Recyclingverfahren für LED-Lampen Seltene Erden rückgewinnen

Entsorgte LEDs bedeuten verlorene Rohstoffe für die Hersteller. Effiziente Recyclingverfahren gibt es noch nicht, werden mittlerweile aber intensiv erforscht.

Bis zu 40 begrenzt verfügbare Metalle benötigt die Industrie heute. Und diese Zahl steigt immer weiter. Dazu gehören Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin usw. und auch einige Metalle aus der Gruppe der Lanthanoide (Seltene Erden). Für letztere gibt es in vielen Anwendungen keine Alternativen. Anders als es der Name vielleicht suggeriert, ist die Schwierigkeit bei Seltenen Erden nicht, dass sie in geringen Mengen auf der Erde vorkommen, sondern dass sich die bekannten Vorkommen großteils in politisch unzuverlässigen Ländern befinden, wie zum Beispiel China, Kasachstan oder dem Kongo. Ihre Preise stiegen 2009 infolge der Finanzkrise kurzzeitig enorm an, was das Risiko einer plötzlichen Verteuerung deutlich machte. Im Übrigen treten diese Metalle in den Mineralien nur mit anderen vermischt auf; ihre chemische Trennung und Aufbereitung in Reinform (Classical Mining) ist kompliziert und teuer.

Dem hohen Aufwand für die Gewinnung und Beschaffung von Metallen steht ein hoher und ständig wachsender Anteil von Elektronikschrott gegenüber. Ein Großteil der zu den Wertstoffhöfen gebrachten Geräte ist in der Regel gar nicht defekt, sondern lediglich veraltet. Sie enthalten viele der genannten Metalle und das meist mit weit höherer Konzentration als in den natürlich auftretenden Mineralien. Entsprechend ist es mittlerweile effizienter, Metalle aus entsorgter Elektronik als aus den Mineralien in natürlichen Vorkommen zu gewinnen. Auf Neudeutsch spricht man von „Urban Mining“.

Die dazu nötigen Verfahren unterscheiden sich grundsätzlich von denen für die Aufarbeitung von Erzen. Mittlerweile ist dazu intensive Forschung aufgekommen. In Deutschland wurde 2011 innerhalb des Fraunhofer-Instituts für Silikatforschung (ISC, Würzburg) die Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS gegründet, angesiedelt in Alzenau (Bayern) und Hanau (Hessen). In mehreren Abteilungen hat man sich auf die Wiederaufarbeitung der unterschiedlichen Arten von Elektronikschrott spezialisiert, darunter auch Lampen. Fielen hierunter bis Ende 2015 nur Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen, aus denen das Quecksilber und die Leuchtstoffe zurückzugewinnen waren, tauchen seit 2016 auch LED-Lampen auf. Denn deren versprochene Lebensdauer von 25.000 Stunden wird häufig nicht erreicht. In der Praxis sind etliche schon nach wenigen Betriebsstunden defekt. Die genaue Ursache dafür lässt sich nur mit hohem Aufwand feststellen. Vermutlich war es nicht die LED selbst, sondern eher ein elektronisches Bauteil im Wandler. Die korrekte Entsorgung einer LED-Lampe geschieht in Deutschland über den Wertstoffhof. Lag der Anteil im sammelpflichtigen Lampenabfall Anfang 2016 laut EAR (Elektroaltgeräte-Register) bei ca. 1 %, so war er bis Mitte 2016 bereits auf 4,6 % angewachsen, und er wird mit der schnell zunehmenden Verbreitung (Bild 1) weiter steigen.

Recyclingverfahren – technisch noch am Anfang

Das Recycling von LED-Lampen ist noch weitestgehend Neuland. Die Bestandteile einer LED-Lampe sind bei weitem nicht so giftig wie Quecksilber und die Mengen kritischer Metalle, wie etwa Gallium, sind vergleichsweise mikroskopisch. Das Einführen eines Wertstoffkreislaufs durch Recycling ist aber trotzdem sinnvoll und auch notwendig, da einige der Metalle viel zu wertvoll sind, um sie in die Müllverbrennung oder die unsortierte Endlagerung zu geben. So haben die Forscher am IWKS begonnen, nach Wegen zu suchen, die knappen Rohstoffe zurückzugewinnen.

Ein funktionierendes Recycling bedeutet immer auch einen geringeren Importbedarf. Derzeit ist die Wirtschaftlichkeit der Prozesse allerdings noch nicht gegeben. Ziel ist es, automatisierte Methoden zu entwickeln, mit denen das LED-Recycling dann eines Tages kostengünstig in großen Mengen ablaufen kann.

Das Problem beginnt bereits bei der Anlieferung der Lampen. Was ist eine Leuchtstoff- bzw. Energiesparlampe und was ist eine LED? Beide sehen auf den ersten Blick oft sehr ähnlich aus (Bild 2). Die Unterscheidung erfordert sehr genaues Hinsehen und ist bisher schwer automatisierbar. Bei größeren Mengen wird eine manuelle Trennung aber zum Problem. Sinnvoll wäre es, wenn die Hersteller ihre Lampen in Zukunft mit einem Erkennungsmerkmal ausstatten, das eine automatisierte Sortierung ermöglicht.

Liegen die LED-Lampen sortenrein vor, dann ist die weitere Vorgehensweise wie folgt: Zuerst muss das Gehäuse (Glas- oder Kunststoffkolben) geöffnet werden. Es macht gewichtsmäßig den größten Teil aus, aber wertmäßig den geringsten: Glas, Kunststoffe, Keramik und Standardmetalle wie Aluminium oder Stahl. Diese Bestandteile sind zum größten Teil wiederverwertbar und enthalten nur wenig echten Abfall (Bild 3). Der eigentliche Wert steckt gerade in den kleinsten Teilen: im LED-Chip und in den Phosphoren (Leuchtstoffen). Um diese Materialien zurück in den Wertstoffkreislauf zu führen, sind geeignete Trennungsmethoden erforderlich, zuerst zwischen Wandler und LED-Bauteil. Ersterer ist Standard-Elektronik mit einer Platine, Halbleitern und passiven Bauelementen. Die Recyclingverfahren dafür sind eingespielt.

Als nicht sinnvoll hat sich die Methode erwiesen, alle Bestandteile zu zerkleinern und anschließend die einzelnen Materialien zu extrahieren (Bild 4, links). Der Aufwand dafür ist zu hoch. Es muss vielmehr eine Art „Rückbau“ stattfinden – wie es bei ausgedienten Atomkraftwerken heißt. Gemeint ist damit ein planvolles Auseinandernehmen, Sortieren und Aufkonzentrieren der gesuchten Elemente. Verfahren dafür gibt es schon, sie sind aber noch lange nicht ausgereift, weder technisch noch ökonomisch. Es ist noch sehr viel Forschung und Entwicklung nötig. Ein Schwerpunkt liegt auf einer maximalen Automatisierung der Bearbeitungsschritte, da Handarbeit bei den in den nächsten Jahren zu erwartenden Mengen undenkbar ist.