Rohstoff Silizium - Im Überfluss vorhanden
09.10.2017

Rohstoff Silizium – Im Überfluss vorhanden

Die Photovoltaik- und Halbleiterindustrie ist auf Sand gebaut. Denn ihren wichtigsten Rohstoff –Silizium – gewinnen die Hersteller von Mikrochips und Solarzellen aus Quarzsanden.

Silizium ist das dritthäufigste Element der Erde. Insgesamt bestehen ganze 15 Prozent der Masse des Planeten aus dem grau-schwarzen Halbmetall. Die äußere Erdkruste besteht sogar zu mehr als einem Viertel aus dem Element. Auch in den Weltmeeren finden sich große Mengen Silizium in Form von Kieselsäure.

Rohstoff Silizium

Um den Rohstoff zu gewinnen, müssen Anbieter daher zunächst nichts anderes tun, als den Stoff abzugraben, den es auf der Erde so reichlich gibt wie Sand am Meer: Quarz.  Das Mineral ist reines Siliziumdioxid. Da es zugleich einer der härtesten bekannten Stoffe ist und kaum verwittert, enthalten die meisten Sande mehr Quarz als andere Minerale.

Um das im Quarz enthaltene Silizium zu gewinnen, erhitzen die Produzenten des Rohstoffs, den Sand in Hoch- und Lichtbogenöfen unter Zusatz von Koks auf über 2.000 Grad Celsius. So entziehen sie dem Siliziumdioxid den darin enthaltenen Sauerstoff und gewinnen Rohsilizium. Dieses enthält mindestens 98,5 Prozent Silizium sowie in der Regel maximal je 0,5 Prozent Eisen, Aluminium und Calcium.

Geschmeidiger Aluminium- und Stahlveredler

Die Aluindustrie legiert Rohsilizium mit Aluminium. So entstehen Werkstoffe, die sich gut schweißen lassen, extrem fest, korrosionsbeständig sowie dünnflüssig sind und beim Guss nur wenig schwinden. Die Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtbranche gießt aus den Aluminium-Silizium-Legierungen unter anderem Motoren- und Getriebegehäuse.

Stahlproduzenten legieren Silizium auch zu Ferrosilizium – einer Verbindung aus 20 bis 95 Prozent Eisen und meist 50 bis 75 Prozent Silizium. Da Silizium schnell mit Sauerstoff zu Siliziumdioxid reagiert, setzen Stahlkocher Ferrosilizium ein, um ihren Produkten während der Schmelze Sauerstoff sowie weitere Verunreinigungen zu entziehen. Mit Ferrosilizium lassen sich auch Elemente wie Aluminium, Barium, Calcium, Mangan oder seltene Erden leichter mit Stahl verbinden. Die Legierung hilft so, dem Stahl gezielt bestimmte Eigenschaften zuverleihen.

Silizium – Rohstoff der Digitalisierung

Die Elektronikindustrie stellt mit Silizium Mikrochips, Transistoren und Photovoltaikzellen her. Als Halbleiter kann das Element Strom zwar im Grunde nur schlecht leiten, da es in seiner Kristallstruktur so gut wie keine freien Elektronen hat. Silizium wird jedoch leitfähig, sobald Energie in Form von Licht oder Wärme auf es einwirkt. Außerdem kann das Halbmetall dann Wechsel- in Gleichstrom umwandeln.

Die Leitfähigkeit des Halbleiters lässt sich zudem durch Beimengung atomarer Mengen von Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor gezielt beeinflussen.

Um seine Eigenschaften als Halbleiter nutzen zu können, benötigen die Hersteller von Photovoltaikzellen und Mikrochips jedoch Silizium, das ihnen optimale elektrische Qualitäten bietet. Das schafft nur Silizium mit einer Reinheit von wenigstens 99,9999 Prozent. In diesem Polysilizium darf pro einer Milliarde Siliziumteilen nur deutlich weniger als ein einziges Fremdatom enthalten sein.

Um den Werkstoff zu gewinnen, verwenden die Hersteller daher nur äußerst reine Quarzsande. Nach der Schmelze destillieren sie das gelöste Silizium zudem mehrmals, um es zu reinigen. Anschließend ziehen sie es zu bis zu zwei Meter langen etwa 30 Zentimeter starken Stäben aus, die sie zu 0,3 bis 0,5 Millimeter dicke Scheiben zersägen – den Wafern.

Geforderte Reinheitsgrade machen Siliziumversorgung schwierig

Insgesamt eigenen sich nur zehn Prozent der jedes Jahr weltweit produzierten knapp 230.000 Tonnen Reinstsiliziums für die Zwecke der Halbleiterindustrie.  Weil sich Silizium mit einem entsprechenden Reinheitsgrad jedoch nur schwer produzieren lässt, könnte die Versorgung mit dem Rohstoff künftig schwierig werden, obwohl es grundsätzlich mehr als genug von dem Halbmetall auf der Erde gibt. Das befürchten beim Blick auf die zunehmende Digitalisierung und den rasanten Zuwachs der Nutzung Erneuerbarer Energien zumindest die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie sowie der Verein Deutscher Ingenieure in einer gemeinsamen Studie.

Entspannte Lage bei Ferrosilizium

Enstpannter können deutsche Einkäufer dagegen die Versorgungslage bei Ferro- und Rohsilizium sehen. Zwar stammten Zahlen des Geological Survey der Vereinigten Staaten, USGS, zufolge 2016 fast 64 Prozent der weltweit produzierten 7,2 Millionen Tonnen Silizium aus China. Doch gab es, so der USGS, weltweit so große Reserven und Ressourcen des Elements, dass Geologen diese bislang nicht mal quantifiziert haben. Auch in den USA, Russland, Frankreich, Norwegen oder Brasilien werden sich Einkäufer deshalb künftig ausreichend mit Rohsilizium eindecken können.

Diese Staaten stellten 2016 knapp ein Viertel des globalen Siliziumangebots zur Verfügung. Dabei lieferte Russland mit 747000 Tonnen 10,4 Prozent der verfügbaren Mengen, gefolgt von den USA mit 5,5 Prozent oder 396000 Tonnen und Norwegen mit 5,3 Prozent oder 380000 Tonnen. Frankreich und Brasilien belieferten mit 121000 beziehungsweise 100000 Tonnen 1,7 beziehungsweise 1,4 Prozent des Weltmarkts

Zusammenfassung Rohstoff Silizium
Beschreibung: · Chemisches Element „Si“ mit der Ordnungszahl 14
· Silizium ist das dritthäufigste Element auf der Erde nach Wasserstoff und Helium.
· Das sehr spröde, schwarz-graue Halbmetall leitet Strom nur unter Einwirkung von Licht oder Wärme.
· Silizium wird aus Sand gewonnen und je nach Reinheitsgrad in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt.
Verwendung: · Herstellung von Halbleitern, Mikrochips und Solarzellen
· Veredlung von Aluminium und Stahl
· Herstellung von Dichtungsmaterialien, Lacken und Farben sowie Silikon
Größte Förderländer von Silizium: · China (63,9%)
· Russland (10,4%)
· USA (5,5%)
· Norwegen (5,3%)
· Frankreich (1,7%)
Größte siliziumfördernde Unternehmen : · GCL-Poly Energy Holdings Ltd. (26%)
· Wacker Chemie AG (20,8%)
· OCI Company Ltd. (17,3%)
· Hemlock Semiconductor Corporation (13,8%)
· REC Silicon ASA (6,6%)
Vorhandene Reserven*: Die heute bereits wirtschaftlich erschließbaren Siliziumreserven sind so umfangreich, dass sie bei der derzeitigen globalen Jahresförderung noch sehr lange reichen werden. Genaue Zahlen zu den Lagerstätten gibt es deshalb nicht
Vorhandene Ressourcen**: Das gilt auch für die Ressourcen des Elements, aus dem mehr als ein Viertel der äußeren Erdkruste bestehen
Statistische Reichweite der Reserven: k.A.
Statistische Reichweite der Ressourcen: k.A.
Recyclingquote: Da Silizium im Überfluss vorhanden ist, wird es kaum wiederverwertet. Dabei wäre beispielsweise das Recycling von Wafern erheblich günstiger als die Neuproduktion, da sie 80 Prozent weniger Energie benötigt.
Substituierbarkeit:· Die Halbleiterindustrie kann Silizium durch Galliumarsenid und Germanium ersetzen, die Stahlindustrie in einzelnen Anwendungen Ferrosilizium durch Aluminium, Siliziumkarbid oder Siliziummangan
Jahresabbau von Silizium 2016 weltweit: 7,2 Mio. Tonnen

Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, US Geological Survey

*Reserven = aktuell bekannte, mit der vorhandenen Technologie rentabel ausbeutbare Vorkommen
**Ressourcen = aktuell bekannte, aber noch nicht rentabel ausbeutbare Vorkommen

Bild: Björn-Wylezich/Fotolia.de (Teaser), mvtstockshot/Fotolia.de (Aufmacher)

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