Bunte Kaffeekapseln für Kaffeemaschinen

30.11.2018 | Von:
Stefan Gäth
Frances Eck

Zur falschen Zeit am falschen Ort. Müll als Ressource

Lebensessenz Phosphor

Ein lebensnotwendiger Nährstoff für alle Organismen ist Phosphor. Für zahlreiche physiologische und biochemische Prozesse, etwa für die DNA, die Zähne oder den Knochenbau, ist dieser Stoff essenziell. Phosphor wird – in Form von Phosphaten, also Salzen der Phosphorsäure – ausschließlich durch die Nahrung aufgenommen und kann nicht selbstständig vom Körper gebildet werden. Neben Kalium und Sticksoff ist Phosphor einer der drei Hauptnährstoffe für Pflanzen, der nicht durch andere ersetzt werden kann. Um eine optimale Pflanzenentwicklung zu ermöglichen, muss Phosphat in ausreichender Menge und in pflanzenverfügbarer Form im Boden vorhanden sein. Aufgrund seiner Relevanz für die Nahrungsmittelproduktion zählt Phosphor zu den wichtigsten mineralischen Rohstoffen.[9]

Das Hauptanwendungsgebiet von Phosphor ist die Düngemittelindustrie. Von der gesamten Phosphatproduktion fließen 80 bis 90 Prozent in diesen Sektor,[10] weltweit werden jährlich über 40 Millionen Tonnen als Düngemittel in der Landwirtschaft eingesetzt.[11] Hierbei werden organische sowie mineralische Düngemittel verwendet. Organisches Düngemittel (Wirtschaftsdünger) wird aus Gülle, Mist oder natürlichen Pflanzenrückständen gewonnen. Im Vergleich zu mineralischen Düngemitteln spielen diese jedoch eine eher untergeordnete Rolle, da der Phosphorgehalt im Vergleich zum Stickstoffgehalt geringer ist und zum anderen mineralische Dünger wegen ihrer homogenen Zusammensetzung und besseren Lagerfähigkeit präferiert werden.[12] Weitere große Anwendungsgebiete von Phosphor sind die Futter- und Nahrungsmittelproduktion sowie die Wasch- und Reinigungsmittelherstellung.[13]

Mineralisches Phosphat wird fast ausschließlich im Tagebau gewonnen. Die Lagerstätten sind zu 85 Prozent aus sedimentären und rund 15 Prozent magmatischen Ursprungs.[14] Je nach Entstehungsort variiert der Erzgehalt des Gesteins zwischen 5 und 37 Prozent. Nach dem Abbau werden die Erze mittels physikalischer Verfahren (Flotationsverfahren) zu Rohphosphat aufkonzentriert und der weiteren Aufarbeitung zugeführt. Über zwei Drittel der globalen Rohphosphatförderung entfallen auf nur drei Länder: Mit einem Anteil von 45 Prozent ist China das größte Förderland, gefolgt von Marokko mit 14 Prozent und den USA mit 12 Prozent. Auch auf der Produktionsseite spielen diese Länder eine große Rolle. Damit zeigt sich eine relativ hohe regionale und unternehmerische Konzentration bei der Rohphosphatversorgung.[15]

Die Nachfrage an Düngemitteln ist seit den 1980er Jahren um rund 30 Prozent angestiegen. Speziell in den Schwellenländern hat sie sich stark erhöht, vor allem wegen des gestiegenen Bedarfs an Lebensmitteln, Futtermitteln und Biokraftstoffen.[16] Aktuell wird die weltweite Phosphatnachfrage stark von China, Indien, den USA und Brasilien bestimmt. Rund 70 Prozent aller verfügbaren Phosphatdüngemittel werden dort verbraucht. Aufgrund des zu erwartenden Bevölkerungswachstums ist langfristig mit einem weiteren Anstieg der Phosphatnachfrage zu rechnen.

Da Phosphor ein nicht erneuerbarer Rohstoff ist, wird in den vergangenen Jahren vermehrt auf seine Knappheit hingewiesen. Der sogenannte peak phosphor – also der Zeitpunkt, zu dem die maximale globale Phosphorproduktionsrate erreicht ist – soll in etwa 20 Jahren erreicht sein. Die globalen Phosphatreserven werden aktuell noch auf rund 70 Milliarden Tonnen geschätzt. Bei einem jährlichen Verbrauch von etwa 260 Millionen Tonnen ergibt sich daraus eine statische Reichweite von mehr als 300 Jahren.[17] Demzufolge steht Phosphat aus geologischer Sicht in ausreichendem Maße zur Verfügung. Die langfristige Verfügbarkeit hängt jedoch auch von der Wirtschaftlichkeit der Lagerstätten ab und in wieweit diese technisch nutzbar sind. Folglich muss es das Ziel sein, den Rohstoff optimal und effizient zu nutzen, um auch nachfolgenden Generationen eine ausreichende Versorgung mit Phosphor zu gewährleisten.

Wegen fehlender Lagerstätten sind die Länder der Europäischen Union fast zu 100 Prozent abhängig von ausländischen Phosphorimporten. Auch die Europäische Kommission hat Phosphor als kritischen Rohstoff eingestuft. Begründet wird dies unter anderem durch geopolitische Unwägbarkeiten sowie starke Preisschwankungen durch unerwartete Nachfrageschübe aus Drittländern.[18] Folglich rückt die Sicherung der Rohstoffbasis für Phosphat in der EU und in Deutschland zunehmend in den Fokus.

Tatsächlich aber ist Deutschland gar kein phosphorarmes Land. Allein der Klärschlamm, der jährlich in der Bundesrepublik anfällt, enthält rund 60.000 Tonnen Phosphor. Dieses gelangt über die Ausscheidungen der Menschen in die Abwässer und wird in Kläranlagen teilweise aufbereitet. Etwa ein Viertel des Klärschlamms wird in der Landwirtschaft genutzt.[19] Der Großteil, rund 65 Prozent, geht in die Verbrennungsanlagen. Dort entsteht die Klärschlammasche, die immer noch zu 10 bis 20 Prozent aus Phosphaten besteht. Aktuell werden unterschiedliche Verfahren getestet, um aus der Klärschlammasche Düngemittel, Phosphorsäure oder elementaren Phosphor zu gewinnen. Weitere Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit Phosphor-Rückgewinnungsverfahren direkt aus Abwasser beziehungsweise aus dem anfallenden Klärschlamm.

Das Interesse an neuen Rückgewinnungsverfahren ist nicht zuletzt deshalb groß, weil mit der Neufassung der Klärschlammverordnung vom 3. Oktober 2017 die Rückgewinnung aus Klärschlamm beziehungsweise Verbrennungsaschen zur Pflicht geworden ist. Bis 2029 müssen Kläranlagen ab 100.000 Einwohnerwerten und ab 2032 mit einer Ausbaugröße über 50.000 Einwohnerwerten eine Phosphorrückgewinnung vorweisen. Schlämme mit einem höheren Phosphorgehalt als 20g/kg Trockenmasse dürfen dann nicht mehr direkt landwirtschaftlich genutzt werden, um der Sorge eines Schadstofftransfers in die Futtermittel- beziehungsweise Nahrungsmittelkette vorzubeugen. Aktuell werden in Deutschland rund 70 Verfahren zur Phosphatrückgewinnung diskutiert. Von diesen sind etwa 30 in der Erprobung. Nur wenige werden gegenwärtig im Pilotmaßstab getestet, der die notwenigen Parameter für einen Einsatz in industriellen Großanlagen liefert.[20] Es besteht weiterhin Forschungsbedarf, um ein effizientes und wirtschaftliches Rückgewinnungsverfahren für Phosphor zu gewährleisten.

Fußnoten

9.
Vgl. Egle/Rechberger/Zessner (Anm. 4); Franziska Killiches et al., Phosphat. Mineralischer Rohstoff und unverzichtbarer Nährstoff für die Ernährungssicherheit weltweit, BGR, Hannover 2013.
10.
Vgl. Alexander Maurer et al., Phosphor und Phosphatrecycling, in: Chemie in unserer Zeit 5/2018, S. 350–358.
11.
Vgl. Industrieverband Agrar e.V. (Hrsg.), Wichtige Zahlen: Düngemittel. Produktion, Markt, Landwirtschaft, 2013–2014, Frankfurt/M. 2014.
12.
Vgl. Mark M. Alley/Bernard Vanlauwe, The Role of Fertilizers in Integrated Plant Nutrient Management, Paris 2009.
13.
Vgl. Maurer et al. (Anm. 10).
14.
Vgl. Killiches et al. (Anm. 9).
15.
Vgl. Stephen M. Jasinski, Phosphate Rock, in: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2018, Washington, D.C. 2018, S. 122f.
16.
Vgl. Killiches et al. (Anm. 9).
17.
Vgl. Maurer et al. (Anm. 10).
18.
Vgl. Martin Bertau et al., Statuspapier Phosphatrückgewinnung, Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie, Frankfurt/M. 2017.
19.
Vgl. Jasinski (Anm. 15).
20.
Vgl. Maurer et al. (Anm. 10).
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