Partikelgröße und -morphologie ermöglicht einen effizienten Einsatz physikalischer Trennverfahren wie der Magnetabscheidung.

Pilotmaßstab: Ein entscheidender Schritt vom Labor zur Industrialisierung

Das Verfahren wurde bereits im Pilotmaßstab (Mini-Plant-Scale) validiert, was bedeutet, dass die Technologie das Laborstadium verlassen hat und über eine technische Grundlage für die industrielle Skalierung verfügt. Die Forschung wurde technisch von Vale Base Metals unterstützt und vom kanadischen Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC) gefördert.

Warum ist das „Feststoffverfahren bei niedrigen Temperaturen“ entscheidend?

Die Logik der traditionellen Nickelgewinnung ist die „Hochtemperaturschmelze“ – das Erz wird auf Temperaturen weit über seinen Schmelzpunkt erhitzt, sodass die metallischen Bestandteile schmelzen und abgetrennt werden können. Dieser Weg ist nicht nur extrem energieintensiv, sondern erzeugt zwangsläufig große Mengen SO₂.

Die innovative Logik des Teams der University of Toronto ist die „Feststoffverdrängung“ – bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt wird die chemische Reaktion zwischen Eisen und Nickelsulfid genutzt, um Nickel im festen Zustand vom Erz in die Legierung zu überführen. Die Vorteile dieses Ansatzes sind:

Deutlich geringerer Energieverbrauch: Die Reaktionstemperatur sinkt von über 1200 °C bei der traditionellen Schmelze auf unter 950 °C;

Keine Schmelzanlagen erforderlich: Die Feststoffreaktion kann in einfacheren Reaktoren durchgeführt werden;

Schwefel wird „eingeschlossen“: Schwefel liegt stabil als festes FeS vor, anstatt als gasförmiges SO₂ emittiert zu werden;

Vereinfachter Prozess: Keine komplexen Gasbehandlungssysteme erforderlich.

Durch präzise Steuerung von Temperatur, Atmosphäre und Eisenmenge schufen die Forscher im Reaktor günstige thermodynamische Bedingungen, die eine selektive Anreicherung von Nickel ermöglichten.

Erschließung von 45 Millionen Tonnen Nickelressourcen: Neugestaltung der globalen Lieferkette

Mobilisierung der weltweit „schlafenden“ ultramafischen Nickelressourcen

Schätzungen zufolge sind in globalen ultramafischen Erzen rund 45 Millionen Tonnen unerschlossenes Nickel gebunden. Diese Zahl entspricht einem erheblichen Anteil der weltweit nachgewiesenen Nickelreserven. Sollte die Technologie industrialisiert werden, könnten diese lange als „Abfallgestein“ betrachteten Ressourcen in wirtschaftlich nutzbare Nickelvorkommen umgewandelt werden, was die nutzbare Grenze globaler Nickelressourcen erheblich erweitert.

Sicherung der Nickelversorgung für die Energiewende

Nickel ist ein Schlüsselbestandteil von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien (insbesondere nickelreiche NCM-Materialien). Mit dem explosionsartigen Wachstum des Elektrofahrzeugmarktes steigt die globale Nickelnachfrage rasant. Diese Technologie bietet eine völlig neue Ressourcenquelle zur Linderung der Nickelknappheit und dient direkt der globalen Energiewende.

Förderung der grünen Transformation der Nickelproduktion

Die Null-SO₂-Emissionen des Verfahrens heben es deutlich von der traditionellen pyrometallurgischen Verhüttung ab. Vor dem Hintergrund immer strengerer globaler CO₂-Bepreisungssysteme bietet diese Technologie den Nickelproduzenten eine sowohl wirtschaftliche als auch umweltfreundliche Alternative und könnte zum neuen Maßstab für eine kohlenstoffarme Nickelproduktion werden.

Das Produkt kann direkt für die Raffination zu Batteriequalität verwendet werden

Die erzeugte Nickel-Eisen-Legierung (16–24 % Nickel) kann durch konventionelle Raffinationsverfahren weiter zu Nickel in Batteriequalität verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass die Technologie nicht auf der Stufe der Rohverhüttung stehen bleibt, sondern nahtlos an die Endnachfrage der neuen Energie-Lieferkette anknüpfen kann.

Vom „Ressourcenfluch“ zur „Ressourcenbefreiung“

Ultramafische Erze galten lange als „Milchmädchenrechnung“ – riesige Vorkommen, aber schwer nutzbar. Diese Zusammenarbeit zwischen der University of Toronto und Vale begann 2023 mit einer Partnerschaft für nachhaltigen Bergbau. Nun trägt diese Kooperation Früchte.

Der wahre Wert dieser Technologie liegt darin, die Grenzen dessen, was als „abbaubare Ressource“ gilt, neu zu definieren. Während hochwertige Ressourcen zur Neige gehen, verwandelt technologische Innovation einstiges „Abfallgestein“ in zukünftige „reiche Erze“. Wie die Studie feststellt, erweitert das Verfahren „die technologische Landschaft der Nickelgewinnung und trägt zum Aufbau einer gerechteren und widerstandsfähigeren globalen Nickelversorgungskette bei“.

In einer Zeit anhaltender Spannungen auf dem globalen Nickelmarkt und des Wettlaufs der Nationen um die Sicherung kritischer Rohstofflieferketten ist diese Technologie zur „Nickelgewinnung aus Feststoffen bei niedrigen Temperaturen“ zweifellos ein Paukenschlag für die nachhaltige Versorgung mit globalen Nickelressourcen – und diesmal liegt das Epizentrum der Explosion nicht in einem Hochtemperaturschmelzofen, sondern in einer stillen „Feststoffrevolution“.