Edelmetalle

Edelmetalle Dr. Ing. Christian Hagelüken Umicore Precious Metals Refining Rodenbacher Chaussee 4 63457 Hanau

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Bedeutung der Edelmetalle

Als Edelmetalle bezeichnet man die Elemente Gold (Au) und Silber (Ag) sowie die Platingruppenmetalle (PGM) mit den Elementen Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Ruthenium (Ru) und Osmium (Os). Die Edelmetalle nehmen wegen ihres hohen Wertes, ihrer besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften, aber auch wegen ihrer Schönheit und kulturellen Bedeutung eine Sonderrolle unter den Metallen ein. Alle Edelmetalle besitzen eine geringe Elektronenaffinität, ein starkes positives Normalpotential gegenüber der Wasserstoffelektrode, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine große Dichte. Die Platinmetalle weisen generell hohe Schmelzpunkte auf, weswegen einige dieser Metalle auch als Hochtemperatur-Werkstoffe Verwendung finden. Auch verfügen vor allem die Platinmetalle über ausgeprägte katalytische Eigenschaften. Die Platinmetalle stehen in der 8. Gruppe des Periodensystems, Silber und Gold in den Nachbargruppen. Alle zählen zu den Übergangsmetallen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass Elektronen der d-Orbitale an chemischen Bindungen beteiligt sind.

1.1 Historisches Gold und Silber haben bereits in prähistorischer Zeit Beachtung gefunden. In gediegener Form gefundenes Gold wurde auf Grund seiner guten Duktilität manuell verarbeitet. Seit jener Zeit gilt Gold mit seinem Glanz, seiner Farbe, Beständigkeit und Seltenheit als das Symbol für Reichtum und Glück. Zwischen 6000 und 3800 v. Chr. entstanden in Ägypten, Mesopotamien und auf dem Balkan erste Zentren der Goldgewinnung und -verarbeitung, in enger Nähe zur Entwicklung der Kupfer- und Silbermetallurgie. Aufgrund der Faszination, die die Edelmetalle auf den Menschen ausübten, erlangten sie kultischen Bedeutung; hinzu kam die Verwendung als Handelsobjekt und Währungsmetall. Die dekorative Verwendung von Platin ist aus dem 7. Jh. v. Chr. (Ägypten) und aus dem vorkolumbianischen Inkareich bekannt. 1828 wurde Platin erstmals als Münzmetall in Russland eingesetzt. Noch heute haben die Edelmetalle ihre Bedeutung als Wertanlage und Sicherheitsreserve - trotz ihrer Demonitarisierung - behalten. In der Regel kann deshalb bei globalen wirtschaftlichen oder politischen Krisen noch immer ein Ansteigen des Goldpreises verzeichnet werden, 44. Metallurgisches Seminar

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Hagelüken in dessen Gefolge oft die Kurse für Silber, Platin und Palladium ebenfalls anziehen. So hat nach der Finanz- und Wirtschaftskrise 2008 der Goldpreis im Dez. 2009 mit 1218 US-$/troz (25,90 €/g) ein Allzeithoch erklommen. Mit der industriellen Entwicklung stieg auch der technische Bedarf an Edelmetallen stark an, wobei besonders die Platinmetalle an Bedeutung gewonnen haben. [1] Mit einer heutigen globalen Bergwerksproduktion von insgesamt rund 23.000 t/a ließe sich die jährliche Feinmetallerzeugung an Edelmetall leicht in einer kleinen Lagerhalle unterbringen. Die jährliche Primärproduktion an Platinmetallen (rd. 450 t bzw. 30 m³) würde sogar in einem 15 m² Wohnraum Platz finden (Bild 1).

Bild 1:

Weltweite Minenproduktion der Edelmetalle (Werte für 2009, gerundet)

1.2 Edelmetalle im täglichen Leben Aufgrund der besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften der Edelmetalle findet man Edelmetalle fast überall im täglichen Leben, da ihr Preis hoch ist, jedoch meist nur in geringen, kaum sichtbaren Mengen. Sichtbar sind Edelmetalle bei Barren, Münzen, Medaillen und natürlich beim Schmuck. Bei Barren steht der Werterhaltungsaspekt im Vordergrund, bei den anderen Beispielen kommt die Schönheit hinzu. Dort, wo Edelmetalle nur selten sichtbar sind, werden sie wegen ihrer Eigenschaften einge2

Heft XYZ der Schriftenreihe der GDMB

Edelmetalle setzt. Alle Edelmetalle wirken katalytisch. So gelingt die Umwandlung der Schadstoffe aus einem Verbrennungsmotor bei den dort herrschenden Temperaturen nur in Gegenwart von Platingruppenmetallen. In sehr vielen chemischen Prozessen werden heute Edelmetalle als Katalysatoren eingesetzt. In der Dentaltechnik werden Edelmetalle wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Farbe verwendet, in der Elektronik und Elektrotechnik wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit. So benötigt z.B. ein Mobiltelefon für fast alle Bauteile Edelmetalle: Die bis zu 250 darin enthaltenen Vielschichtkondensatoren haben Elektroden aus Silber und/oder Palladium, sie werden genauso wie die Chips mit silberhaltigen Loten verlötet. Die Goldkontakte sorgen für zuverlässige Verbindungen, und Platin/Rhodium benötigt man zur Herstellung des besonders reinen Glases für die LCD Anzeigen. In einem Mobiltelefon sind durchschnittlich 250 mg Ag, 24 mg Au und 9 mg Pd enthalten. Das ist pro Stück zwar sehr wenig, bei der großen Anzahl der weltweit verkauften Mobiltelefone (1,3 Mrd. Stück in 2008) addiert sich dies aber zu erheblichen Mengen (325 t Ag, 31 t Au, 12 t Pd). Addiert man die Edelmetalle hinzu, die jährlich für die Produktion von Computern verwendet werden, dann machen allein diese beiden Anwendungen 3% der Weltminenproduktion bei Silber, 4% bei Gold und 16 % bei Palladium aus. Die Edelmetall Konzentration in einem Mobiltelefon (ohne Akku) liegt mit 350 g/t Gold rund 70-mal so hoch, wie der durchschnittliche Goldgehalt der heute weltweit geförderten Erze. Ein modernes Automobil hat neben den vielen elektronischen Bauteilen mit ihren Edelmetallen bis zu 400 Schaltkontakte, die ohne Silber nicht so zuverlässig wären, im Abgaskatalysator sind Platin, Palladium und Rhodium enthalten, und Benzin bzw. Diesel für das Fahrzeug werden in Ölraffinerien mit Hilf von Platin- und Palladiumhaltigen Prozess-Katalysatoren hergestellt. Fensterscheiben sind aus optischen und wärmedämmenden Gründen mit hauchdünnen Silberschichten beschichtetet, und auch die klassische Fotografie würde ohne Silber nicht funktionieren. Zum Messen von Temperaturen, Durchflussmengen oder des Sauerstoffgehaltes im Abgas werden Platinmetalle benötigt. Auch für über die bestehenden Anwendungen hinausgehende Zukunftstechnologien sind Edelmetalle unverzichtbar. So werden für die Massenanwendung der Brennstoffzellen im mobilen und portablen Bereich große Mengen an Platin sowie gegebenenfalls auch Ruthen, Palladium und Gold benötigt, bei neue Superlegierungen für Turbinenschaufeln werden Ruthen und Platin eingesetzt, und eine signifikante Stromerzeugung mit kristallinen Solarzellen erfordert erhebliche Mengen an Silber. [1]

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Hagelüken Tabelle 1. Anwendungsfelder der Edelmetalle (xx = sehr starke Bedeutung; x = starke Bedeutung; o = spezielle Verwendung / für jeweiliges Anwendungsfeld)

Einsatzfelder der Edelmetalle Au Ag Pt

Rh

Ir

Os

Ru

o

o

Katalyse

o

x

xx

xx

x

o

Schmuck

xx

xx

xx

x

o

o

Dentaltechnik

xx

o

o

x

Elektronik/Elektrotechnik

xx

xx

x

xx

o

Dünnschichttechnik

xx

xx

x

x

x

Analog-Fotografie Löttechnik

2

Pd

o

o o

x o

xx x

xx

Messtechnik

xx

x

Glasindustrie

xx

x

Medizintechnik

xx

x

o

o

Entwicklung der Edelmetallmärkte

Kumuliert wurden weltweit bisher schätzungsweise 1,6 Mio. t Silber, 150.000 t Gold und 11.500 t Platinmetalle gefördert. Große Anteile dieser Förderung fanden erst seit Beginn der 1980er Jahre statt: Rund 0,4 Mio. t Ag (25 %), 50.000 t Au (35 %) und 10.000 t PGM (85 %) (Zahlen bis 2009). Diese Entwicklung geht einher mit einer zunehmenden Bedeutungsverschiebung von den klassischen Schmuck- und Münzanwendungen hin zum industriellen Bedarf. Bei den Platinmetallen wird dies besonders deutlich - im 18 Jahrhundert wurden rund 30 t PGM gefördert, bis zum Beginn des 1. Weltkrieges insgesamt weitere 200 t. In der Folgezeit bedingten vor allem technologische Neuentwicklungen zum Teil erhebliche Nachfragesprünge: Die Entwicklung des Pt/Rh-Katalysators für die NH3-Oxidation (um 1920), der Einsatz von Pt-Reforming-Katalysatoren bei der Erdölraffination (1950) und vor allem die Einführung des Autoabgaskatalysators (1975). Ein weiterer Nachfrageschub wird mit der breiteren Verwendung von Brennstoffzellen kommen. Bild 2 zeigt die langfristige Preisentwicklung (nominal) bei Platin und Palladium sowie Meilensteine beim Pt-/Pd Einsatz. In Bild 3 und 4 sind die aktuelle Aufteilung der Nettonachfrage für wichtige Edelmetalle dargestellt. Beim Gold macht die industrielle Nachfrage nur knapp 20 % aus, der größte Teil davon ist für elektronische und elektrische Anwendungen. Bei den PGM dominiert der Autokatalysator mit rund 50 % die Gesamtnachfrage, Schmuck und Investment kamen hier in 2008 zusammen auf gut 20 %. 4

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Edelmetalle

1600 US-$/troz

Pt

Pd

1400

Industrielle Nachfrage Konsumer Nachfrage Schmuck & Investment

-> 1989 Pt in PC-hard disks

500

t/a

1200

Pd

300

1000

-> 1985: Autokat Europa

Rh

200

800

1995-2001 Pd-dominierter Autokat

400

100

Pt

-> 1975 Autokat US

0 19 8 0

19 8 4

1 9 88

1 99 2

1996

2 0 00

2 00 4

2 0 08

600 400 200

1910

1920

1930

1988: hohes PtInvestment Japan

-> Ende 1960‘s Pt- Schmuck Japan Mitte 1950‘s Pt-Reforming Kat.

→ 1900: Pd/C-Kat. (Feinchemie) -> 1920‘s Pt-Kat HNO 3 1900-1930 Pt-Kat. H2SO4

0 1900

-> Mitte 1990‘s Pt- Schmuck China -> 2000 Europa Diesel Boom

-> 1985 Pd in MLCC

-> 2004 Pdjewellery China -> Mitte 1980‘s: Pt für LCD Glas

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Bild 2: Langfristige Preisentwicklung Platin und Palladium und Meilensteine in der Anwendung [6] (eingebettete Grafik: Weltweite Nettonachfrage Pt, Pd, Rh 1980-2009 nach [5])

Bild 3: Weltweite Bruttonachfrage nach Gold, 2008 (Zahlen nach [2])

44. Metallurgisches Seminar

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Hagelüken

USD/troz

Bild 4: Weltweite Nettonachfrage Platin, Palladium und Rhodium 2008 (Zahlen nach [5])

2 000

Pt & Pd Pt

1 500

1 000

Pd Pt

500

Pd

08

09

10

09

10

07

06 06

08

05

04

05

03

02

01

00

99

98

97

96

95

94

93

92

91

90

88

89

0

USD/troz

1 00 00 90 00 80 00

R h o d iu m (R h )

70 00 60 00 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00

07

04

03

02

01

00

99

98

97

96

95

94

93

92

91

90

89

88

0

Bild 5: Preisentwicklung Platin, Palladium und Rhodium 1988-2009 (Monatsdurchschnitte) 6

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Edelmetalle Temporäre Defizite zwischen Angebot und Nachfrage sowie spekulative Einflüsse führen bei Edelmetallen oft zu drastischen Preisausschlägen, wie sie in dieser Größenordnung bei anderen Metallen nicht vorkommen. Die Bilder 5 und 6 zeigen die Entwicklung der Edelmetallpreise der letzten 21 Jahre. Das generell hohe Preisniveau bedingt auch starke Substitutionsanreize der Metalle in technischen Anwendungen und zwar sowohl der Edelmetalle gegeneinander (z.B. Pd gegen Pt in Autokatalysatoren) als auch von Buntmetallen gegen Edelmetalle (z.B. Nickel gegen Pd in Vielschichtkondensatoren).

2000 1800 1600

Silber (Ag)

UScents/troz

1400 1200 1000 800 600

10

08

06

04

02

00

98

96

94

92

90

200

88

400

Bild 6: Preisentwicklung Gold und Silber 1988-2009 (Monatsdurchschnitte)

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Hagelüken

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Bedeutung von Bergbau und Recycling

Der mittlere Gehalt an Edelmetallen in der Erdkruste ist im Vergleich zu anderen Elementen sehr gering. Er beträgt bei Silber 0,1 g/t (ppm), bei Gold ca. 0,005 ppm und bei den Platingruppenmetallen zusammen ca. 0,1 ppm. Der Gehalt der heute abgebauten Lagerstätten liegt bei Au und den PGM im allgemeinen deutlich unter 10 g/t, die Metalle werden oft im Tiefbau unter schwierigen Bedingungen abgebaut. Oft ist die Primärgewinnung mit erheblichen Umweltauswirkungen verbunden. Die Erschließung neuer Vorkommen ist langwierig und erfordert hohe Investitionen, die meisten Bergwerke werden von großen, weltweit operierenden Minengesellschaften betrieben. Auch regional gibt es eine erhebliche Konzentration, vor allem bei den PGM. Rund 90% der aktuellen Minenproduktion der Platinmetalle stammt aus Südafrika und Russland, die auch beim Gold zu den wichtigen Förderländern zählen. In Bild 7 sind die weltweiten PGM Lagerstätten sowie die Entwicklung der Fördermengen seit 1980 dargestellt. Rund 50% der Silberproduktion kommt aus Nord- und Südamerika, die größten Förderländer sind Peru, Mexiko, China und Australien. Neben dem Abbau von Silberminen werden signifikante Anteile der Förderung auch als Nebenprodukt des Goldbergbaus sowie von Blei-Zink Minen gewonnen. [3]

30

250 [t/a] 200

[t/a]

Russia Others North Ame rica S outh Africa

Pt

Rh

Russia North America South Africa Others

25 20

150

15 100

10 50

5 0

0 1980

300

1985

1990

[t/a]

250 200 150

1995

2000

2005

1986

1991

1996

2001

2006

Pd

Russia North America South Africa Others

Russia 2009: Mine prod. ≈ 80 t exports 110 t

100 50 0 1980

1985

1990

1995

2000

2005

Numbers based on JM 2008

Bild 7: PGM Lagerstätten und Entwicklung der Förderung 1988-2009 (werte nach [4; 5])

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Edelmetalle Es kann davon ausgegangen werden, dass ein großer Teil der bisher geförderten Edelmetalle noch vorhanden ist. Das gilt vor allem beim Gold, wo allein die offiziellen Goldreserven (Zentralbankbestände) über 30.000 t betragen. Hinzu kommen private Hortungen sowie große Schmuck und Münzbestände von Gold, Silber und Platin. Der hohe Wert der Edelmetalle bietet auch bei technischen Anwendungen besondere Anreize für das Recycling, das heute signifikante Anteile an der Versorgung hat. Wichtige Einflussfaktoren auf die erzielbaren Recyclingquoten sind - neben dem aktuellen Preisniveau - Edelmetallgehalte und Zusammensetzung des Altmaterials, die Lebensdauer und vor allem die Lebenszyklusstruktur des edelmetallhaltigen Produkts. Bei direkten Kreisläufen zwischen Produkthersteller, industriellem Anwender und Edelmetallscheidung (Refining) werden in der Regel sehr hohe Recyclingquoten erzielt (z.B. Katalysatoren in der chemischen Industrie), während bei indirekten Kreisläufen (hier sind noch viele Endverbraucher zwischengeschaltet; z.B. Autokatalysator oder Elektronikanwendungen) noch erhebliches Optimierungspotenzial besteht. Wie die Primärgewinnung ist auch die Sekundärgewinnung von Edelmetallen technisch anspruchsvoll und wird von einer begrenzten Anzahl von erfahrenen Unternehmen betrieben. Gegenüber der Primärgewinnung weist das Recycling erhebliche ökologische Vorteile auf. Eine detaillierte Betrachtung enthält das Kapitel Edelmetallrecycling dieses Buches.

Literatur [1]

BRUMBY, A., HAGELÜKEN, C., LOX, E., KLEINWÄCHTER, I.: Edelmetalle, in: Winnacker-Küchler, Chemische Technik, 5. Aufl., Bd. 6b (Metalle), Weinheim 2005, 209-276..

[2]

GFMS (2009): Gold

[3]

GFMS & THE SILVER INSTITUTE (2009): World

[4]

GFMS (2009): Platinum

[5]

JOHNSON MATTHEY: (2009): Platinum 2009 Interim Review, London.

[6]

HAGELÜKEN, C.

Survey 2009, London. Silver Survey 2009, London.

& Palladium Survey 2009, London

(2006): Markets for the catalyst metals platinum, palladium and rhodium, Metall 60 (2006), H. 1-2, 31-42.

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