Metalle für die Energiewende

Wege zu einer sicheren und nachhaltigen Versorgung

Für die Energiewende werden wertvolle Metalle und Mineralien gebraucht. Im Prinzip reichen die weltweiten natürlichen Rohstoffvorkommen dafür aus. Entscheidend werden vielmehr die Preise am Weltmarkt, die Umweltverträglichkeit und die gesellschaftliche Akzeptanz der Rohstoffgewinnung sein.

Eine ESYS-Arbeitsgruppe hat untersucht, wie die Versorgung langfristig gesichert werden kann.

Ergebnisse im Überblick

In Kürze


  • Wie bei anderen Hightech-Produkten werden auch für Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze immer größere Mengen und immer mehr verschiedene Metalle benötigt. Ein Beispiel: In einem Computerchip für die digitale Steuerung eines Kraftwerks stecken rund 60 verschiedene Elemente. Zu den benötigten Metallen zählen unter anderem Seltene Erden, Gallium, Germanium, Indium, Tellur und die Platingruppenelemente.
  • Werden Metalle zu teuer, sind Investitionen in klimafreundlichere Technologien weniger wirtschaftlich. Darüber hinaus können ethisch, gesundheitlich und ökologisch bedenkliche Abbaumethoden die gesellschaftliche Akzeptanz der Rohstoffgewinnung gefährden.
  • Immer weniger Akteure kontrollieren immer größere Rohstoffmengen, die Märkte sind oft sehr intransparent. Einzelne Länder und Unternehmen können ihre Marktmacht ausnutzen und den Zugang zu wichtigen Rohstoffen erschweren.
  • Deutschland braucht eine langfristig angelegte Rohstoffpolitik, um offene und transparente Märkte sowie hohe Umwelt- und Sozialstandards zu fördern. Mehr Recycling, Bergbau in Europa und der Tiefsee sowie strategische Investitionen in Rohstoffprojekte können die Versorgungsicherheit verbessern. 

Metalle und Mineralien


Die Platingruppenelemente Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium und Iridium kommen in Brennstoffzellen und als Katalysatoren zum Einsatz. Damit sind sie nicht nur für die Wasserstoffmobilität unverzichtbar, sondern auch für Langzeitenergiespeicher und Power-to-X-Technologien. Letztere können eingesetzt werden, um aus Strom Wasserstoff zu erzeugen, der anschließend auch in Methan oder andere chemische Verbindungen umgewandelt werden kann. 

Oft kontrollieren einige wenige Länder den Abbau wertvoller Metalle und Mineralien. Russland und Südafrika beispielweise liefern zusammen rund 75 Prozent des weltweit verfügbaren Palladiums, das etwa für Elektrofahrzeug-Batterien benötigt wird. Seltene Erden kommen unter anderem in Windkraftanlagen, Motoren und Generatoren zum Einsatz. Mehr als 86 Prozent der Weltbergwerksproduktion der Seltenen Erden liegen in China, sodass das Land hier eine enorme Marktmacht hat. 

Elemente wie Indium, Tellur, Gallium oder Germanium sind beibrechende Elemente. Sie fallen als „Nebenprodukte“ an: Indium zum Beispiel bei der Zinkproduktion, Tellur bei der Kupferproduktion. Diese Elemente stecken in Solarmodulen von Photovoltaikanlagen und Magneten.

Rohstoffmärkte


Unternehmen müssen die meisten Metalle von Produzenten im Ausland oder an internationalen Börsen kaufen. Dabei sind die Märkte selten im Gleichgewicht: Zwar steigen die Metallpreise bei wachsender Nachfrage schnell. Aber es dauert mitunter Jahre, bis das Angebot nachzieht und die Preise wieder fallen, weil Bergbauprojekte einen langen Vorlauf haben. Im Schnitt vergehen von der Entdeckung einer Lagerstätte bis zum Beginn des Abbaus zehn Jahre. Die Folgen zeigten sich zwischen 2003 und 2013: In dieser Zeit sorgte der Wirtschaftsboom in China nicht nur für eine lange Hochpreisphase an den Metallmärkten, sondern führte sogar zu vorübergehenden Lieferengpässen.

Wie sicher die Rohstoffversorgung langfristig ist, hängt wesentlich von der Zuverlässigkeit der Lieferländer ab. Wichtige Einflussfaktoren sind politische Stabilität und Investitionssicherheit. Kritische Rohstoffe stammen meist aus wenigen, eher unzuverlässigen Lieferländern. Für die Wirtschaft sind sie jedoch enorm wichtig, weil sie nur schwer zu ersetzen sind. Wenn ein Lieferland den Export beschränkt – so wie China es bei den Seltenen Erden gemacht hat –, ist die Versorgung gefährdet. 

Effizienz und Recycling


Verbesserte Produktionsprozesse in der Industrie können dazu beitragen, dass knappe Rohstoffe sparsamer (effizienter) verwendet oder durch andere ersetzt werden. Darüber hinaus sind alte Autos, Elektronikgeräte oder Leitungen wertvolle Rohstoffquellen: Weltweit fallen jährlich etwa 50 Millionen Tonnen Elektroschrott an, davon fast zwei  Millionen Tonnen allein in Deutschland. Es gilt, dieses Potenzial auszuschöpfen und möglichst viele der darin enthaltenen Rohstoffe wiederzuverwerten. 

Die Massenmetalle Stahl und Kupfer werden heute schon bevorzugt aus Schrott gewonnen. Hightech-Elemente wie Seltene Erden haben jedoch noch geringe Wiedergewinnungsraten: Zum einen ist das Recycling technisch aufwendig und teuer. Zum anderen landet bislang noch zu viel Elektronikschrott im Hausmüll oder in wenig leistungsfähigen Recyclinganlagen. 

Diese Maßnahmen könnten die Recyclingquoten erhöhen:

  • gesetzliche Vorgaben und/oder Labels für möglichst recyclingfähige Produktdesigns
  • verbraucherfreundlichere Sammelsysteme (zum Beispiel Rückgabemöglichkeiten in Geschäften sowie Leasing- und Pfandmodelle für Verbraucherelektronik)
  • Vorschriften in der Abfallgesetzgebung für ein hochwertiges Recycling der in kleineren Mengen anfallenden Edel- und Sondermetalle
  • schärfere Ausfuhrkontrollen für Gebrauchtgüter, die verhindern, dass Elektroschrott oder Altfahrzeuge illegal exportiert werden

Neue Lagerstätten


Gibt es mehr Rohstoffanbieter mit ausreichend großen Marktanteilen, können einzelne Ausfälle tendenziell besser kompensiert werden. Werden also zusätzliche Lagerstätten erschlossen, kann dadurch die Abhängigkeit von einigen wenigen Ländern sinken. 

Durch diese Maßnahmen könnte die Rohstoffbasis erweitert werden:

  • Derzeit gibt es keinen Metallbergbau in Deutschland, weil die Lagerstätten abgebaut oder unwirtschaftlich geworden sind. Es gibt aber Lithium-, Kupfer- und Wolframvorkommen und Potenziale, um Zinkvorkommen mit Anteilen von Indium und Germanium zu entdecken. Um sie zu erschließen, müsste man tiefer explorieren und  neue technologische Verfahren entwickeln. Aus den Kupfervorkommen in Deutschland ließe sich außerdem Tellur gewinnen. Dafür müssten jedoch wirtschaftlichere Abbau- und Verarbeitungsmethoden entwickelt werden.
  • Auch in der Tiefsee lagern wertvolle Metalle, zum Beispiel Kobalt, Kupfer und Nickel. Deutschland hat bereits in den Meeresbergbau investiert und besitzt Erkundungslizenzen für den Indischen Ozean und den Pazifik. Ein wichtiger nächster Schritt wäre ein Versuchsbergbau, um die Technologien erproben sowie Kosten und Umweltfolgen besser abschätzen zu können. Da der Bergbau in der Tiefsee teurer ist als an Land, werden private Unternehmen derzeit eher nicht investieren. Marine Lagerstätten können also nur erschlossen werden, wenn der Staat dies finanziell unterstützt und einen Teil des unternehmerischen Risikos übernimmt.

 

Rohstoffdaten


Gute Marktdaten ermöglichen es Unternehmen, ihre Versorgungssituation realistisch einzuschätzen. Kenntnisse des geologischen Untergrunds erleichtern die Suche nach Lagerstätten.

Diese Maßnahmen könnten dazu beitragen, den Zugang zu Rohstoffdaten zu erleichtern:

  • In Deutschland müssen Rohstoffunternehmen die bei der Exploration gewonnenen geologischen Messdaten an die Bergbehörden übermitteln. Ein modernisiertes Lagerstättengesetz könnte die Unternehmen zusätzlich verpflichten, diese Daten nach einer Karenzzeit zu veröffentlichen. Dies würde Doppelarbeit vermeiden und Kosten sparen, weil Wirtschaft und Wissenschaft die Informationen für neue Explorationskonzepte in Deutschland weiternutzen könnten.
  • Beibrechende Elemente wie Indium und Tellur werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind intransparent. Regierungen, Produzenten und Verbraucher könnten sich unter dem Dach der Vereinten Nationen vernetzen, um Daten zu diesen Elementen zusammenzutragen und beispielsweise in Marktstatistiken aufzubereiten. Solche International Metal Study Groups gibt es bereits für Blei, Zink, Kupfer und Nickel.

 

Staatliche Investitionen


Unternehmen, die große Rohstoffmengen verarbeiten, können sich am besten absichern, indem sie selbst Bergbau betreiben, sich an Bergbauprojekten beteiligen, langfristige Lieferverträge abschließen oder Vorkaufsrechte erwerben. Der Staat wiederum kann freie und transparente Märkte fördern, indem er Handelsabkommen und zwischenstaatliche Verträge abschließt.

Problematisch wird es, wenn ein Lieferant eine Monopolstellung hat. Im Extremfall ist ein Rohstoff gar nicht mehr verfügbar, weil das Land den Export verbietet. Droht tatsächlich ein Marktversagen, kann sich der Staat an der Rohstoffbeschaffung und -sicherung beteiligen. Zuvor muss jedoch sorgfältig analysiert werden, ob der erwartete Nutzen die hohen volkswirtschaftlichen Kosten rechtfertigt und die Maßnahmen das Marktversagen tatsächlich korrigieren können. 

Ist das der Fall, gibt es folgende Optionen:

  • Ein staatlich gefördertes Rohstoffunternehmen könnte Bergbauprojekte initiieren und strategische Partnerschaften mit Produzenten von Rohstoffen und Zwischenprodukten schließen. Aus Kostengründen sollte der Staat möglichst antizyklisch, also in Niedrigpreisphasen, in Rohstoffprojekte investieren – immer mit dem Ziel, Anteile so schnell wie möglich wieder zu privatisieren. Weil es dafür allerdings keine Erfolgsgarantie gibt, bestünde ein erhebliches Investitionsrisiko.
  • Ist ein Bergwerk einmal stillgelegt, kann man es nicht so einfach wieder in Betrieb nehmen. Um zu verhindern, dass Gruben in zeitweisen Niedrigpreisphasen schließen müssen, könnten sie mit staatlicher Unterstützung im „Stand-By-Modus“ erhalten werden, bis die Rohstoffpreise wieder steigen.  
  • Seit der der Ölkrise 1973 hält Deutschland eine strategische Erdölreserve vor. Auch kritische Rohstoffe könnten auf Vorrat gelagert werden, um vorübergehende Lieferengpässe abzufedern. Unternehmen könnten sich gezielt gegen einen Versorgungsausfall der für sie besonders wichtigen Rohstoffe versichern. Nur sie würden im Fall einer Lieferkrise Rohstoffe aus der Reserve zugeteilt bekommen. Über die „Versicherungsprämie“ würde die Industrie an den Kosten beteiligt, Auswahl und Menge der zu lagernden Rohstoffe würde bedarfsgerecht gesteuert. 

 

Internationale Rohstoffpolitik


Einheitliche, hohe Umwelt- und Sozialstandards sind nicht nur ethisch geboten, sondern auch Voraussetzung für einen fairen Wettbewerb. Sie würden außerdem verhindern, dass ökologische Vorteile der Energiewende durch Energieaufwand und Umweltbelastungen bei der Rohstoffgewinnung zunichte gemacht würden. Dies gilt sowohl für den Bergbau als auch das Recycling. 

Diese Maßnahmen könnten die internationale Vernetzung stärken:

  • Bilaterale Rohstoffabkommen und -partnerschaften sind einfacher umzusetzen als Abkommen zwischen mehreren Staaten. Neben der Stabilisierung der Rohstofflieferbeziehungen können sie darauf abzielen, Umwelt- und Sozialstandards zu etablieren, die Arbeitsplatzsicherheit bei der Rohstoffförderung zu verbessern und zu Klimaschutz und Rohstoffeffizienz beizutragen.
  • Verbindliche Transparenzmechanismen können politischen Druck erzeugen: In der EU sind Unternehmen verpflichtet, für Konfliktrohstoffe die Lieferketten offenzulegen, um Verbindungen zwischen Produzenten, Regierungen und bewaffneten Gruppen aufzudecken. Auf ähnliche Weise könnten Umwelt- und Sozialstandards transparent gemacht werden. Wichtig wäre ein Monitoring durch eine unabhängige Prüfinstanz. 

In Kürze

  • Wie bei anderen Hightech-Produkten werden auch für Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze immer größere Mengen und immer mehr verschiedene Metalle benötigt. Ein Beispiel: In einem Computerchip für die digitale Steuerung eines Kraftwerks stecken rund 60 verschiedene Elemente. Zu den benötigten Metallen zählen unter anderem Seltene Erden, Gallium, Germanium, Indium, Tellur und die Platingruppenelemente.
  • Werden Metalle zu teuer, sind Investitionen in klimafreundlichere Technologien weniger wirtschaftlich. Darüber hinaus können ethisch, gesundheitlich und ökologisch bedenkliche Abbaumethoden die gesellschaftliche Akzeptanz der Rohstoffgewinnung gefährden.
  • Immer weniger Akteure kontrollieren immer größere Rohstoffmengen, die Märkte sind oft sehr intransparent. Einzelne Länder und Unternehmen können ihre Marktmacht ausnutzen und den Zugang zu wichtigen Rohstoffen erschweren.
  • Deutschland braucht eine langfristig angelegte Rohstoffpolitik, um offene und transparente Märkte sowie hohe Umwelt- und Sozialstandards zu fördern. Mehr Recycling, Bergbau in Europa und der Tiefsee sowie strategische Investitionen in Rohstoffprojekte können die Versorgungsicherheit verbessern. 

Metalle und Mineralien

Die Platingruppenelemente Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium und Iridium kommen in Brennstoffzellen und als Katalysatoren zum Einsatz. Damit sind sie nicht nur für die Wasserstoffmobilität unverzichtbar, sondern auch für Langzeitenergiespeicher und Power-to-X-Technologien. Letztere können eingesetzt werden, um aus Strom Wasserstoff zu erzeugen, der anschließend auch in Methan oder andere chemische Verbindungen umgewandelt werden kann. 

Oft kontrollieren einige wenige Länder den Abbau wertvoller Metalle und Mineralien. Russland und Südafrika beispielweise liefern zusammen rund 75 Prozent des weltweit verfügbaren Palladiums, das etwa für Elektrofahrzeug-Batterien benötigt wird. Seltene Erden kommen unter anderem in Windkraftanlagen, Motoren und Generatoren zum Einsatz. Mehr als 86 Prozent der Weltbergwerksproduktion der Seltenen Erden liegen in China, sodass das Land hier eine enorme Marktmacht hat. 

Elemente wie Indium, Tellur, Gallium oder Germanium sind beibrechende Elemente. Sie fallen als „Nebenprodukte“ an: Indium zum Beispiel bei der Zinkproduktion, Tellur bei der Kupferproduktion. Diese Elemente stecken in Solarmodulen von Photovoltaikanlagen und Magneten.

Rohstoffmärkte

Unternehmen müssen die meisten Metalle von Produzenten im Ausland oder an internationalen Börsen kaufen. Dabei sind die Märkte selten im Gleichgewicht: Zwar steigen die Metallpreise bei wachsender Nachfrage schnell. Aber es dauert mitunter Jahre, bis das Angebot nachzieht und die Preise wieder fallen, weil Bergbauprojekte einen langen Vorlauf haben. Im Schnitt vergehen von der Entdeckung einer Lagerstätte bis zum Beginn des Abbaus zehn Jahre. Die Folgen zeigten sich zwischen 2003 und 2013: In dieser Zeit sorgte der Wirtschaftsboom in China nicht nur für eine lange Hochpreisphase an den Metallmärkten, sondern führte sogar zu vorübergehenden Lieferengpässen.

Wie sicher die Rohstoffversorgung langfristig ist, hängt wesentlich von der Zuverlässigkeit der Lieferländer ab. Wichtige Einflussfaktoren sind politische Stabilität und Investitionssicherheit. Kritische Rohstoffe stammen meist aus wenigen, eher unzuverlässigen Lieferländern. Für die Wirtschaft sind sie jedoch enorm wichtig, weil sie nur schwer zu ersetzen sind. Wenn ein Lieferland den Export beschränkt – so wie China es bei den Seltenen Erden gemacht hat –, ist die Versorgung gefährdet. 

Effizienz und Recycling

Verbesserte Produktionsprozesse in der Industrie können dazu beitragen, dass knappe Rohstoffe sparsamer (effizienter) verwendet oder durch andere ersetzt werden. Darüber hinaus sind alte Autos, Elektronikgeräte oder Leitungen wertvolle Rohstoffquellen: Weltweit fallen jährlich etwa 50 Millionen Tonnen Elektroschrott an, davon fast zwei  Millionen Tonnen allein in Deutschland. Es gilt, dieses Potenzial auszuschöpfen und möglichst viele der darin enthaltenen Rohstoffe wiederzuverwerten. 

Die Massenmetalle Stahl und Kupfer werden heute schon bevorzugt aus Schrott gewonnen. Hightech-Elemente wie Seltene Erden haben jedoch noch geringe Wiedergewinnungsraten: Zum einen ist das Recycling technisch aufwendig und teuer. Zum anderen landet bislang noch zu viel Elektronikschrott im Hausmüll oder in wenig leistungsfähigen Recyclinganlagen. 

Diese Maßnahmen könnten die Recyclingquoten erhöhen:

  • gesetzliche Vorgaben und/oder Labels für möglichst recyclingfähige Produktdesigns
  • verbraucherfreundlichere Sammelsysteme (zum Beispiel Rückgabemöglichkeiten in Geschäften sowie Leasing- und Pfandmodelle für Verbraucherelektronik)
  • Vorschriften in der Abfallgesetzgebung für ein hochwertiges Recycling der in kleineren Mengen anfallenden Edel- und Sondermetalle
  • schärfere Ausfuhrkontrollen für Gebrauchtgüter, die verhindern, dass Elektroschrott oder Altfahrzeuge illegal exportiert werden

Neue Lagerstätten

Gibt es mehr Rohstoffanbieter mit ausreichend großen Marktanteilen, können einzelne Ausfälle tendenziell besser kompensiert werden. Werden also zusätzliche Lagerstätten erschlossen, kann dadurch die Abhängigkeit von einigen wenigen Ländern sinken. 

Durch diese Maßnahmen könnte die Rohstoffbasis erweitert werden:

  • Derzeit gibt es keinen Metallbergbau in Deutschland, weil die Lagerstätten abgebaut oder unwirtschaftlich geworden sind. Es gibt aber Lithium-, Kupfer- und Wolframvorkommen und Potenziale, um Zinkvorkommen mit Anteilen von Indium und Germanium zu entdecken. Um sie zu erschließen, müsste man tiefer explorieren und  neue technologische Verfahren entwickeln. Aus den Kupfervorkommen in Deutschland ließe sich außerdem Tellur gewinnen. Dafür müssten jedoch wirtschaftlichere Abbau- und Verarbeitungsmethoden entwickelt werden.
  • Auch in der Tiefsee lagern wertvolle Metalle, zum Beispiel Kobalt, Kupfer und Nickel. Deutschland hat bereits in den Meeresbergbau investiert und besitzt Erkundungslizenzen für den Indischen Ozean und den Pazifik. Ein wichtiger nächster Schritt wäre ein Versuchsbergbau, um die Technologien erproben sowie Kosten und Umweltfolgen besser abschätzen zu können. Da der Bergbau in der Tiefsee teurer ist als an Land, werden private Unternehmen derzeit eher nicht investieren. Marine Lagerstätten können also nur erschlossen werden, wenn der Staat dies finanziell unterstützt und einen Teil des unternehmerischen Risikos übernimmt.

 

Rohstoffdaten

Gute Marktdaten ermöglichen es Unternehmen, ihre Versorgungssituation realistisch einzuschätzen. Kenntnisse des geologischen Untergrunds erleichtern die Suche nach Lagerstätten.

Diese Maßnahmen könnten dazu beitragen, den Zugang zu Rohstoffdaten zu erleichtern:

  • In Deutschland müssen Rohstoffunternehmen die bei der Exploration gewonnenen geologischen Messdaten an die Bergbehörden übermitteln. Ein modernisiertes Lagerstättengesetz könnte die Unternehmen zusätzlich verpflichten, diese Daten nach einer Karenzzeit zu veröffentlichen. Dies würde Doppelarbeit vermeiden und Kosten sparen, weil Wirtschaft und Wissenschaft die Informationen für neue Explorationskonzepte in Deutschland weiternutzen könnten.
  • Beibrechende Elemente wie Indium und Tellur werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind intransparent. Regierungen, Produzenten und Verbraucher könnten sich unter dem Dach der Vereinten Nationen vernetzen, um Daten zu diesen Elementen zusammenzutragen und beispielsweise in Marktstatistiken aufzubereiten. Solche International Metal Study Groups gibt es bereits für Blei, Zink, Kupfer und Nickel.

 

Staatliche Investitionen

Unternehmen, die große Rohstoffmengen verarbeiten, können sich am besten absichern, indem sie selbst Bergbau betreiben, sich an Bergbauprojekten beteiligen, langfristige Lieferverträge abschließen oder Vorkaufsrechte erwerben. Der Staat wiederum kann freie und transparente Märkte fördern, indem er Handelsabkommen und zwischenstaatliche Verträge abschließt.

Problematisch wird es, wenn ein Lieferant eine Monopolstellung hat. Im Extremfall ist ein Rohstoff gar nicht mehr verfügbar, weil das Land den Export verbietet. Droht tatsächlich ein Marktversagen, kann sich der Staat an der Rohstoffbeschaffung und -sicherung beteiligen. Zuvor muss jedoch sorgfältig analysiert werden, ob der erwartete Nutzen die hohen volkswirtschaftlichen Kosten rechtfertigt und die Maßnahmen das Marktversagen tatsächlich korrigieren können. 

Ist das der Fall, gibt es folgende Optionen:

  • Ein staatlich gefördertes Rohstoffunternehmen könnte Bergbauprojekte initiieren und strategische Partnerschaften mit Produzenten von Rohstoffen und Zwischenprodukten schließen. Aus Kostengründen sollte der Staat möglichst antizyklisch, also in Niedrigpreisphasen, in Rohstoffprojekte investieren – immer mit dem Ziel, Anteile so schnell wie möglich wieder zu privatisieren. Weil es dafür allerdings keine Erfolgsgarantie gibt, bestünde ein erhebliches Investitionsrisiko.
  • Ist ein Bergwerk einmal stillgelegt, kann man es nicht so einfach wieder in Betrieb nehmen. Um zu verhindern, dass Gruben in zeitweisen Niedrigpreisphasen schließen müssen, könnten sie mit staatlicher Unterstützung im „Stand-By-Modus“ erhalten werden, bis die Rohstoffpreise wieder steigen.  
  • Seit der der Ölkrise 1973 hält Deutschland eine strategische Erdölreserve vor. Auch kritische Rohstoffe könnten auf Vorrat gelagert werden, um vorübergehende Lieferengpässe abzufedern. Unternehmen könnten sich gezielt gegen einen Versorgungsausfall der für sie besonders wichtigen Rohstoffe versichern. Nur sie würden im Fall einer Lieferkrise Rohstoffe aus der Reserve zugeteilt bekommen. Über die „Versicherungsprämie“ würde die Industrie an den Kosten beteiligt, Auswahl und Menge der zu lagernden Rohstoffe würde bedarfsgerecht gesteuert. 

 

Internationale Rohstoffpolitik

Einheitliche, hohe Umwelt- und Sozialstandards sind nicht nur ethisch geboten, sondern auch Voraussetzung für einen fairen Wettbewerb. Sie würden außerdem verhindern, dass ökologische Vorteile der Energiewende durch Energieaufwand und Umweltbelastungen bei der Rohstoffgewinnung zunichte gemacht würden. Dies gilt sowohl für den Bergbau als auch das Recycling. 

Diese Maßnahmen könnten die internationale Vernetzung stärken:

  • Bilaterale Rohstoffabkommen und -partnerschaften sind einfacher umzusetzen als Abkommen zwischen mehreren Staaten. Neben der Stabilisierung der Rohstofflieferbeziehungen können sie darauf abzielen, Umwelt- und Sozialstandards zu etablieren, die Arbeitsplatzsicherheit bei der Rohstoffförderung zu verbessern und zu Klimaschutz und Rohstoffeffizienz beizutragen.
  • Verbindliche Transparenzmechanismen können politischen Druck erzeugen: In der EU sind Unternehmen verpflichtet, für Konfliktrohstoffe die Lieferketten offenzulegen, um Verbindungen zwischen Produzenten, Regierungen und bewaffneten Gruppen aufzudecken. Auf ähnliche Weise könnten Umwelt- und Sozialstandards transparent gemacht werden. Wichtig wäre ein Monitoring durch eine unabhängige Prüfinstanz. 

Infografik

Ohne Metalle keine Energiewende

Um in Deutschland eine klimafreundliche Energieversorgung aufzubauen, braucht die Wirtschaft Metalle und Mineralien.
Die Grafik zeigt einige wichtige Metalle für die Energiewende und die bedeutendsten Abbauländer.

  • SEESeltene Erden
  • PtPlatin
  • PdPalladium
  • GeGermanium
  • GaGallium
  • InIndium
  • TeTellur
  • CoKobalt
  • LiLithium
  • VVanadium
Seltene Erden

Zu den Seltenen Erden zählen die 14 Lanthanoide und die drei Elemente Scandium, Yttrium und Lanthan. Mit Ausnahme von Scandium kommen sie nur gemeinsam vor und können nur zusammen abgebaut werden.

Seltene Erden werden häufig als Nebenprodukt gewonnen, zum Beispiel bei der Förderung von Eisenerz. Diese „Beiprodukte“ werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind entsprechend intransparent.

Mehr als vier Fünftel aller Seltenen Erden werden in China abgebaut. Weitere wichtige Förderländer sind die USA und Australien (jeweils 4 Prozent).

Die Metalle der Seltenen Erden sind für die Energiewende besonders wichtig. Sie werden vor allem für Permanentmagnete in Windenergieanlagen, Elektromotoren, einige Batterietypen und Generatoren benötigt.

Seltene Erden werden als potenziell kritisch eingestuft, da sie eine hohe wirtschaftliche Bedeutung haben, schwer zu ersetzen sind und aus eher unzuverlässigen Lieferländern stammen.

Platin

Platin zählt neben Palladium, Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium zu den Elementen der Platingruppenmetalle.

Es ist ein korrosionsbeständiges Edelmetall und wird oft als Katalysator eingesetzt.

Die mit Abstand größten Vorkommen gibt es in Südafrika – rund 64 Prozent des weltweit verfügbaren Platins stammen aus diesem Land. Auch Russland (16 Prozent) und Simbabwe (9 Prozent) sind wichtige Förderländer. Neben der eigenständigen Primärgewinnung wird Platin auch als Nebenprodukt bei der Raffination von Nickel gewonnen.

Platin spielt insbesondere für Brennstoffzellen und die Wasserstoffelektrolyse – und damit für mögliche Schlüsseltechnologien der Energiewende wie Langzeitspeicher und Power-to-Gas – eine wichtige Rolle.

Dieses Metall wird als potenziell kritisch eingestuft. Kritische Rohstoffe haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, sind schwer zu ersetzen und stammen aus eher unzuverlässigen Lieferländern.

Platin und Palladium stecken zu hohen Anteilen in Abgas- und anderen Katalysatoren. Hier liegt ein großes Potenzial zur Wiedergewinnung dieser Metalle.

Palladium

Palladium zählt neben Platin, Ruthenium, Rhodium, Osmium und Iridium zu den Elementen der Platingruppenmetalle. Es ist ein korrosionsbeständiges Edelmetall und wird, zum Teil zusammen mit Platin, größtenteils aus Nickel-Kupfererzen gewonnen.

Russland und Südafrika liefern zusammen rund drei Viertel des weltweit verfügbaren Palladiums, wobei im Gegensatz zu Platin hier Russland das größte Lieferland ist. Das Land mit dem drittgrößten Palladiumvorkommen ist Kanada (10 Prozent).

In der Energiewende wird Palladium vor allem für Kondensatoren, Leiterplatten und die Wasserstoffelektrolyse benötigt. Power-to-Gas-Anlagen kommen ohne Palladium also nicht aus.

Dieses Metall wird als potenziell kritisch eingestuft. Kritische Rohstoffe haben eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, sind schwer zu ersetzen und stammen aus eher unzuverlässigen Lieferländern.

Palladium und Platin stecken zu hohen Anteilen in Abgas- und anderen Katalysatoren. Hier liegt ein großes Potenzial zur Wiedergewinnung dieser Metalle.

Germanium

Germanium ist ein korrosionsbeständiges Halbmetall. Es wird nicht aus eigenständigen Lagerstätten gewonnen, sondern als Nebenprodukt bei der Herstellung von Zink und Kupfer. Solche „Beiprodukte“ werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind entsprechend intransparent.

Germanium wird hauptsächlich in China (72 Prozent), Finnland (11 Prozent) und Kanada (10 Prozent) hergestellt. Auch in Deutschland gibt es Potenziale für Germanium, die zu Neuentdeckungen führen könnten. Die technischen Verfahren zur Exploration und Aufbereitung der Erze können jedoch nicht ohne weiteres auf die Vorkommen in Deutschland übertragen werden. Um Germanium kommerziell in der Bundesrepublik gewinnen zu können, muss daher weiter geforscht werden.

In der Energiewende wird dieses Halbmetall vor allem für Solarzellen, Glasfaserkabel und Katalysatoren benötigt.

Es wird als potenziell kritisch eingestuft. Als kritisch wird ein Rohstoff bezeichnet, der eine hohe wirtschaftliche Bedeutung hat, schwer zu ersetzen ist.

Gallium

Gallium ist ein Metall, das nicht aus eigenständigen Lagerstätten gewonnen wird, sondern als Nebenprodukt bei der Herstellung von Aluminium oder Zink. Diese „Beiprodukte“ werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind entsprechend intransparent.

Das mit Abstand größte Produktionsland ist China: Mehr als vier Fünftel des weltweit verfügbaren Galliums werden in diesem Land hergestellt. Weitere Produktionsländer sind Kasachstan (4 Prozent) und die Republik Korea (3 Prozent). Bis zum Jahr 2016 gab es auch in Deutschland ein großes Produktionswerk in Stade/Niedersachsen. Der Betrieb wurde mittlerweile aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt.

Gallium wird vor allem zur Herstellung von Halbleitern benötigt, die unter anderem in Hochleistungs-Mikrochips, LEDs oder Solarzellen zum Einsatz kommen.

Dieses Metall wird als potenziell kritisch eingestuft. Als kritisch wird ein Rohstoff bezeichnet, der eine hohe wirtschaftliche Bedeutung hat, schwer zu ersetzen ist und aus eher unzuverlässigen Lieferländern stammt.

Indium

Indium ist ein seltenes Metall. Es tritt nicht in eigenständigen Lagerstätten auf, sondern wird als Nebenprodukt gewonnen. Der Großteil des Indiums entsteht bei der Aufbereitung und Verhüttung sowie beim Recycling von Zinkstäuben, die bei der Zinkgewinnung anfallen.

Die wichtigsten Produktionsländer sind China (55 Prozent), die Republik Korea (18 Prozent) und Japan (9 Prozent).

Auch in Deutschland gibt es Potenziale für Indium, die zu Neuentdeckungen führen könnten. Die technischen Verfahren zur Exploration und Aufbereitung der Erze können jedoch nicht ohne weiteres auf die Vorkommen in Deutschland übertragen werden. Um Indium kommerziell in der Bundesrepublik gewinnen zu können, muss daher weiter geforscht werden.

Indium wird für Dünnschicht-Photovoltaikanlagen sowie LCD-Bildschirme benötigt. Dieses Metall wird als potenziell kritisch eingestuft. Als kritisch wird ein Rohstoff bezeichnet, der eine hohe wirtschaftliche Bedeutung hat, schwer zu ersetzen ist und aus eher unzuverlässigen Lieferländern stammt.

Tellur

Tellur ist ein seltenes Halbmetall, das nicht aus eigenständigen Lagerstätten gewonnen wird, sondern als Nebenprodukt bei der Kupfergewinnung. Bei der Herstellung von Reinkupfer durch die Raffination von Rohkupfer wird Tellur im Anodenschlamm abgeschieden.

Beiprodukte wie Tellur werden oft nur von wenigen Produzenten und Abnehmern gehandelt, die Märkte sind entsprechend intransparent.

Die größten Produktionsländer sind die USA (27 Prozent), Japan (18 Prozent) und Schweden (17 Prozent).

Tellur wird vor allem für den Bau von Dünnschicht-Solarzellen benötigt. Im Gegensatz zu vielen anderen Metallen kann Tellur relativ leicht durch andere Elemente oder Elementverbindungen ersetzt werden.

Kobalt

Kobalt ist ein Übergangsmetall, das überwiegend als Nebenprodukt aus Nickel- und Kupfererzen gewonnen wird.

Drei Fünftel des weltweit verfügbaren Kobalts werden in der Demokratischen Republik Kongo hergestellt. Weitere wichtige Förderländer sind China (7 Prozent) und Kanada (6 Prozent). Die Länderkonzentration ist somit hoch.

Neben Kupfer und Nickel zählt Kobalt zu den Metallen, für die es marine Lagerstätten im Pazifischen und Indischen Ozean gibt: Es findet sich unter anderem in polymetallischen Knollen (Manganknollen) und Krusten von Seebergen. Für ein Gebiet im Pazifischen Ozean zwischen Mexico und Hawaii hat Deutschland eine Erkundungslizenz erworben.

Da die Förderung aus der Tiefsee bisher sehr aufwändig und teuer ist, müssen effizientere Technologien für den Abbau und die Verarbeitung entwickelt werden. Wichtig sind auch die Umweltfolgen, die weiter erforscht werden müssen.

Kobalt wird vor allem in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Außerdem steckt es in Magneten, Legierungen und Katalysatoren. In Power-to-Gas-Anlagen kommt es in der Elektrolyse zum Einsatz.

Lithium

Lithium ist ein Leichtmetall, das aus der Sole von Salzseen sowie aus Lithiummineralien gewonnen wird.

Die größten Förderländer sind Australien (39 Prozent), Chile (37 Prozent) und Argentinien (11 Prozent). Außerdem werden große Lithiumressourcen in Bolivien vermutet.

Auch in Deutschland gibt es Potenziale für Lithium, die zu Neuentwicklungen führen könnten. Die technischen Verfahren zur Exploration und Aufbereitung der Erze können jedoch nicht ohne weiteres auf die Vorkommen in Deutschland übertragen werden. Um Lithium kommerziell in der Bundesrepublik abbauen zu können, muss daher zunächst weiter geforscht werden.

In der Energiewende wird Lithium hauptsächlich für Batterien und Speicher benötigt. Es wird vor allem in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Ein wichtiges Einsatzgebiet von Lithium in künftigen Energiesystemen sind Hochleistungs-Elektrizitätsspeicher für Elektroautos.

Vanadium

Das Übergangsmetall Vanadium kommt in der Natur in verschiedenen Mineralien vor. Lagerstätten mit hohen Konzentrationen von Vanadium sind jedoch selten.

Das Metall wird hauptsächlich zusammen mit Magnetit (Eisenoxid) gewonnen. Die wichtigsten Bergbauländer sind China (54 Prozent), Südafrika (25 Prozent) und Russland (18 Prozent). Somit ist die Länderkonzentration der Bergwerksförderung hoch.

Vanadium wird größtenteils in der Stahlindustrie eingesetzt. Kombiniert mit Sauerstoff spielt das Metall jedoch auch in der Energiewende eine entscheidende Rolle: Es wird als Hauptelektrolyt in Redox-Flow-Speichern verwendet. Sie können elektrische Energie in zwei getrennten Kreisläufen speichern. Vanadium ist hierfür besonders geeignet, da es in vier verschiedenen Wertigkeiten vorliegt und dadurch in beiden Elektroden verwendet werden kann.

Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlagen tragen derzeit mit 7 Prozent zur deutschen Stromerzeugung bei. Im Jahr 2035 sollen 55 bis 60 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien stammen. Photovoltaik wird daran zusammen mit Windkraft voraussichtlich den Hauptanteil leisten.

Technisch lassen sich Dickschicht- von Dünnschichtsolarzellen unterscheiden. Rund 90 Prozent der aktuell in Deutschland genutzten Module sind Dickschichtzellen, für deren Produktion Silizium benötigt wird. Die Wafer (Scheiben) einer solchen Zelle sind rund 0,45 Millimeter dick. Dünnschichtzellen hingegen haben eine Dicke von 0,1 bis 0,2 Millimetern.

Auch wenn Dickschichtzellen momentan den Markt dominieren, haben Dünnschichtzellen technologische Vorteile: Ihre Zellgröße und Zellform kann beliebig gewählt werden und es stehen verschiedene Materialien zur Auswahl. So können Dünnschichtzellen aus Silizium, Selen, Gallium, Kupfer, Indium oder Tellur bestehen, oft auch in Kombination. Wichtig ist auch Silber für die Kontakte.

2013 wurden weltweit rund 790 Tonnen Indium produziert. Davon wurden zwischen 35 und 103 Tonnen für die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen benötigt. 11 bis 45 Tonnen der weltweit geförderten 350 Tonnen Gallium wurden in Dünnschichtzellen verbaut. Und rund die Hälfte der gesamten Tellurproduktion (500 bis 550 Tonnen) wurde in der Dünnschichttechnologie eingesetzt.

© acatech/ E. Franquesa
Windkraftanlage

Mit einem Anteil von 12,3 Prozent an der deutschen Stromerzeugung ist Windkraft derzeit die wichtigste Erneuerbare-Energietechnologie. Im Jahr 2035 sollen die erneuerbaren Energien mit 55 bis 60 Prozent zur Stromerzeugung beitragen. Windkraft wird daran zusammen mit Photovoltaik voraussichtlich den Hauptanteil leisten. Während Windkraftanlagen an Land (Onshore) bereits breit eingesetzt werden, gibt es für Windkraftanlagen auf See (Offshore) große Wachstumspotenziale: Die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass ihr Anteil an der globalen Windenergieleistung bis 2035 von derzeit 2,1 Prozent auf 20 Prozent steigen wird. Offshore-Anlagen sind vor allem für Länder wie Deutschland interessant, weil wirtschaftliche Windkraftstandorte an Land bereits erschlossen wurden. Durch die höheren und kontinuierlichen Windgeschwindigkeiten auf See wird außerdem mehr Strom erzeugt.

Mit einem Permanentmagnet angetriebene Windkraftanlagen sind für den Offshore-Einsatz besonders geeignet, weil sie seltener gewartet werden müssen. Für die Permanentmagnete der Generatoren werden die Seltenen Erden Neodym und Dysprosium benötigt.

Die in Windkraftanlagen eingesetzte Menge von Neodym liegt um 200 Kilogramm pro Megawatt, diejenige von Dysprosium zwischen 15 und 30 Kilogramm pro Megawatt.

© acatech/ E. Franquesa
Intelligente Stromnetze

Die Energieversorgung der Zukunft wird dezentral geprägt sein. Eine immer größere Anzahl von Windkraft- und Photovoltaikanlagen erzeugt wetterabhängig Strom. Verbraucher können dazu beitragen, die schwankende Einspeisung auszugleichen, indem sie beispielsweise ihr Elektroauto dann aufladen, wenn gerade die Sonne scheint und der Wind weht.

Intelligente Stromnetze – sogenannte Smart Grids – schaffen Kommunikationsschnittstellen zwischen Erzeugungsanlagen, Speichern und Verbrauchern. Sie senden Informationen zu Netzauslastung, Erzeugung und Strombedarf an die Anlagen und ermöglichen es dadurch, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen und das System zu stabilisieren.

Neben den Elementen für die eigentlichen Stromleitungen, Kupfer, Stahl und Aluminium, wird für Smart Grids in großem Umfang Informations- und Kommunikationstechnologie eingesetzt. Zum Beispiel werden die gleichen Elemente benötigt, die auch in Computern vorkommen. So stecken in einem Computerchip für die digitale Steuerung eines Kraftwerks rund 60 verschiedene Elemente, unter anderem Seltene Erden, Gallium, Germanium, Indium, Platin und Palladium.

Die Seltenen Erden Neodym und Praseodym werden zur Herstellung von dauerhaften Magneten in Laufwerken verwendet, aus Tantal und Palladium werden Kondensatoren produziert. Halbleiter funktionieren nicht ohne Gallium, Displays nicht ohne Indium. Lithium und Kobalt bringen Akkus zum Laufen. Germanium sorgt für schnellere Prozessoren und flexiblere Speichermedien.

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Für einige leistungselektronische Komponenten (Spannungsumsetzer und aktive Transformatoren) und hitzeresistente Kabel kommen Seltene Erden, Gallium und Silizium zum Einsatz.

Lithium-Ionen-Batterie

Batterien und Akkumulatoren können Energie kurzfristig speichern, um die schwankende Einspeisung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen auszugleichen. Der Bedarf an solchen Kurzzeitspeichern wächst kontinuierlich. Die derzeit erfolgversprechendste Technologie ist die Lithium-Ionen-Batterie, da sie besonders leistungsfähig ist. Es gibt verschiedene Batterietypen, für die neben Lithium unterschiedliche Rohstoffe benötigt werden. Dazu zählen unter anderem Eisen, Phosphor, Nickel, Kobalt, Mangan und Aluminium. Welches dieser Lithiumsysteme sich künftig durchsetzen wird, ist noch offen. Batterien mit einem hohen Kobaltanteil haben den Vorteil, dass sie eine hohe Energiedichte aufweisen.

Lithium wird in der Batterie eingesetzt, um den Transport der Elektrizität im Zelleninneren zu bewerkstelligen. In der Kathode können unterschiedliche Metalle verwendet werden. So steckt zwischen 0,1 und 1 Gramm pro Wattstunde Kobalt in Lithium-Ionen-Batterien. Der Nickelanteil schwankt je nach Batterietyp zwischen 0,3 und 1 Gramm pro Wattstunde.

Vor allem in der Elektromobilität spielen Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle: Sie gelten als wichtigste Technologie für Hochleistungs-Elektrizitätsspeicher in Elektroautos. Der Bedarf an Lithium und Kobalt wird daher künftig weiter steigen. Geht man davon aus, dass sich Elektroautos bis 2035 durchgesetzt haben, werden für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos schätzungsweise 110.000 Tonnen Kobalt und Lithium benötigt.

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Redox-Flow-Speicher

Energiespeicher spielen in der Energiewende eine zentrale Rolle: Sie werden eingesetzt, um die schwankende Stromerzeugung aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen auszugleichen. Besonders effizient und langlebig sind Redox-Flow-Batterien. Sie speichern Energie in Salzen und sind daher mit den klassischen Akkumulatoren verwandt. Im Unterschied zu Akkus zirkulieren die beiden Elektrolyte in Redox-Flow-Batterien jedoch in zwei getrennten Kreisläufen. Zwischen ihnen wird mithilfe einer Membran ein Elektronenaustausch ermöglicht.

Am weitesten verbreitet ist die Vanadium-Redox-Batterie, weil das Vanadium in beiden Elektroden verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil: Diese Batterien arbeiten automatisch und müssen kaum gewartet werden, sodass sie über mehrere Jahrzehnte eingesetzt werden können.

Von den 2013 produzierten 80.970 Tonnen Vanadium wurden 3.000 Tonnen für Redox-Flow-Batterien benötigt. Hochrechnungen zufolge könnte der weltweite Vanadiumbedarf bis zum Jahr 2035 auf 640.000 Tonnen steigen.

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Power-to-Gas-Anlage

In Power-to-Gas-Anlagen wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und gegebenenfalls weiter in Methan (synthetisches Erdgas) umgewandelt. Methan kann im Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden. Das Gas wird anschließend entweder rückverstromt oder für andere Anwendungen genutzt, zum Beispiel als Brenn- oder Kraftstoff oder für die chemische Industrie. Power-to-Gas-Anlagen können also dazu beitragen, überschüssigen erneuerbaren Strom nutzbar zu machen. Da die Investitionskosten bisher noch zu hoch sind, wird die Technologie in Forschungs- und Demonstrationsprojekten getestet und weiterentwickelt.

Eine Power-to-Gas-Anlage besteht im Wesentlichen aus der Elektrolyse für die Wasserstofferzeugung und der anschließenden Methanisierung. Platin und Palladium werden dabei als Katalysatoren für beide chemische Reaktionen eingesetzt. Für die Elektrolyse werden auch Iridium, Kobalt und Seltene Erden benötigt.

Vor allem in der Elektromobilität spielen Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle: Sie gelten als wichtigste Technologie für Hochleistungs-Elektrizitätsspeicher in Elektroautos. Der Bedarf an Lithium und Kobalt wird daher künftig weiter steigen. Geht man davon aus, dass sich Elektroautos bis 2035 durchgesetzt haben, werden für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos schätzungsweise 110.000 Tonnen Kobalt und Lithium benötigt.

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Elektroauto

Elektroautos tragen dazu bei, den Verkehr klima- und umweltfreundlicher zu machen. Insbesondere in Verbindung mit regenerativ erzeugtem Strom verursacht ihr Betrieb deutlich weniger CO2 als herkömmliche PKW. Außerdem können sie mit ihren Batteriespeichern die Schwankungen von Wind- und Sonnenkraft ausgleichen, sofern sie an ein Smart-Grid-System angeschlossen sind. Als wichtigste Technologie für leistungsfähige Speicher in Elektroautos gelten Lithium-Ionen-Batterien.

Während konventionelle Fahrzeuge einen Verbrennungsmotor haben, fahren Elektroautos mit elektrischen Traktionsmotoren. Seltene Erden stecken in den Magneten dieser Motoren. Dafür werden heutzutage meist moderne Neodym-Eisen-Bor-Magnete verwendet. Durch ihren Einsatz können kompaktere und weniger störanfällige Elektromotoren gebaut werden.

Hochrechnungen zufolge werden bis zum Jahr 2035 etwa 16.000 Tonnen der Seltenerdmetalle Neodym und Praseodym allein für Elektroautos gebraucht.

Auch Kupfer ist für die Elektromobilität unverzichtbar. Das Metall sorgt dafür, dass die Antriebsmotoren funktionieren und mit dem Akkumulator verbunden sind. Experten schätzen, dass bis zum Jahr 2035 rund 5 Millionen Tonnen Kupfer für elektrische Traktionsmotoren benötigt werden.

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Man unterscheidet direkt-elektrische Fahrzeuge, die Strom „tanken“, und Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden. Für letztere kommen vor allem PEM-Brennstoffzellen zum Einsatz, weil sie dynamisch reagieren und hohe Leistungsdichten erzielen. Platin wird als Katalysator für Brennstoffzellen eingesetzt.