Rohstoffe / Ausgangsstoffe

Hauptbestandteile

Metallisches Kupfer Reinheitsgrad ≥ 99,9%

• Kupfer (≥ 99,9%)
• Phosphor (0,015-0,040 %)

nachhaltiges-bauen Kupfer, Online-Quelle (abgerufen 04/2014)

Messing (Kupferlegierung)

• Kupfer (63 %)
• Zink (37%)

siehe auch Metalle

Vergleicht man die Häufigkeit aller in der Erdkruste vorkommenden Elemente, so steht Kupfer mit 0,004 bis 0,006 % Massenanteil an 23. Stelle.
Etwa 85 % der Weltkupfererzeugung stammen aus sulfidischen Erzen, die im Mittel einen Kupfergehalt von 0,4 bis 1 % aufweisen Von den zahlreichen Kupfermineralien sollen hier nur die bekanntesten genannt werden: Chalkopyrit CuFeS₂ (Kupferkies), Chalkosin Cu₂S (Kupferglanz), Bornit Cu₅FeS₄ (Buntkupfererz), Malachit Cu₂(OH)₂CO₃ (Kupferspat), Azurit Cu₃(OH)₂[CO₃]₂ (Kupferlasur), Cuprit Cu₂O (Rotkupfererz). Die Cu-Gehalte liegen dabei zwischen 34 und 79 %. Kupfermineralien kommen meist in Begleitung anderer Metalle wie Eisen, Blei, Gold und Silber vor, die aus den Galvanikschlämmen der Kupferraffination gewonnen für die Rentabilität der Kupferverarbeitung von immenser Bedeutung sind.

Umwelt- und Gesundheitsrelevanz

Gewinnung der Primärrohstoffe

Jährlich werden weltweit mehr als fünfzehn Millionen Tonnen Kupfer neu aus Erz gewonnen. Die inländische Produktion von raffiniertem Kupfer und Kupfergusslegierungen betrug 2007 rund 666.000 Tonnen, die Halbzeugproduktion (incl. Leitmaterial) und der Metallguss lagen zusammen bei rund 1,9 Millionen Tonnen.

Kupfer tritt in geringen Mengen gediegen auf, Einzelfunde können mehrere Tonnen wiegen. Technisch bedeutsam sind aber die verschiedenen Kupfererze, die sowohl im Tagebau als auch im Untertagebau gewonnen werden. Kupfererze enthalten 5 bis 50 g Kupfer bezogen auf 1 kg Kupfererz, Manganknollen am Meeresgrund können bis 10 g/kg enthalten. Meist baut man, von der Erdoberfläche ausgehend, zuerst die oxidischen Kupfermaterialien ab, um bei zunehmender Tiefe nach und nach die sulfidischen Erze zu erreichen. Derzeit werden etwa 50 % der Kupfererze im Tagebau abgebaut. Um 1 t Kupfer zu erhalten, müssen ca. 200 t Material bewegt werden. Durch einen sehr gezielten Abbau fällt beim Tiefbau kaum Abraum an.

Verfügbarkeit

Betrachtet man allein die in der Erde enthaltenen Bodenschätze, sind Kupfervorkommen recht häufig vertreten: derzeit werden die weltweiten Kupferreserven auf ca. 552 Mio. t geschätzt, und es werden laufend neue Vorkommen entdeckt. Die größten Lagerstätten befinden sich in den USA, in Kanada, der GUS, in Chile, Peru, Australien, Indonesien, Simbabwe, Zaire, Sambia. In Europa sind die bedeutendsten Kupfervorkommen in Polen, Finnland, Griechenland und dem ehem. Jugoslawien. In Deutschland findet derzeit kein Bergbau für Kupfer mehr statt. In der Lausitz südlich von Cottbus wird aber eine der größten Kupferlagerstätten Europas erkundet. Die Lagerstätte in 1000 Meter Tiefe befindet sich zwischen Spremberg (Brandenburg) und Weißwasser (Sachsen). Dort werden 1,5 Millionen Tonnen Kupfer und andere Metalle vermutet.

Verwendung von Recyclingmaterialien / Produktionsabfällen

Große Bedeutung hat die Sekundärindustrie, da über 50 Prozent der jährlichen deutschen Kupferproduktion aus Schrotten und kupferhaltigen Zwischenprodukten (Schlacken, Krätzen etc.) stammen.

Radioaktivität

Bei den derzeit handelsüblichen Bauproduktgruppen sind aus der Sicht des Strahlenschutzes keine Einschränkungen erforderlich. Allerdings ist auch weiterhin die vorgegebene Beschränkung des Anteils industrieller Rückstände als Zuschlag zu beachten, siehe ausführliche BfS-Informationen zu Baustoffen unter http://www.bfs.de/de/ion/anthropg/baustoffe.html.

Kupfer und Kupferlegierungen sind nicht radioaktiv und tragen daher nicht zur Strahlenexposition der Bewohner bei.

Quellen

Scholz/Hiese: Baustoffkenntnis; 17. Auflage, 2011; Werner Verlag (Wolters Kluwer Deutschland GmbH), Köln

Dehn, F.; König, G.; Marzahn G.: Konstruktionswerkstoffe im Bauwesen, Verlag Ernst und Sohn, 1. Auflage, 2003

Herstellung

Prozesskette

Herstellungsprozess

Aufbereitung

Die Aufbereitung der Erze erfolgt durch Trennung von taubem Gestein nach Feinmahlung und Schwimmverfahren (Flotation), d. h. Aufschwemmen mit Wasser unter Zusatz von Chemikalien und Schaumbildnern auf 25 bis 35 % Cu. Diese Konzentrate werden dann in den Verbrauchsländern zu Kupfer weiterverarbeitet. Der Wasserbedarf beträgt ca. 4 - 10 m³/t Roherz; in der Regel wird das Wasser im Kreislauf geführt.

Verhüttung

Grundsätzlich ist heute der Reaktionsablauf für alle eingesetzten schmelzmetallurgischen Gewinnungsverfahren gleich. Er führt über das Schmelzen des Kupferkonzentrates im Schwebeschmelzofen zu Kupferstein (Cu-Gehalt bis 80 %), über die Verfahrensstufe konvertieren im Konverter zu Blisterkupfer (Cu-Gehalt 96 bis 99 %) sowie mit nachfolgender Feuer-Raffination im Anodenofen zu Anodenkupfer (Cu-Gehalt ≥ 99 %, Sauerstoffgehalt ≤ 0,2 %), das in Anoden-Platten vergossen wird.

Raffinationselektrolyse

Bei der Raffination von Kupfer wird das Metall von restlichen Verunreinigungen befreit. Dabei tauchen eine Anode aus Rohkupfer und eine Kathode aus Edelstahl in schwefelsaure Kupfersulfatlösung. Bei Stromfluss werden an der Anode Kupferatome zu Kupferionen oxidiert. An der Kathode werden Kupferionen zu Kupferatomen reduziert. Kathodenplatten aus reinem Kupfer (99,99%) bilden sich und werden dann von der Edelstahlplatte entfernt.
Edlere Metalle als Kupfer, wie Gold, Silber, Platin Iridium, gehen nicht in Lösung, sondern sinken auf den Boden des Gefäßes. Unedlere Verunreinigungen gehen in Lösung und werden, anders als Reinkupfer, nicht wieder abgeschieden.
Das reine Kupfer der Kathode (mit 99,5 bis 99,9% Cu) wird dann als Raffinadekupfer weiterverarbeitet.

In der Bundesrepublik gibt es eine Primärkupferhütte, die ihre Konzentrate aus dem Ausland bezieht. Aus 2,13 t Konzentrat (mit 12 % H₂O) entstehen dabei durch Verhüttung und Raffination 1 t Reinmetall sowie 1,88 t Schwefelsäure (aus dem SO₂-Gas gewonnen) und 1,12 t Schlacke. Sowohl Schwefelsäure wie Schlacke werden vermarktet. Für 1 t Kupfer werden etwa 200 t Erz benötigt.

Umweltindikatoren / Herstellung

Energieaufwand

Je nach Erztyp, Kupfergehalt des Roherzes, Tiefbau oder Tagebau, Art der Energiebereitstellung unterscheidet sich der Energiebedarf für Bergbau und Aufbereitung sehr voneinander.

Charakteristische Emissionen

Emissionen treten insbesondere in Form von Verbrennungsgasen (CO₂) auf.

Maßnahmen Gesundheitsschutz

Bei der Herstellung von Kupfer und Kupferlegierungen ist auf persönliche Schutzausrüstung zu achten (Augen-, Gesichts-, Gehör-, Hautschutz). Das gilt auch bei der Herstellung von beispielsweise Kupferblechen, die mit verdünnter Schwefelsäure gebeizt werden.

Maßnahmen Umweltschutz

Umweltschutzmaßnahmen bestehen insbesondere in der Einhausung der Produktionsanlagen und Kreislaufführung von Flüssigkeiten und Gasen (z. B. Reinigungswasser, Elektrolytlösung etc.). Des Weiteren helfen Filteranlagen zur Reinhaltung der Luft.

Transport

Da Kupfer in Deutschland nicht mehr abgebaut wird und es deshalb die angereicherten Kupfererze z. B. aus den USA, Kanada, Australien oder Simbabwe importiert werden muss, kommt es zu langen Transportwegen, vorzugsweise auf dem Wasserweg per Schiff.

Quellen

Scholz/Hiese: Baustoffkenntnis; 17. Auflage, 2011; Werner Verlag (Wolters Kluwer Deutschland GmbH), Köln

Verarbeitung

Technische Hinweise / Verarbeitungsempfehlungen

siehe auch Metalle

Kupfer ist ein relativ weiches, verformbares, rötliches Metall (Buntmetall), das je nach Art der Bewitterung schneller oder langsamer braunrot bis schließlich fast schwarz wird.
Es lässt sich gut walzen, ziehen, schmieden, löten und schweißen, jedoch schwer gießen. Es zeichnet sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit aus und ist unempfindlich gegen Zement, Kalk und Gips.

Als Verbindungstechniken von Kupferbauteilen sind das Falzen, Nieten, Schrauben, Kleben, Weichlöten, Hartlöten und Schweißen zu nennen.¹
Beim Weichlöten von Kupfer werden Weichlötflussmittel auf Basis von Zink- und Ammoniumchlorid eingesetzt. Sie bewirken die Befreiung der Werkstückoberflächen von Oxid-, Sulfid- und Schmutzschichten und ermöglichen so eine feste Verankerung des Lots auf der Metalloberfläche.

Arbeitshygienische Risiken

Allgemeines

Gesundheitsgefahren gehen überwiegend von der ätzenden Wirkung der aus den Weichlöten freiwerdenden Ammoniak- und Salzsäuredämpfen aus.

AGW-Werte

• 1 mg Kupfer (Staub)/m³ Luft
• 0,1 mg/m³ (für Kupfer-Rauch)

Bei Verwenung von Weichlötflussmitteln

• 35 mg/m³ Ammoniak wasserfrei
• 7 mg/m³ Chlorwasserstoff wasserfrei

REACH / CLP

Die REACH-Verordnung regelt die Herstellung, das Inverkehrbringen und den Umgang mit Industriechemikalien. Zur Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen, dient die CLP-Verordnung (Verordnung über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen), um ein hohes Schutzniveau für die menschliche Gesundheit und die Umwelt zu gewährleisten.

Wird ein Produkt nicht als Stoff oder Gemisch, sondern als Erzeugnis eingestuft, ist kein Sicherheitsdatenblatt (SDB) erforderlich und Gefahrstoffbezeichnungen entfallen. Lediglich besonders besorgniserregende Stoffe (SVHC) müssen ausgewiesen werden.

Kupferbleche oder Formteile aus Kupfer können auch als Erzeugnis eingestuft werden. Aus diesem Grund ist kein Sicherheitsdatenblatt erforderlich und Gefahrstoffbezeichnungen entfallen.

Einstufungen und Gesundheitsgefahren nach GISBAU

siehe Stoff-/Produktgruppen GISBAU (Weichlötflussmittel)

Emissionen

Bei nicht fach- und sachgerechter Verarbeitung kann es durch erhöhte Löttemperaturen zu einem Anstieg der Schadstoffemissionen (freiwerdende Ammoniak- und Salzsäuredämpfe) kommen.

Umweltrelevante Informationen

Energiebedarf

Bei der Verarbeitung von Kupferbauteilen kann Energie zum Umformen (Biegen/Anpassen) von Blechen oder Fügen (Löten) benötigt werden.

Wassergefährdung

Beuteile aus metallischem Klupfer sind im Allgemeinen nicht wassergefährdend, dennoch soll das Eindringen insbesondere von abgewitterten Kupferbestandteilen in Abwasser, Gewässer oder Erdreich vermieden werden. Kupfersalze (zu unterscheiden von metallischem Kupfer) sind in die Wassergefährdungsklassen 2 und 3 (wassergefährdend bis stark wassergefährdend) eingestuft.¹

Transport

In Deutschland gibt es mehrere Kupferhütten von denen im Jahr 2005 nur eine Kupfererzkonzentrate eingeführt hat. Alle anderen verarbeiten Kupfer aus Sekundärquellen.²

Quellen

¹Zwiener, Mötzl: Ökologisches Baustofflexikon, 2006, 3. Auflage, C.F. Müller Verlag, Heidelberg
²Umweltbundesamt Ableitung von Kriterien zur Beurteilung einer hochwertigen Verwertung gefährlicher Abfälle, Online-Quelle (abgerufen 10/2013)

Nutzung

Umwelt- und Gesundheitsrisiken bei bestimmungsgemäßer Nutzung

Schadstoffabgabe / Emissionen in den Innenraum

Nach bisherigem Kenntnisstand erfolgt keine Schadstoffabgabe bei bestimmungsgemäßer Nutzung.

Biologie

Kupfer ist als Biometall an zahlreichen körpereigenen Redox-Reaktionen, an der Elektronenübertragung, sowie der Chlorophyll- und Hämoglobinsynthese beteiligt. Es zeichnet damit für eine Vielzahl lebensnotwendiger Stoffwechselprozesse verantwortlich und ist zentraler Bestandteil verschiedener Proteine und Enzyme. Es gehört zu den essentiellen Spurenelementen und unterliegt einer ausgeprägten homöostatischen Regulierung. Ernährungsbedingte Kupfer-Mangelerscheinungen sind bekannt, krankheitsbedingte Kupferlimitationen sowie Kupfer-Überversorgungen sind hingegen sehr selten und treten nur bei genetisch verursachter Beeinträchtigung des zellulären Metabolismussystems auf.

Der Kupfergehalt eines Erwachsenen beläuft sich auf etwa 100 mg. Der Tagesbedarf schwankt zwischen 1 und 3 mg. Die Resorptionsrate für Kupfer im menschlichen Darm ist gering. Es kann nur dann giftig wirken, wenn die körpereigenen Regelmechanismen durch seltene spezielle Krankheiten bedingt nicht richtig funktionieren. Für Kleinkinder sind demgegenüber geringe Kupferionenkonzentrationen, die mit sauren Wässern aus den Kupferleitungen herausgelöst werden können, bereits giftig.

Boden

Die Grenzwert Boden nach Klärschlammverordnung (AbfklärV) liegen bei 60 mg/kg TS.

Umwelt- und Gesundheitsrisiken im Schadensfall

Wassereinwirkung

Werden saure Wässer durch Kupferleitungen geleitet, können geringe Kupferionenkonzentrationen herausgelöst werden. Die Resorptionsrate für Kupfer aus kupferhaltigen Wässern im menschlichen Darm ist gering. Es kann nur dann giftig wirken, wenn die körpereigenen Regelmechanismen durch seltene spezielle Krankheiten bedingt nicht richtig funktionieren. Dann führen die oral aufgenommenen Kupfersalze zu allgemeiner Schwäche, Erbrechen und Entzündungen im Verdauungstrakt.¹ Für Kleinkinder sind aber bereits kleine Mengen giftig

Beständigkeit Nutzungszustand

Kupfer steht in der Spannungsreihe der Metalle bei den edlen Metallen, aber noch unter Silber und Gold. Von nichtoxidierenden Säuren wie Salzsäure wird es nicht angegriffen. Von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure wird es unter Bildung entsprechender Kupfersalze oxidiert. Das Metall ist für seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit bekannt und wird deshalb als Kabelmaterial zur Stromleitung verwendet. Nur Silber hat in dieser Hinsicht noch bessere Eigenschaften.

Beim Zusammenbau mit unedleren Metallen (Fe, Al, Zn) können diese elektrolytisch angegriffen werden.

An der Luft bildet sich rasch eine dünne, schützende Oxidschicht, die eine weitere Reaktion unterbindet. Durch Einwirkung des Luftsauerstoffs verändert sich ihre Oberfläche in braunes Kupferoxid und wird im Lauf der Zeit durch Einwirkung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit an der Oberfläche zu grüner Patina. Sie besteht aus basischem Kupfercarbonat, welches das Kupfer vor weiterer Oxidation schützt. Diese Patina kann als „Selbstheilend“ bezeichnet werden, da kleinere Schäden auf der Oberfläche die durch mechanische Beanspruchungen entstanden sind, durch erneute Patinabildung wieder verschlossen werden.
Die Patina ist nicht zu verwechseln mit dem Grünspan, der nur in Kontakt mit Essigsäure gebildet wird.

Unter der Rubrik Baustoff- und Gebäudedaten / Nutzungsdauern von Bauteilen findet sich auf dem Informationsportal Nachhaltiges Bauen eine Datenbank mit Nutzungsdauerangaben von ausgewählten Bauteilen des Hochbaus für den Leitfaden „Nachhaltiges Bauen“.
→ Datenbank als PDF

Quellen

¹Zwiener, Mötzl: Ökologisches Baustofflexikon, 2006, 3. Auflage, C.F. Müller Verlag, Heidelberg

Nachnutzung

Wiederverwendung / Wiederverwertung / Beseitigung

Es ist möglich Kupfer beliebig oft zu recyceln. Da im Gegensatz zu Stahl und Aluminium beim Wiederaufschmelzen alle Legierungsbestandteile entfernt werden können, ist die Wiederverwertung ohne Qualitätsverluste möglich.

Wiederverwendung

Bauteile aus Kupfer, z. B. Armaturen, können je nach Zustand direkt wiederverwendet werden, oder wenn das nicht möglich ist der stofflichen Verwertung zugeführt werden. Auch Verbundmaterialien sind trennbar (Debonding-Verfahren), wenngleich geschraubte Verbindungen gegenüber geschweißten oder genieteten Verbindungen wegen ihrer einfacherern Trennbarkeit vorzuziehen sind.

Stoffliche Verwertung

Die Recyclingrate von Kupfer liegt bei 95%¹. Mittlerweile hat der Anteil des in den Produktionsprozess von Kupferblechen eingeführte Sekundärkupfers einen Anteil von ca. 40 % erreicht. Dieses Sekundärkupfer setzt sich zusammen aus Neuschrott (saubere Produktionsabfälle), Altschrott (Kabelschrott, Elektronikschrott, Bleche), Zwischenprodukten und Reststoffen (Krätzen, Filterstäube, Galvanikschlämme).

Beseitigung / Verhalten auf der Deponie

Da Kupfer fast vollständig im Kreislauf geführt wird (Recyclingrate 95%¹), fallen nur geringe zu deponierende Mengen Kupfer an, bei denen es nach derzeitigem Wissenstand keine Probleme bei der Deponierung gibt, wobei es auch Meinungen gibt, die das Verhalten von Kupfer in Müllverbrennungsanlagen und auf Deponien für problematisch halten.¹
Besondern Kupfer stünde „im Verdacht, bei der Verbrennung katalytisch die Entstehung von polychlorierten Dioxinen und Furanen zu begünstigen.“¹ Gesicherte Ergebnisse liegen diesbezüglich derzeit noch nicht vor.

EAK-Abfallschlüssel

Quellen

¹Zwiener, Mötzl: Ökologisches Baustofflexikon, 2006, 3. Auflage, C.F. Müller Verlag, Heidelberg