In einer Zeit, in der die Nachfrage nach Nickel im Zuge der globalen Energiewende exponentiell steigt, erschöpfen sich die hochwertigen sulfidischen Nickelressourcen zunehmend. Ein Forscherteam der University of Toronto hat gemeinsam mit dem globalen Bergbaugiganten Vale Base Metals eine bahnbrechende Studie im Nature-Journal „Communications Engineering“ veröffentlicht. Erstmals wird ein neues, tieftemperaturbasiertes, überwiegend festkörperbasiertes Nickel-Extraktionsverfahren beschrieben. Dabei wird preiswertes Eisen als „Nickel-Fänger“ eingesetzt. Bei Temperaturen unter 950 °C wird in etwa drei Stunden eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Nickelgehalt von 16–24 % erzeugt – und das ohne Schwefeldioxid-Emissionen. Schätzungen zufolge lagern in ultramafischen Erzen weltweit rund 45 Millionen Tonnen unerschlossenes Nickel – eine Menge, die einem erheblichen Anteil der weltweit nachgewiesenen Nickelreserven entspricht. Sollte diese Technologie industriell umgesetzt werden, hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit der globalen Nickel-Lieferkette.

Erschöpfung hochwertiger Ressourcen: „Harte Nüsse“ schlummern seit langem

Nickel ist ein kritischer Rohstoff für Edelstahl, Nickelbasislegierungen und Lithium-Ionen-Batterien. Seine strategische Bedeutung nimmt im Zuge der Energiewende stetig zu. Durch jahrelangen Abbau erschöpfen sich die globalen hochwertigen sulfidischen Nickelvorkommen jedoch zunehmend, was die Industrie zwingt, den Blick auf minderwertige, schwer nutzbare ultramafische Erze zu richten.

Ultramafische Erze sind zwar reichlich vorhanden, aber ihre komplexe Mineralzusammensetzung und der hohe Gehalt an Magnesiumsilikat-Gangart machen eine wirtschaftliche Nutzung seit langem schwierig. Traditionell gibt es zwei Hauptwege der Extraktion:

Hochtemperatur-Schmelzverfahren: Hoher Energieverbrauch und große Mengen an Schwefeldioxid-Emissionen

Nassmetallurgische Laugung: Komplexe Verfahren, hoher Reagenzienverbrauch, schwierige Abwasserbehandlung

Beide Wege stoßen bei der Verarbeitung von minderwertigen ultramafischen Erzen auf wirtschaftliche und technische Hürden, weshalb diese Ressourcen lange Zeit ungenutzt blieben.

Vier Durchbrüche des Tieftemperatur-Festkörperverfahrens

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 thermisches Behandlungsverfahren entwickelt. Dieses Verfahren wurde bereits im Mini-Plant-Maßstab validiert, was den Übergang der Technologie aus dem Laborstadium und die technische Grundlage für eine industrielle Skalierung markiert.

„Fänger“-Strategie: Preiswertes Eisen „greift“ gezielt nach Nickel

Der Kern der Innovation liegt im Einsatz von preiswertem Eisen als „Nickel-Fänger“ (nickel getter). Unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Atmosphäre und Eisenmenge entstehen im Reaktor günstige thermodynamische Bedingungen, die eine selektive Migration und Anreicherung von Nickel aus dem Erz in die metallische Legierungsphase ermöglichen.

Das technische Prinzip ist: Eisen bindet den Schwefel aus den Sulfiden und bildet nichtmagnetisches FeS, während überschüssiges Eisen mit Nickel eine Nickel-Eisen-Legierung bildet. Diese „Festkörper-Austauschreaktion“ umgeht geschickt die für das traditionelle Schmelzen erforderlichen hohen Temperaturen und Schmelzbedingungen.

Frühere Forschungsansätze, bei denen Eisenpulver mit Konzentrat vermischt und auf etwa 920 °C erhitzt wurde, hatten Einschränkungen. Das neue Verfahren ermöglicht eine effiziente Extraktion bereits bei niedrigen Temperaturen unter 950 °C, wobei die Reaktionstemperatur von über 1200 °C beim traditionellen Schmelzen auf unter 950 °C gesenkt wird.

Umweltfreundlich: Vollständiger Verzicht auf Schwefeldioxid-Emissionen

Einer der größten Umweltnachteile der traditionellen Nickelverhüttung sind die Schwefeldioxid-Emissionen. Das neue Verfahren verhindert die Entstehung von SO₂ grundlegend, indem der Schwefel stabil in einer 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 3 Stunden, kontrollierbare Partikel

Die Prozesszeit beträgt nur etwa 3 Stunden, und die erzeugte Nickel-Eisen-Legierung hat einen Nickelgehalt von 16–24 %. Entscheidend ist, dass das Forschungsteam eine präzise Kontrolle über die Größe und Morphologie der Legierungspartikel erreicht hat – was direkt die Effizienz der anschließenden physikalischen Trennung der Legierung von der Gangart bestimmt. Die Kontrollierbarkeit von Partikelgröße und -form ermöglicht einen effizienten Einsatz physikalischer Trennverfahren wie der Magnetabscheidung. Die erzeugte Nickel-Eisen-Legierung kann durch konventionelle Raffination weiter in batteriefähiges Nickel umgewandelt werden.

Validierung im Mini-Plant-Maßstab: Ein entscheidender Schritt vom Labor zur Industrie

Das Verfahren wurde bereits im Mini-Plant-Maßstab validiert. Die Forschung wurde technisch von Vale Base Metals und finanziell vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) unterstützt.

Praktische Daten zeigen, dass das Verfahren ein Sulfidkonzentrat mit 7,7 % Nickel in eine Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 16 % Nickel aufwerten kann, bei einer Nickelrückgewinnungsrate von etwa 89 %, während direkte SO₂-Emissionen vermieden werden.

Warum ist der „Tieftemperatur-Festkörper“-Ansatz entscheidend?

Die traditionelle Logik der Nickelextraktion ist „Hochtemperatur-Schmelzen“ – das Erz wird auf Temperaturen weit über seinen Schmelzpunkt erhitzt, um die metallischen Bestandteile zu verflüssigen und abzutrennen. Dieser Weg ist nicht nur extrem energieintensiv, sondern erzeugt auch unvermeidlich große Mengen an SO₂.

Die innovative Logik des Teams der University of Toronto ist die „Festkörper-Austauschreaktion“ – bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt wird durch eine chemische Reaktion zwischen Eisen und Nickelsulfid die Migration von Nickel vom Erz in die Legierung im festen Zustand ermöglicht. Die Vorteile dieses Ansatzes sind:

Deutlich reduzierter Energieverbrauch: Die Reaktionstemperatur sinkt von über 1200 °C beim traditionellen Schmelzen auf unter 950 °C

Keine Schmelzanlagen erforderlich: Die Festkörperreaktion kann in einfacheren Reaktoren durchgeführt werden

Schwefel wird „eingeschlossen“: SO₂-Emissionen werden grundlegend vermieden

Neugestaltung der globalen Nickel-Lieferkette

Erschließung von 45 Millionen Tonnen „schlummernder“ Ressourcen

Schätzungen zufolge lagern in ultramafischen Erzen weltweit rund 45 Millionen Tonnen unerschlossenes Nickel. Diese Menge entspricht einem erheblichen Anteil der weltweit nachgewiesenen Nickelreserven. Sollte die Technologie industrialisiert werden, würde sie direkt die globalen „schlummernden“ ultramafischen Nickelressourcen aktivieren.

Entspannung der globalen Nickel-Versorgungssituation

Die Nachfrage nach Nickel im Zuge der globalen Energiewende wächst mit beispielloser Geschwindigkeit, während die hochwertigen sulfidischen Nickelressourcen zunehmend erschöpft sind. Die Technologie bietet einen völlig neuen technischen Weg für die umweltfreundliche Erschließung von minderwertigen ultramafischen Nickelerzen. Durch die Erschließung zuvor ungenutzter Nickelressourcen kann die Technologie die globale Nickel-Versorgungssituation entspannen und die nachhaltige Entwicklung der Elektrofahrzeug- und erneuerbaren Energiespeicherindustrie unterstützen.

Branchenmaßstab für umweltfreundliche Extraktion

Der hohe Energieverbrauch und die hohen Emissionen der traditionellen Nickelverhüttung sind seit langem ein Problem für die Branche. Die Tieftemperatur- und SO₂-freien Eigenschaften des Verfahrens machen es zu einem bahnbrechenden Maßstab im Bereich der umweltfreundlichen Metallurgie. Das Forschungsteam betont, dass das Verfahren die technologische Landschaft der Nickelextraktion erweitert und zu einer gerechteren und widerstandsfähigeren globalen Nickel-Lieferkette beiträgt.

Während die globale Nickelnachfrage mit dem explosionsartigen Wachstum von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiespeichern weiter steigt und die hochwertigen sulfidischen Nickelressourcen zunehmend erschöpft sind, öffnet dieser Durchbruch der University of Toronto und Vale eine völlig neue Tür für die globale Nickelindustrie – Ersatz des Hochtemperaturschmelzens durch Tieftemperatur-Festkörper-„Einfangen“, Ersatz des teuren Nickels durch preiswertes Eisen, und Neudefinition der umweltfreundlichen metallurgischen Standards durch null SO₂-Emissionen.

Sollte diese Technologie industriell umgesetzt werden, wird sie die Erschließungslandschaft der globalen Nickelressourcen grundlegend verändern – die 45 Millionen Tonnen „schlummernden“ ultramafischen Nickelressourcen verwandeln sich von einer „harten Nuss“ in einen „leckeren Kuchen“ und bieten eine solide Rohstoffbasis für die globale Energiewende.