Wer sich Gedanken um die Zukunft unseres Planeten macht, gelangt schnell zum Thema Mobilität. Sei es die Emissionsbelastung durch Autoabgase, seien es neue Technologien, die künftig Verbrennungsmotoren ersetzen sollen: Beim genauen Blick ins Detail stößt man auf PMG-Edelmetalle. Matt Watson, Gründer und Präsident von Precious Metals Commodity Management LLC, machte sich jüngst in einem Artikel für den Edelmetallspezialisten Kitco unter anderem Gedanken zur Rolle von Platin und Palladium für die Zukunft der Automobilindustrie.

Was kommt Ihnen zuerst in den Sinn, wenn Sie an Bodenschätze in Verbindung mit „sauberen“ Automobilen denken? Außer Zweifel: Lithium für EV-Batterien ist ein großes Thema. Ebenso wichtig sind jedoch weitere Metalle an versteckter Stelle. Platin, Palladium und einige andere PMG-Metalle sorgen in Katalysatoren dafür, dass die Abgasemissionen konform zu den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten bleiben. Doch die Rohstoff-Ressourcen sind begrenzt. Bei allen wichtigen Metallen sind in den kommenden zwei Jahrzehnten Verknappungen zu erwarten – insbesondere, wenn man die Absatzerwartungen der Fahrzeugindustrie dem realen Rohstoffbedarf gegenüberstellt.

Millionen neuer Autos bis Mitte des Jahrhunderts?

Die Prognosen für die Entwicklung des Absatzes an Kraftfahrzeugen variiert, je nachdem, welche Quelle befragt wird. Nach vorsichtiger Kalkulation sollten innerhalb der nächsten dreißig Jahren etwa 134 Millionen Autos verkauft werden: Bauformen mit Brennstoffzellen (FCEV, „Fuel cell“), Hybridfahrzeuge (PHEV, „Plug-In Hybrid“) und solche mit klassischen Verbrennungsmotoren. All diese Fahrzeugtypen weisen einen gewissen Bedarf an Batteriemetallen und/ oder Metallen der Platingruppe auf.

Verbrennungsmotoren – Platin und Palladium im Katalysator

Einigen Prognosen zufolge sollte die Nachfrage an Verbrennungsmotoren 2040 gegen null tendieren; allzu wahrscheinlich ist das jedoch nicht. Dennoch könnte es zu Engpässen bei Palladium und Rhodium kommen, beides Metalle, die für Katalysatoren verwendet werden. Solche Versorgungslücken zu schließen, dürfte schwierig sein. Aufgrund der Engpässe und der zugleich steigenden immer schärferen Emissionsvorschriften weltweit kann die gesteigerte Nachfrage an adäquaten Katalysatoren kaum befriedigt werden.

Batteriefahrzeuge – Lithium und Co. in Grenzen

Für Elektromobile ist hingegen eine Absatzsteigerung in den nächsten dreißig Jahren zu erwarten, wenn auch hier die genauen Zahlenwerte je nach Prognose-Quelle schwanken. Die Herstellung von Batteriefahrzeugen wird dadurch angereizt, dass diese Wagen im Vergleich zu Benzinern langfristig kostengünstiger dastehen. Indes: Batteriemetalle sind nur in eingeschränktem Maße verfügbar. Schon im kommenden Jahrzehnt sind Defizite bei der Bereitstellung von Nickel, Kobalt, Lithium und Vanadium absehbar. Beim aktuellen technischen Stand ist der Bedarf kaum zu befriedigen, zumal auf Produktionsseite erhebliche Anstrengungen nötig sind. Exploration und Entwicklung neuer Lagerstätten werden erst in Fahrt kommen, wenn die Preise für das Material deutlich anziehen und in Produktionsstätten investiert wird. Matt Watsons Einschätzung nach kann die Neuproduktion von Batteriefahrzeugen die 15-Millionen-Marke kaum überschreiten, um gegenüber den Verbrennungsmotoren eine marktfähige Alternative zu bieten.

Brennstoffzellen – die Zukunft im Schwertransport?

Auch die Bereitstellung von Brennstoffzellen von mehr als – großzügig geschätzt – 8 Prozent der weltweiten Fahrzeugflotte sei (ausgehend vom aktuellen technischen Stand) eher unrealistisch. Mit den modernen Technologien, die auf Elementen der Platingruppe ansetzen, wären schon 2 Prozent Abdeckung ein sportliches Ziel. Die Brennstoffzellen-Technik sei, so Watson, eine Sackgasse, was leichte Nutzfahrzeuge betrifft. Mit einer vernünftig durchdachten Betankungsstruktur kann die Brennstoffzelle hingegen eine effiziente Alternative für Schwertransporte und öffentliche Verkehrsmittel inklusive Schienenfahrzeuge darstellen. Die verfügbaren Platinressourcen wären bei der stationären Erzeugung von Wasserstoff via alkalische Elektrolyse sinnvoller eingesetzt.

Weniger Schadstoffe – mehr Kosten für EU-Verbraucher?

Weitere Komplikationen bringen die Strafen der Corporate Average Fuel Economy (CAFE) mit sich, die ab 2021 in der EU greifen und bei Nichteinhaltung der Vorgaben Strafzahlungen von 39,1 Milliarden USD erzeugen können. 10,3 Milliarden davon entfallen allein auf Volkswagen. Diese Aussicht kurbelt die Konzentration der Hersteller auf Batteriefahrzeuge an.

Das ist ein Dilemma, dessen Auswirkungen letztlich der Verbraucher tragen wird. Eine Strafe vom 10,3 Milliarden USD für 1,75 Millionen VW-Autos in der EU entspräche einer Strafzahlung von knapp 5.945 USD pro Fahrzeug. Umgerechnet auf die gesamte EU und alle Hersteller wären es 2.300 USD pro Fahrzeug bei 17 Millionen EU-Fahrzeugen und einer Gesamtsumme von 39,1 Milliarden USD.

Diese Preispolitik hätte fatale Auswirkungen auf den Fahrzeugabsatz in der EU, zumal die Benachteiligung die in der EU ansässigen Hersteller mehr trifft als auswärtige Firmen wie Toyota, die daraufhin Marktvorteile in der EU erlangen.

Shared Economy: Wie viele Autos braucht die Welt

Wie groß ist überhaupt der mögliche Absatz? Das größte Umsatzwachstum für Fahrzeuge, gleich welcher Bauart, sollte in Regionen wie China, Südostasien, und Südamerika zu verzeichnen sein. Indes wird – abgesehen von China –  in den genannten Ländern der Wohlstandsanstieg nicht so schnell vonstattengehen, dass ein globales Fahrzeugwachstum von 150 Millionen Autos jährlich erreicht werden könnte.

Hinzu kommt, dass das Aufkommen von Verkehrsmodellen wie Carsharing oder verbesserter öffentlicher Nahverkehr zumindest in den Ballungszentren eher zu einer Abnahme des Individualverkehrs führen dürften. Aus dem Stand in den Industrienationen eine Prognose auf die Auswirkungen auf den Weltmarkt zu reduzieren, ist kaum möglich.

Palladium und Platin: Markteinschränkungen für Katalysatormaterial

Verbrennungsmotoren, so der weltweite Tenor, sind langfristig Auslaufmodelle. Aber: So schnell, wie sich Umweltschützer den Umstieg auf saubere Energien wünschen, ist er realistisch nicht umzusetzen.

Zusätzlich bringen die Verbrennungsmotoren, oder genauer: deren technische Einschränkungen durch die Emissionskontrollen, einige Probleme mit sich. Um die Abgaswerte zu senken, müssen immer effektivere Katalysatoren her. Und die benötigen eben Metall wie Platin, Palladium und Rhodium. Diesel-Katalysatoren benötigen Platin, Benzin und Hybride Palladium – die Nachfrage steigt.

Allein 38 Prozent des globalen Platinangebots werden für Emissionsminderungssysteme von Diesel-Kraftfahrzeugen genutzt. Zwar ist der Bedarf nach Dieselfahrzeugen nach den Abgas-Skandalen der letzten Jahre deutlich eingebrochen –  in der EU ist er aktuell von 55 Prozent auf (stabile) 30 Prozent gesunken.  Zugleich ist die Nachfrage nach Benzinern oder Benzin-Elektro-Hybridfahrzeugen gestiegen – und die benötigen das rare Palladium.

Speziell in China werden Schwerlastfahrzeuge mit Dieselantrieb nachgefragt. Um ihre Emissionen kleinzuhalten, benötigen solche Fahrzeuge bis zu einem Gramm PGM-Metall im Katalysator. Auch hier bemühen sich die Hersteller, vermehrt Platin einzusetzen. Es stehen aber komplizierte Designprobleme der Marktreife entgegen. Das wichtige Argument für den Wechsel zum Platin wäre das aktuell ausreichende Weltmarktangebot.

Problematisches Palladium

Der Palladium-Markt ist hingegen aus verschiedenen Gründen problematisch: 90 Prozent des weltweiten Palladiums fließen in Katalysatoren für Benzin-Verbrennungsmotoren: Global werden die Emissionsstandards für Feinstaub, CO2 und Stickoxide Jahr für Jahr weiter gesenkt. Mehr PMG-Metall wird außerdem durch die neuen Standards bei Prüfbedingungen im Echtbetrieb benötigt: Oxymethylenether-Motoren werden nicht mehr auf dem Prüfstand, sondern unter verschiedenen Rahmenbedingungen auf der Straße getestet.

Attraktive Hybridfahrzeuge sind speziell in den Regionen mit hohen Benzinpreisen ansprechend für Verbraucher: Tank- und Betriebskosten sind, über die Nutzungsdauer des Gefährts gerechnet, preiswerter. Technisch bedingt, verursachen diese Wagen allerdings beim Startvorgang höhere Emissionen. Das bedeutet: Im Katalysator muss mehr PMG-Metall verbaut werden

Aufwendiges Recycling

Siliziumkarbid- und Titan-Aluminium-Substrate, die vor etwa 17 Jahren in Dieselsystemen weit verbreitet waren, werden mittelfristig etwa 35 Prozent der Recyclingchargen aufweisen. Das Problem: Diese Stoffe lassen sich nur mit großem Aufwand – sowohl technisch als auch monetär – recyceln. Wenige Anbieter (etwa Umicore aus Belgien)  kommen mit dieser Herausforderung mühelos zurecht.

Unersetzlich: Rhodium

Rhodium als Nebenmetall der Platingruppe wird schwerpunktmäßig in Südafrika abgebaut. In einem Abgasreiniger ist Rhodium wichtig zur Unterdrückung von Stickoxiden. Rhodium verlängert zudem die Lebensdauer des Katalysators. Palladium und Rhodium schützen vor Verunreinigungen durch Zink und Kalium, wie sie in synthetischen Motorölen vorkommen.

Das Metall ist kostbar: Der Rhodium-Fix hatte sich den ersten drei Quartalen des Jahres 2019 verdoppelt. Und: Es gibt keine kostengünstigen Alternativen zu Rhodium – ersatzweise chemisch nutzbare Stoffe kosten bis zu zehnmal mehr. Ironischerweise entschärfen derzeit die globale Abschwächung der Wachstumsrate und der Handelskrieg zwischen den USA und China den Rhodium- und Palladium-Markt.

Fehlende Investitionen in PMG

Die Nachfrageprognose für Rhodium-Autokatalysatoren ist gestiegen, obwohl die Nachfrage an Verbrennungsmotoren nachlässt. Das Rhodium-Angebot hingegen ist rückläufig. Alte PMG- und Rhodium-Minen wie der Bushveld Complex Upper Group 2 Reef werden in den nächsten Jahren das Ende ihrer Lebenszeit erreichen. Neue Minen werden zwar weiterhin Platin und Palladium, aber in weit geringerem Maße PGM-Metalle wie Rhodium, Ruthenium und Iridium fördern.

Es bedürfte künftig konzentrierter Förderung für den Abbau von PMG-Metallen. Es gibt in der Praxis jedoch zu wenig Rhodium-ETFs. Die großen Autohersteller haben physische Bestände aufgebaut, aus denen sie den Bedarf eine Weile decken können, aber Spekulationen im PMG-Segment sind gering. Dennoch sind die großen Fabrikanten gefordert, für ihre Produkte ein neues Design zu entwickeln, das mit weniger Rhodium auskommt.

Hybridfahrzeuge als Universalauto – mit Palladium

Hybride mit ihrer Kombination von Batterien und Elektromotor mit einem konventionellen Benzinmotor sind derzeit das Marktsegment mit der größten Wachstumsrate. Ihr Pluspunkt: Hybridfahrzeuge benötigen keine Infrastruktur an speziellen Ladestellen, die niedrigen Benzinpreise sind in Japan, EU und China von Vorteil, ein Um- und Aufrüstung zu ökonomischen Preisen möglich. Der Nachteil: Selbst diese Fahrzeuge kommen ohne PGM-Elemente im Katalysator nicht aus.

Plug-In-Hybride mit einer Reichweite zwischen 16 und 64 Kilometern erfreuen sich ebenfalls wachsender Beliebtheit. Insbesondere in Ballungsräumen sind diese Fahrzeuge von Interesse, sofern Zugang zu einer Ladestation besteht und keine Langstrecken gefahren werden. Doch auch hier dasselbe Problem: In den Katalysator gehören PGM-Metalle.

Teure Lithium-Batterien und rare Bodenschätze

Mittel-und Langstrecken-Batteriefahrzeuge sollten ursprünglich die Antwort auf die sinkende Verfügbarkeit von Erdöl sein. Einige Schätzungen sehen den Bestand an Elektrofahrzeugen bei vierzig bis sechzig Millionen zwischen 2014 und 2050.  Matt Watson hält das für unwahrscheinlich, denn für diese Menge fehlt die ausreichende Versorgung mit Nickel, Kobalt, Graphit und Vanadium.

Der technische  Status Quo besteht darin, dass die Lithium-Ionen-Bauweise eine Zunahme der Energiedichte ausbremst. Konstruktionsbedingt kann eine gewisse Energiedichtekurve aktuell nicht überschritten werden. Die Wachstumsrate liegt bei unter einem Prozent und wird durch Materialoptimierung erreicht, indem zum Beispiel Nickel statt Kobalt in den Stromspeichern verbaut wird, ohne zugleich Sicherheit, Haltbarkeit und Zyklenfestigkeit zu mindern.

Die Batteriedichte zu erhöhen verursacht freilich erhebliche Ausgaben. Batterien mit einer Reichweite von 483 Kilometer kosten mehr als 10.000 Dollar und wiegen mehrere hundert Kilogramm. Dafür werden solche großen Mengen an Nickel, Kobalt, Lithium, Graphit und diversen anderen Materialien benötigt, dass die Kosten für die Batterien zwangsweise steigen. Die Hersteller stehen somit vor der Entscheidung, entweder die Reichweite zu erhöhen oder die Stromspeicher zu verkleinern. Nach Watsons Ansicht sei es erforderlich, eine kleinere Bauweise unter Nutzung von Recyclingmaterialien anzustreben, um eine Markttauglichkeit der Elektromobile durchzusetzen.

Fortschritte im Batterie-Business

Erfreulich bleibt, dass sich die Kosten für die Batterien seit der Jahrtausendwende erheblich reduziert haben, während ihre Lebensdauer sich verdoppelte.

Als nächster Entwicklungsschritt ist denkbar, dass die explosiven Flüssig-Elektrolyte zu einem Gel umgewandelt werden, was die Batterien sicherer macht. Mittelfristig ist durch weitere Forschung hier eine Kostenreduktion und Verbesserung der Leistung denkbar. Einhergehend damit sollte sich die Energiedichte verdoppeln oder verdreifachen, der Materialbedarf entsprechend sinken. Abgesehen davon müsste die Produktionskapazität ebenfalls mehr als verzweifacht werden, um die Nachfrage zu befriedigen.

Zukunftsmusiken sind derzeit Lithium-Schwefel- sowie Lithium-Sauerstoff-Batterien mit einer womöglich höheren Energiedichte. Edelmetalle könnten ebenfalls in das Batteriedesign eingehen, etwa in Form von Palladium-Kathodenschichten.

Marktbeschränkungen für Batteriematerialien

Was die PMG-Materialien im Katalysator betrifft, setzt sich bei den Energiespeichern fort: Die Versorgung mit Batteriemetallen ist kritisch.

Analysten der schottischen Börsenmakler-Firma Wood Makenzie prognostizieren eine Versorgungslücke, die sich bei Nickel auftun könnte. Der Nickelpreis müsste steigen, um den Investoren einen Anreiz zu geben, in diesem Bergbausegment Anlagen zu tätigen. Das Dilemma: Der Nickelpreis würde sich automatisch in steigenden Batteriekosten niederschlagen.  Eine vergleichbare Versorgungslücke droht beim Kobalt, wie sogar Stimmen aus der Tesla-Lieferkette anmerken.  Im Vergleich mit den übrigen Batterie-Komponenten ist Kobalt derzeit das teuerste Material. Das globale Angebot an Abbauprojekten müsste deutlich erhöht werden. Zwischen 2019 und 2023 ist ein strukturelles Defizit zu erwarten.

Beim Mangan (notwendig für NMC- und LNMO-Kathodenformulierungen) gibt es derzeit keine offensichtlichen Engpässe. Anders bei Graphit: Dieses Material wird außerhalb des Batteriesegments auch im Baubereich nachgefragt, etwa für Dichtungen, Folien und feuerhemmende Baumaterialien. Auch in der Stahlherstellung und bei Schmiermitteln ist Graphit unverzichtbar – Analysten prognostizieren ein strukturelles Defizit ab 2025/2027.

Lithium und Vanadium: Neue Projekte dringend gesucht

Beim Lithium muss ebenfalls drängend in neue Explorationen und Abbauprojekte investiert werden. Die Nachfrage kann aktuell bis 2021 befriedigt werden, doch es droht Verknappung, wenn nicht in nächster Zukunft neue Projekte an den Start gehen. Ab 2021 wäre die Produktion defizitär, ab 2027 könnten Strukturdefizite auftreten. Vanadium wird überwiegend in der Stahlproduktion eingesetzt. Nur 2 Prozent der weltweiten Vanadium-Produktion fließen in die Batterietechnologie. Schon seit 2016 weist die Marktbilanz laut verschiedenen Analysten ein Defizit auf.

Wie nun kann die prognostizierte Menge von 40.000-60.000 Batteriefahrzeugen jährlich und die Betriebskostenparität mit Brennstoffzellen-Autos erreicht werden? Laut Watson sei das nur möglich, wenn die Energiedichte der Batterien vergrößert und diese im Design deutlich verkleinert werden. Sehr wahrscheinlich wird dies um 2030 herum mit dem Übergang der Lithium-Ionen-Stromspeicher zu einer Festkörpertechnologie bei einer angenommenen Verdopplung der Energiedichte geschehen.

Technologiewandel: emissionsfreie Brennstoffzellen

Auch in die Zukunft geblickt ist eine Marktdurchdringungsrate von mehr als 8 Prozent bei den FC-Fahrzeugen unwahrscheinlich. Es ist, so rechnet Watson vor, schlicht nicht genug Platin verfügbar, um einen kompletten Leicht-Nutzfahrzeug-Übergang für Brennstoffzellenautos mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu vollziehen.

Geht man von voraussichtlich 3,7 Millionen Brennstoffzellen-LKW weltweit im Jahr 2025 aus, von denen jeder etwa 17 Gramm Platin benötigt, wäre das eine Gesamtmenge von 1,9 Millionen Unzen. Dieselbe Menge Platin, umgerechnet auf leichte Brennstoffzellen-Fahrzeuge, würde für 2,1 Millionen Wagen ausreichen. Das entspricht nur etwa zwei Prozent der für diesen Zeitpunkt prognostizierten 95 Millionen Gefährte.

Hinzu kommt, dass für die Wirtschaftlichkeit der Brennstoffzellenwagen die Wasserstoffkosten auf das Niveau der Benzinkosten gebracht und entsprechende Betankungsstrukturen geschaffen werden müssen. An einem Rechenbeispiel stellt Watson die Treibstoffkosten eines Benziners denen eines Wasserstoff-Brennzellen-Fahrzeugs gegenüber und vergleicht die Preise für beides an amerikanischen Tankstellen. Er kommt zu der Erkenntnis, dass das Wasserstofftanken in anderen Teilen der Welt wesentlich kostspieliger wäre. Um eine Akzeptanz der Wasserstoffautos zu erreichen, müssten die Preise daher international an den jeweiligen Benzinpreis angeglichen werden.

Der Wert des Wasserstoffs

Ein Großteil der Wasserstoffkosten kommt durch den komplizierten Transport in Gasform zustande. Kosteneffizienter wäre es also, den Wasserstoff in der Nähe einer Tankstelle zu produzieren und damit logistische Einsparungen zu erzielen. Wie das geht, verdeutlicht ein Projekt des LKW-Herstellers Nikola Motor Company aus Phoenix, Arizona. Nikola plant, mit Partnern aus der Chemie- und Brennstoffzellenbranche (unter anderem NEL aus Oslo, Spezialist rund um Wasserstoff-Herstellung und Lagerung) ein flächendeckendes Netz von Tankstellen entlang der wichtigen US-amerikanischen Lastwagenrouten zu erreichten.

Umweltfreundlich Wasserstoff tanken

Diese Tankstellen sollen über Solarmodule teilweise ihren eigenen Strom erzeugen. Mit verhältnismäßig geringen Energiekosten könnten sie tagsüber bis zu 10 Tonnen Wasserstoff fabrizieren, vor Ort speichern und damit den Bedarf von Tausenden neuen LKW decken (Nikola rechnet mit Bestellungen von 10.000 Trucks im Jahr 2025.). Eine Betankung der Trucks mit 80kg komprimiertem Wasserstoffgas ist innerhalb von 10 Minuten möglich.

Die Tankstellen würden mit Anlagen zur Wasserstofferzeugung, Tanks, Kompressoren und Kühleinrichtungen ausgestattet. Weiterhin sind Wartungsstellen vom Nikola-Servicepartner Ryder System und zusätzliche Zapfsäulen für PKW und Kleinlaster an den Tankstellen vorgesehen.

Fazit

  • Katalysatoren: Matt Watson gelangt zusammenfassend zum Schluss, dass der Tausch von Palladium gegen Platin durch Designänderungen zur Bedarfssenkung beiträgt. Hinzu kommt Recyclingmaterial. Palladium dürfte dennoch defizitär bleiben, bis die neuen Versorger in Russland und USA die Produktion aufnehmen. Beim Rhodium sind die Autohersteller gefordert, um den Bedarf zu senken oder zu umgehen.
  • Batteriemetalle weisen strukturelle Defizite auf, die zwischen 2020 und 2027 Nickel, Kobalt, Lithium, Graphit und Vanadium treffen werden. Diese Einschränkungen beruhen teils auf einer weitaus geringeren Bedarfseinschätzung an Elektrofahrzeugen in der Vergangenheit, sodass die gestiegene Nachfrage ohne neue Bergbauprojekte kaum zu decken ist. Durch höhere Materialpreise kann der Anreiz für Anleger geschaffen werden, in neue Abbau- und Explorationsprojekte zu investieren.
  • Brennstoffzellen : Mit den aktuell verfügbaren Platinmengen könnten nach derzeitigem technischem Stand nur zwei Millionen FC-Wagen versorgt werden. Die Brennstoffzellen-Technologie lässt sich im Schwerlast- und Personentransport effektiver einsetzen. Voraussetzung ist allerdings die Reduktion der Wasserstoffkosten auf ein mit Benzin vergleichbares Niveau und ein passendes Versorgungsnetz.