Aluminium ist aus der Automobilindustrie nicht wegzudenken. Auch in der Aluminiumproduktion wird im Übergang zu nachhaltigeren Produktionsprozessen versucht, treibhausgasarme Technologien einzusetzen. Doch das ist nicht trivial.
Aluminium ist aus der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken, wie hier diese Motorbauteile. Doch auch seine Herstellung muss nachhaltiger werden.
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Aluminium ist aufgrund seiner Leichtigkeit und Stabilität ein nicht wegzudenkender Werkstoff im Fahrzeugbau. Jedoch ist die Herstellung mit hohem Energiebedarf verbunden. Um die CO2-Bilanz zu verbessern, investieren Automobilhersteller und ihre Zulieferer in Partnerschaften mit Aluminiumproduzenten, die innovative Verfahren wie die Nutzung von erneuerbaren Energien, Kreislaufwirtschaftskonzepte und CO2-arme Elektrolysetechnologien einsetzen. Ziel ist es, die Umweltauswirkungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren und die Klimaziele der Branche zu erreichen.
Höhere Energieeffizienz
Ein Ansatzpunkt ist die direkte Reduzierung des Energieverbrauchs und damit die Minimierung von Treibhausgasemissionen. Dazu beitragen können verbesserte Zellendesigns und die Vermeidung von Nachrüstungen. Doch einfach ist das nicht. Denn Änderungen an den physikalischen Gegebenheiten in den Schmelzzellen, wie die magnetohydrodynamische Stabilität, die Auflösung von Aluminiumoxid, die Anteile von Elektrolyten und die Wärmeerzeugung und -verteilung, können zu einer Verschlechterung der Leistungsindikatoren und höheren Betriebskosten führen.
Ein weiteres zentrales Thema ist die Entwicklung der Zellgrößen, die zur Effizienzsteigerung beitrug. Größere Zellen führten jedoch auch zu Problemen, etwa instabile Metallbäder und unerwünschte magnetische Effekte. Das wiederum erforderte eine Anpassung der Betriebs- und Steuerungsstrategien.
In die Produktion eingeführt wurden auch moderne Technologien wie Punktförderer, die eine gleichmäßige Zuführung von Aluminiumoxid ermöglichen und so die Bildung von Schlamm und Anodeneffekten verringern. Damit verlängerte sich die Zelllebensdauer auf über 2.500 Tage und auch der Energieverbrauch wurde weiter optimiert.
PFC-Problem noch zu lösen
Ein weiteres Problem sind Perfluorcarbon-Emissionen (PFCs), die unter bestimmten Zellbedingungen entstehen. Dabei handelt es sich um langlebige Treibhausgase mit einer sehr stabilen chemischen Struktur, die sie extrem widerstandsfähig gegenüber Abbauprozessen in der Atmosphäre macht. Besonders CF4 (Tetrafluormethan) hat eine atmosphärische Lebensdauer von bis zu 50.000 Jahren und ein Treibhauspotenzial, das 6.630-mal höher ist als das von CO2. Auch C2F6 (Hexafluorethan) und C3F8 (Octafluorpropan) haben hohe Treibhauspotenziale von 11.100 bzw. 8.900 CO2-Äquivalenten.
PFC-Emissionen treten oft ohne erkennbare Warnsignale auf – etwa dann, wenn der Aluminiumschmelzprozess durch einen Mangel an Aluminiumoxid gestört wird. Das führt zu einer plötzlichen Spannungssteigerung. Während dieser Effekte entstehen PFCs wie CF4 und C2F6 in signifikanten Mengen.
Schon in den 1990er Jahren initiierten Aluminiumproduzenten weltweit Programme, um durch Verbesserungen der Betriebspraxis die Häufigkeit und Dauer von Anodeneffekten zu reduzieren. Diese freiwilligen Maßnahmen waren erfolgreich: In zehn Ländern konnten die PFC-Emissionen im Vergleich zu 1990 um 31 bis 78 % gesenkt werden. Der Durchschnitt lag bei einer Reduktion von 46 %.
Neuere Erkenntnisse zeigen jedoch, dass PFC-Emissionen nicht nur während klassischer Anodeneffekte auftreten. Low Voltage-PFCs (LV-PFCs) können unter normalen Betriebsbedingungen bei niedrigeren Spannungen emittiert werden, ohne dass ein Anodeneffekt auftritt. Diese Emissionen sind schwieriger zu erkennen und tragen zur Gesamtmenge der PFC-Emissionen bei, werden jedoch oft nicht von den Überwachungssystemen der Schmelzanlagen erfasst, da sie unterhalb der üblichen Detektionsschwellen von 6 bis 8 V bleiben.
Studien aus China haben gezeigt, dass diese LV-PFCs einen beträchtlichen Teil der Gesamtemissionen ausmachen können. In einigen Fällen wurden bis zu 93 % der gemessenen PFC-Emissionen bei normalem Zellbetrieb festgestellt.
Reduktionsstrategien dank technologischer Entwicklung
Die Reduzierung von LV-PFC-Emissionen kann etwa durch die Überwachung individueller Anodenströme, die frühzeitige Erkennung von potenziellen Anodeneffekten und die Anpassung der Fütterungsstrategien für Aluminiumoxid erfolgen. Die Aluminiumindustrie forscht aktuell an verbesserten Algorithmen zur Vorhersage von PFC-Emissionen und an der Entwicklung neuer Kontrollmechanismen. Und: Fortgeschrittene Kontrolllogiken und bessere Verteilung des Alumina-Fütterungssystems sollen sicherstellen, dass die Konzentration von Aluminiumoxid in den Zellen gleichmäßig bleibt, um lokale Spannungsunterschiede und die damit verbundenen Emissionen zu vermeiden.
Biobasierte Kohlenstoffe zur Alu-Produktion
Auch der Einsatz von biobasiertem Kohlenstoff zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks ist ein aktuelles Thema in der Aluminiumproduktion. Allerdings: Die Qualität und Leistung biobasierter Kohlenstoffe, wie Biopech und Biokoks (Holzkohle), kann oft nicht mit fossilen Kohlenstoffen mithalten.
Biopech wird aus Bioöl hergestellt, das bei der Pyrolyse von Holz gewonnen wird, und hat andere physikalisch-chemische Eigenschaften als das übliche Kohlenpech, das in der Aluminiumindustrie verwendet wird. Obwohl Biopech durch Anpassung der Destillationsverfahren optimiert werden kann, um ähnliche Eigenschaften wie Kohlenpech zu erreichen, bleibt es eine Herausforderung, die nötige Viskosität und thermische Stabilität zu gewährleisten.
Biokoks hat im Vergleich zu erdölbasiertem Koks eine höhere Porosität und geringere Dichte. Das beeinflusst seine mechanische Festigkeit und CO2-Reaktivität. Studien zeigten, dass durch Vorbehandlung wie Säurewäsche und höhere Pyrolysetemperaturen die Qualität von Biokoks verbessert werden kann. Trotz Verbesserungen sind die Leistungswerte oft noch unter denen von fossilem Koks.
Teure Behandlungen sind also erforderlich, um die Materialien für die Aluminiumindustrie anzupassen. Die Verfügbarkeit von Biomaterialien stellt ein weiteres Problem dar, da der Bedarf der Industrie die Kapazitäten der Waldbestände übersteigen könnte. Eine mögliche Lösung ist die schrittweise Einführung von Biokohlenstoff in bestehende fossile Kohlenstoffmaterialien, etwa durch biobasierte Bindemittel oder geringe Mengen Biokoks in Anoden und Stopfmassen.
