Kupfer

Die Dekarbonisierung ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Im Jahr 2015 haben sich Regierungen weltweit zu verbindlichen Zielen verpflichtet, mit dem Ziel, die globale Erwärmung auf 2°C zu begrenzen. Die Verwirklichung dieses Ziels hängt in hohem Maße von der raschen Einführung einer umfassenden Elektrifizierung ab, die dazu beitragen würde, Kohlenwasserstoffe durch erneuerbare Energiequellen zu ersetzen. Und rohstoffübergreifende Innovationen werden eine entscheidende Rolle dabei spielen, Bergbauunternehmen bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu unterstützen.

Dieser Artikel ist eine Gemeinschaftsarbeit von Scott Crooks, Jonathan Lindley, Dawid Lipus, Richard Sellschop, Eugéne Smit und Stephan van Zyl und vertritt Ansichten aus McKinseys Metals & Mining Practice.

Ein solcher Rohstoff ist Kupfer, das ein wesentlicher Bestandteil für diesen Prozess ist. Tatsächlich wird erwartet, dass die Elektrifizierung den jährlichen Kupferbedarf bis 2031 auf 36,6 Millionen Tonnen steigern wird. Obwohl die aktuellen Angebotsprognosen auf der Grundlage von Neustarts, bestimmten oder wahrscheinlichen Projekten und der Recyclingproduktion einen Weg zu 30,1 Millionen Tonnen bieten, sind weitere 6,5 Millionen Tonnen erforderlich Kapazität (zusätzliche 20 Prozent) muss noch gefunden werden.

Die Einführung neuer aufkommender Technologien – einschließlich der Rückgewinnung grober Partikel, der Sulfidlaugung und der Prozessoptimierung durch maschinelles Lernen – hat jedoch das Potenzial, einen erheblichen Teil dieser Lücke zu schließen (Abbildung 1). Die Hindernisse für die Kommerzialisierung und breite Akzeptanz sind nicht trivial, und die in diesem Artikel dargestellten Zahlen stellen eine Schätzung des vollen Potenzials und keine Prognose dar. Aber neben der Erschließung neuer Minen sollten auch technologische Hebel als Teil der Lösung anerkannt werden.

Der Trend sinkender Kupfergehalte ist gut etabliert und wird sich wahrscheinlich nicht umkehren. Ebenso sind Oxiderzkörper, die keine Konzentratoren erfordern und auf weniger kapitalintensiven Wegen verarbeitet werden können, erschöpft. Die Bergbauindustrie hat auf diese Herausforderungen reagiert, indem sie immer größere Mengen an Sulfiderzen verarbeitet. Tatsächlich ist die Menge des an Konzentratoren gelieferten Erzes in den letzten zehn Jahren um 1,1 Milliarden Tonnen gestiegen, was einem Wachstum von 44 Prozent entspricht.

Die Analysein diesem Artikel wurde durch MineSpans ermöglicht, eine proprietäre McKinsey-Lösung, die Bergbaubetreibern und Investoren robuste Kostenkurven, Rohstoffangebots- und -nachfragemodelle sowie detaillierte Bottom-up-Modelle einzelner Minen bietet.

Für Kupfer bietet MineSpans Daten auf Minenebene zu 390 primären Kupferminen und 170 sekundären Minen und verfolgt mehr als 300 aktive Entwicklungsprojekte.

Um jedoch auf herkömmliche Weise das für die Energiewende benötigte Kupfer zu liefern, müssen die Bergleute dieses Kunststück noch einmal wiederholen und die verarbeitete Erzmenge bis 2031 um weitere 44 Prozent steigern (siehe Seitenleiste „Über die Forschung“). Von den zusätzlich benötigten 1,6 Milliarden Tonnen Erz können 0,6 Milliarden Tonnen durch kürzlich angekündigte Minen oder Erweiterungen bereitgestellt werden. Allerdings bleibt eine Lücke von einer Milliarde Tonnen pro Jahr. Es besteht die Notwendigkeit, mehr Metall aus dem geförderten Erz zu gewinnen.

Drei technologische Entwicklungen gewinnen in der gesamten Branche an Akzeptanz und Verbreitung und können einen sinnvollen Beitrag zur Überbrückung der Versorgungslücke leisten: Grobpartikelrückgewinnung, Sulfidlaugung und Prozessoptimierung durch maschinelles Lernen.

Herkömmliche Sulfidflotationskreisläufe sind bei der Rückgewinnung metallhaltiger Partikel aus Schlamm am effektivsten, wenn diese Partikel eine Größe zwischen 50 und 150 Mikrometern haben.1Entspricht einem Tausendstel Millimeter. Oberhalb oder unterhalb dieses Bereichs nehmen die Rückgewinnungen erheblich ab, wobei der Rückgang bei der Rückgewinnung grober Partikel am stärksten ist (Abbildung 2).

Die Hindernisse für die Kommerzialisierung und breite Akzeptanz sind nicht trivial, und die in diesem Artikel dargestellten Zahlen stellen eine Schätzung des vollen Potenzials und keine Prognose dar. Aber technologische Hebel sollten erkannt werden ... als Teil der Lösung.

Es gibt Technologien, die darauf abzielen, den akzeptablen Partikelgrößenbereich sowohl für feine als auch für grobe Partikel zu erweitern. Die interessantesten neueren Entwicklungen zielen auf die Grobfraktion ab.

Die Rückgewinnung der Metalle in der groben Fraktion ist seit der ersten kommerziellen Anwendung der Flotationstrennung im frühen 20. Jahrhundert ein Ziel für Flotationsmetallurgen. Die meisten Entwicklungen konzentrierten sich auf die Verbesserung der Kontrolle des Mahlprozesses, um sicherzustellen, dass mehr gewinnbares Metall in den kritischen Bereich fällt. Dieser Ansatz stößt jedoch an seine natürlichen Grenzen und geht häufig mit einem geringeren Durchsatz oder einem höheren Investitionsaufwand für den Aufbau immer komplexerer Mahlanlagen einher.

Zwei Entwicklungslinien bieten die Möglichkeit, über diese Dynamik hinauszugehen: das Schruppen im Schleifkreislauf und das Abfangen grober Partikel.

Schleifschleifen-Schruppen, wie das CiDRA P29-System,2Kann auch als Scavenger am Ende des Flotationskreislaufs eingesetzt werden. begegnet dieser Herausforderung durch die Rückgewinnung von Partikeln direkt aus dem Mahlkreislauf. Das System basiert auf der Entwicklung eines innovativen neuen Materials, das als sogenannter Kupferschwamm fungiert und mineralisierte Partikel aufgrund derselben hydrophoben Eigenschaften anzieht und festhält, die sie während der Flotation zum Schweben bringen. Im Gegensatz zu Systemen, die weiter nachgelagert wirken, bietet die Mahlkreislauf-Schruppung die Möglichkeit, die Umlauflast in Kugelmühlen direkt zu reduzieren und so den Kugelmühlendurchsatz bei konstanter Mahlgröße um bis zu 20 Prozent zu steigern.

Die Betreiber müssen entscheiden, wie sie die Vorteile der gesteigerten Effizienz der Kugelmühle nutzen wollen, die als Chance gesehen werden könnten, entweder den Durchsatz zu steigern oder die Mahlgröße zu reduzieren und die Ausbeute bei konstantem Durchsatz zu erhöhen. Die optimale Wahl hängt von den Eigenschaften des Erzkörpers und der bestehenden Konfiguration der Aufbereitungsanlage ab. Doch selbst unter Berücksichtigung der weiteren Reinigung des von P29 geförderten Konzentrats und der Berücksichtigung anderer häufiger Systemengpässe könnte die Schruppbearbeitung im Mahlkreislauf bis 2032 die jährliche Kupferproduktion um 1,2 bis 4,6 Millionen Tonnen steigern. Zusätzlich zu diesen Produktionssteigerungen proportional Die Reduzierung des Energieverbrauchs pro Tonne Metall wird wahrscheinlich erhebliche Vorteile für die Umwelt haben.

Die zusätzliche Kupferproduktion hätte wahrscheinlich auch einen begrenzten zusätzlichen ökologischen Fußabdruck und könnte eine erhebliche wirtschaftliche Wertschöpfung darstellen. Wenn die potenzielle Produktionssteigerung auf alle Metalle ausgeweitet wird, die mit einem ähnlichen Produktionsprozess aus Sulfiderzen hergestellt werden, und zwar bewertet zu prognostizierten Marktpreisen (abzüglich zusätzlicher Verarbeitungskosten),3Basierend auf einem Kupferpreis von 10.000 US-Dollar pro Tonne und einer Reihe von Prognosen für andere Sulfidhaltige Metalle. Es entsteht ein jährlicher Wertpool von 20 bis 85 Milliarden US-Dollar.

Abfangen grober Partikel konzentriert sich auf die Erweiterung des Partikelgrößenbereichs während der Flotation durch den Einbau von Geräten am Ende des Kreislaufs. Ein Beispiel ist das HydroFloat-System von Eriez.4Kann auch zum Aufrauen des Mahlkreislaufs eingesetzt werden, bevor das Material in den Flotationskreislauf gelangt. das die Prinzipien zweier herkömmlicher Trenntechnologien kombiniert: Dichtetrennung und Flotation. Bei der konventionellen Flotation werden Luftblasen in die Erzaufschlämmung eingebracht. An diesem Punkt heften sich die Blasen an die mineralhaltigen Partikel, heben sie an die Oberseite des Tanks und erzeugen einen metallreichen Schaum, der abgeschöpft werden kann. Je gröber die Erzpartikel sind, desto größer ist jedoch die Chance, dass sie die Luftblasen abschütteln und wieder in die Aufschlämmung sinken, bevor sie abgeschöpft werden können. HydroFloat geht dieses Problem an, indem es Schichten in die Zellen einbringt, die das Absinken der gröberen Partikel verhindern und so ihre Heilungschancen verbessern.

Was die Auswirkungen dieser Technologie betrifft, so wurde sie als Scavenger am Ende einer Verarbeitungsanlage eingesetzt, wo es möglich war, die Ausbeute um 2 bis 6 Prozent zu verbessern, vorausgesetzt, eine konstante Mahlgröße und abhängig von standortspezifischen Faktoren. Bei branchenweiter Anwendung kann die verbesserte Grobpartikelflotation bis 2032 zu einer zusätzlichen jährlichen Kupferproduktion von 0,5 bis 1,5 Millionen Tonnen führen. Bei Anwendung auf alle in Sulfidlagerstätten vorkommenden Metalle stellt die Technologie eine potenzielle Wertschöpfung von 9 bis 26 Milliarden US-Dollar dar pro Jahr.

Die Vorteile der Aufrauung im Mahlkreislauf und der Grobpartikelflotation gehen über ihre primäre Rolle bei der Erweiterung der Betriebskonzentratoren zur Verbesserung der Ausbeute und des Durchsatzes hinaus. Erstens bieten die durch diese Technologien erzeugten groben Partikel mit erhöhter Toleranz die Möglichkeit, den Wasser- und Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig die gleichen Produktionsziele zu erreichen. Zweitens eröffnen die Aufbereitung im Mahlkreislauf und die Grobpartikelflotation auch die Möglichkeit, alte Tailings-Anlagen wiederaufzubereiten und andere Brachflächenerweiterungen für Bergbaubetriebe am Ende ihrer Lebensdauer wirtschaftlich zu gestalten, indem die Produktion bei geringen Kapital- und Umweltkosten und mit geringerer regulatorischer Unsicherheit gesteigert wird. Schließlich bieten diese Technologien die Möglichkeit, das Greenfield-Minendesign zu überdenken, die Anforderungen an den Mahlkreislauf für die gleiche Produktion zu reduzieren und dadurch Einsparungen bei den Kapitalanforderungen sowie dem Wasser- und Energieverbrauch zu ermöglichen.

Auf Laugung basierende Technologien werden traditionell auf Oxid- oder sekundäre Sulfid-Erzkörper angewendet. Jüngste Entwicklungen können jedoch dazu beitragen, diesen Verarbeitungsweg auf primär sulfidische Erzkörper auszudehnen.

Primärsulfide werden in Anlagen typischerweise mit flotationsbasierten Systemen verarbeitet. Flotation ist im Allgemeinen wirtschaftlich für Erze mit einem Kupfergehalt von mehr als 0,25 Prozent,5 als durchschnittlicher Kupfergehalt für eine einzelne Rohstoffmine. Die Cutoff-Gehalte sind oft niedriger, insbesondere wenn sie durch erhebliche Einnahmen aus Nebenprodukten gestützt werden. Die Flotation kann 85 bis 90 Prozent davon zurückgewinnen. Erze mit einem niedrigeren Gehalt werden normalerweise als Abfall entsorgt. Dennoch bietet die primäre Sulfidlaugung eine Möglichkeit, Kupfer aus Material zurückzugewinnen, das derzeit unter dem Mühlenkopfgehalt liegt und als Abfall gilt.

Mehrere unterschiedliche Technologien erschließen den Raum für die Primärsulfidlaugung. Einige haben sich auf Lösungen auf Chloridbasis konzentriert, während andere, wie das Nuton-System von Rio Tinto, sich auf die Biolaugung konzentriert haben. Berichten zufolge sind die technischen Ergebnisse bei Versuchen in Kennecott und an anderen Standorten ermutigend, aber Nuton zeichnet sich auch durch Innovationen in seinem Geschäftsmodell aus.6Daniel Gleeson, „Rio Tintos Nuton ist bereit, sein Vermächtnis im Bereich der Laugungsforschung und -entwicklung zu nutzen“, International Mining, 14. Oktober, 2022. Rio Tinto nutzte die Umweltvorteile und den geringeren Kapitalbedarf für die Minenentwicklung im Vergleich zur herkömmlichen Sulfidflotation und schloss Vereinbarungen mit Juniorunternehmen wie McEwen Mining und Arizona Sonoran, um die Nuton-Technologie für die Minenentwicklung auf der grünen Wiese zu nutzen.

Über die Entwicklungen in großen Bergbauunternehmen hinaus arbeitet Jetti Resources, ein unabhängiger Dienstleister, mit Minenbesitzern zusammen, um ein katalysatorbasiertes System zur Auslaugung von Primärsulfiden an ihren Standorten einzusetzen. Im Dezember 2022 meldete Jetti 23 aktive Projekte und arbeitete mit einer Reihe großer Bergbauunternehmen zusammen. Eine Serie-D-Finanzierungsrunde in Höhe von 100 Millionen US-Dollar im Oktober 2022 bewertete das Unternehmen mit 2,5 Milliarden US-Dollar und zog die Beteiligung großer Bergbau- und Produktionsunternehmen an.

Praktische Einschränkungen im Zusammenhang mit der Konstruktion und dem Betrieb von Haufenlaugungsplatten können die Anwendung dieser Technologie in erster Linie auf mineralisierte Abfälle aus der Mine statt auf Tailings oder bestehende Lagerbestände mineralisierter Abfälle beschränken. Bis zur Kommerzialisierung ist noch viel zu tun. Wenn jedoch die derzeitigen Hindernisse bis zum Ende des Jahrzehnts überwunden werden, könnte es bis 2032 zu einer zusätzlichen Produktion von 2,4 Millionen Tonnen raffiniertem Kupfer pro Jahr kommen, mit einem geringeren Wasserverbrauch und einem geringeren Rückstandsrisikoprofil, als es mit der derzeitigen Flotationsmethode verbunden ist Produktionswege. Dies könnte eine Chance von 45 Milliarden US-Dollar pro Jahr für alle sulfidhaltigen Metalle bedeuten.

Eine der größten Herausforderungen bei der Mineralverarbeitung besteht darin, dass jeder Erzkörper bis zu einem gewissen Grad variabel ist. Von Tag zu Tag – und manchmal von Stunde zu Stunde – variieren die Eigenschaften der Erze, die der Verarbeitungsanlage zugeführt werden, und reagieren auf unterschiedliche Weise auf die Prozesskonfiguration. Daher bleibt es eine ständige Herausforderung, die optimale Anlagenkonfiguration aufrechtzuerhalten, um das meiste Metall zurückzugewinnen und gleichzeitig die erforderliche Reinheit des produzierten Konzentrats sicherzustellen.

Traditionell war die Anpassung der Anlagenkonfiguration Aufgabe der Anlagenmetallurgen, die sich auf eine Kombination aus akademischem Studium, Berufserfahrung und Kenntnissen des jeweiligen Erzkörpers stützten. Wie bei jedem vom Menschen kontrollierten Prozess haben menschliche Faktoren einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse, was manchmal nicht nur zu Spitzenleistungen, sondern auch zu Produktionsausfällen aufgrund suboptimaler Entscheidungsfindung führte.

Die Entwicklung des maschinellen Lernens und seine Anwendung auf die Steuerung der Mineralverarbeitung in den letzten fünf Jahren hat zu einem höheren Maß an Genauigkeit und Konsistenz geführt.7 Weitere Informationen zu dieser Anwendung finden Sie in Red Conger, Harry Robinson und Richard Sellschop, „Inside a mining company's AI Transformation“, McKinsey, 5. Februar 2020. Best-in-Class-Anwendungen behalten in der Regel die zentrale Rolle eines erfahrenen Anlagenbetreibers bei, liefern aber auch Hinweise und Daten, auf die der Betreiber reagieren kann. Indem wir einen Menschen auf dem Laufenden halten, stellen wir sicher, dass Entscheidungen auf das Gesamtbild ausgerichtet bleiben und nicht rein algorithmisch werden, während gleichzeitig die Geschwindigkeit und Konsistenz erfasst wird, die maschinelles Lernen und KI bieten können.

Indem sichergestellt wird, dass Verarbeitungsanlagen stets im oberen Leistungsbereich arbeiten, kann maschinelles Lernen die Metallrückgewinnung um 2 bis 4 Prozent und den Durchsatz um 5 bis 15 Prozent steigern. Solche Verbesserungen ermöglichen eine Steigerung der weltweiten Produktion bestehender und geplanter Minen um eine halbe bis eine Million Tonnen raffiniertes Kupfer bis 2032, wodurch in allen Sulfidkonzentratoren ein Wert von 9 bis 18 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschaffen wird.

Es gibt eine Reihe von Maßnahmen, die Stakeholder ergreifen können, um das volle Potenzial dieser Chancen auszuschöpfen.

Für große Bergbauunternehmen verdeutlichen die genannten neuen Technologien, wie die Rückgewinnung grober Partikel, die Sulfidlaugung und die Prozessoptimierung durch maschinelles Lernen, die Bedeutung und den potenziellen Beitrag interner Innovationsgruppen. Solche Rollen können weit über inkrementelle Verbesserungen hinausgehen – im besten Fall stehen sie neben Explorations- und Investitionsprojekten als Treiber für zukünftiges Wachstum – und werden wahrscheinlich der Schlüssel dazu sein, diese Technologien von vielversprechenden Pilotprojekten zur branchenüblichen Standardpraxis zu machen. Große Bergleute können auch weiterhin nach flexiblen, agilen Möglichkeiten suchen, mit Nachwuchskräften oder Dienstleistern zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass sie die besten Ideen aus der gesamten Branche nutzen.

Darüber hinaus bekräftigen diese Technologien die Bedeutung von Brownfield-Entwicklungen. Das Potenzial, die Vorteile in diesem Bereich zu maximieren – mit einem geringeren ökologischen Fußabdruck und einer dauerhaften Existenzsicherung für die lokalen Gemeinschaften – bleibt attraktiv. Da die Rohstoffpreise steigen und die Technologie mehr Möglichkeiten bietet, können selbst Standorte, die ihre Produktion vollständig eingestellt haben, wieder wirtschaftlichen Wert generieren.

Für Nachwuchskräfte, Dienstleister und Forschungseinrichtungen sind große Bergbauunternehmen offen für Geschäfte, suchen nach Partnern und schaffen Möglichkeiten. Auf diese Weise können große Unternehmen Zugang zu Großprojekten ermöglichen und das Wachstum von Bergbau-Technologie-Einhörnern unterstützen.

Auch für Greenfield-Projekte bieten diese Technologien neue Optionen. Das „Bergwerk der Zukunft“ könnte bei gleicher Leistung eine viel geringere Kugelmühlenkapazität erfordern, basierend auf der Mahlkreislauf-Schrupptechnologie, wodurch der Kapitalbedarf, der Wasserverbrauch und die CO2-Emissionen sinken würden. Ebenso bietet die Sulfidlaugung die Möglichkeit eines schrittweisen Ansatzes mit geringem Kapitalaufwand für die Erschließung minderwertiger Kupferlagerstätten, für die zuvor der Bau kapitalintensiver Konzentratoren erforderlich war. Dieser Ansatz kann ein inkrementelles Entwicklungsmodell ermöglichen, ähnlich dem, das häufig für Goldvorkommen verwendet wird – insbesondere in Hochrisikogebieten, in denen das Risikokapital und die Amortisationszeit entscheidende Investitionskriterien sind. Ebenso könnte die Option einer schrittweisen Minenentwicklung für örtliche Gemeinden attraktiv sein, die zwar einen Teil des Bergbaus akzeptieren würden, sich aber nicht sicher sind, ob sie sich an einem Megaprojekt beteiligen wollen.

Für Käufer von Metallen können die Versorgungsengpässe bei den für die Energiewende notwendigen Metallen entmutigend wirken, doch neue Technologien zur Mineralienverarbeitung sind ein Hinweis darauf, dass menschlicher Einfallsreichtum und die Marktwirtschaft tendenziell einen Weg finden, diese bereitzustellen. Dies ist jedoch keine Einladung zu passivem Optimismus: Käufer spielen eine Rolle bei der Zusammenarbeit mit der Lieferkette, indem sie technologische Durchbrüche finanzieren und fördern, wo sie können. Dies erfordert eine sorgfältige Analyse und die Berücksichtigung von Branchentrends.

Da die Welt elektrifiziert wird, wird es schwierig sein, die Nachfrage nach Kupfer zu decken. Doch mit innovativen neuen Bergbau- und Verarbeitungstechnologien gibt es Hoffnung. Akteure aus der gesamten Branche, von Minenbetreibern über Entwickler bis hin zu Metallkäufern, können heute Maßnahmen ergreifen, um die Implementierung dieser neuen Technologien zu unterstützen und weitere Innovationen voranzutreiben. Wenn sie dies tun, könnten sie die Menschheit mit den wichtigsten Ressourcen versorgen, die sie für die Zukunft benötigt.

Scott Crooksist Berater im Londoner Büro von McKinsey;Jonathan Lindleyist Berater im Büro in Stamford, woRichard Sellschopist Senior Partner;Dawid Lipusist Berater im Breslauer Büro;Eugene Smith ist Partner im Büro in Denver; UndStephan van Zylist Partner im Büro in Vancouver.