CO2 Quellen und Verteilung in der Aluminiumproduktion
- Benno Müller
- 11. Okt. 2023
- 5 Min. Lesezeit
Aktualisiert: 14. Nov. 2023
In meiner Bachelorarbeit habe ich mich viel mit der Aluminium-, Stahl- und Batterieindustrie beschäftigt. Dabei habe ich die einzelnen Produktionswege, die Verteilung von CO2 Emissionen über den Produktionsweg und die jeweiligen Gründe für die entstehenden Treibhausgase analysiert und aufbereitet. Danach habe ich Maßnahmen zur CO2 Reduktion gesucht und beurteilt. Ich habe dadurch einen sehr guten Einblick in die jeweiligen Industrien bekommen und war der Meinung, dass dieses aufgebaute Verständnis in einfacheren Worten anderen helfen könnte, einen schnellen Überblick zu bekommen. Deshalb hier der Beitrag zur Aluminiumindustrie:
Gliederung
1.1 Rohstoffabbau
1.2 Alumina-Refining
1.3.1 Stromverbrauch
1.4 Anderes
3.3 Inert Anoden
3.4 Weitere
1 Aluminiumproduktion und Treibhausgas-Quellen
1.1 Rohstoffabbau
Ausgangsstoff für Aluminium ist so genanntes Bauxit, welches als rötliche Erde hauptsächlich in tropischen Regionen vorkommt. Da Bauxit in den oberen paar Metern des Bodens vorkommt, lässt es sich im Tagebau abbauen. CO2 Quellen sind hier die benötigten Fahrzeuge und Maschinen, die fossile Brennstoffe verbrennen. Insgesamt fällt der Bauxitabbau aber nur sehr gering in das Gewicht der gesamten Aluminiumproduktion.
1.2 Alumina-Refining
Um aus der Erde das Aluminium zu gewinnen, muss das Aluminium ersteinmal aus den Verbindungen freigesetzt werden. Das passiert während des so genannten Alumina-refinings. Der dabei eingesetzte Bayer Prozess löst das Aluminium aus den Bauxit-Bindungen und produziert dabei Aluminiumoxid. Das Aluminiumoxid ist nun ein weißes Pulver, welches transportiert und weiterverarbeitet werden kann. Der Bayer Prozess arbeitet mit hohen Temperaturen und auch Drücken. Dieser Energiebedarf wird oft mit fossilen Energieträgern gedeckt, was die CO2 Emissionen von diesem Prozessschritt verursacht.
1.3 Schmelzflusselektrolyse
Im nächsten Schritt wird das Aluminiumoxid in der so genannten "Schmelzflusselektrolyse" in reines Aluminium und Sauerstoff aufgetrennt. Das geschieht, indem das Aluminiumoxid in ein Bad aus elektrisch leitfähiger Flüssigkeit bei hoher Temperatur gegeben wird, und durch dieses Bad Strom geschickt wird. Die Verbindung zwischen Aluminium und Sauerstoff werden aufgelöst, und entsprechend der Ladungen wandert der Sauerstoff zu den Anoden und das Aluminium zu den Kathoden, wodurch sich das Aluminium unten in der Zelle als reines, flüssiges Aluminium absetzt und abgesaugt werden kann.
1.3.1 Stromverbrauch
Für diesen Prozess wird sehr sehr viel Strom benötigt. Da ein Großteil der globalen Aluminiumproduktion mit Strom aus fossilen Quellen, also z.B. Kohle läuft, ist der Stromverbrauch hauptverantwortlich in den Treibhausgasemissionen in der Aluminiumproduktion.
1.3.2 Direktes CO2 von den Anoden
Weiterhin müssen wir auf den Sauerstoff zurück kommen. Dieser wandert zur Anode in der Zelle. Die Anoden sind üblicherweise aus Kohlenstoff hergestellt. Wenn also der Sauerstoff an den Anoden ankommt, reagiert dieser mit dem Kohlenstoff der Anode und produziert CO2. Zusätzlich werden die Anoden dadurch beschädigt und müssen regelmäßig ersetzt werden.
1.3.3 PFC Emissionen durch Anoden-Effekte
Darüber hinaus gibt es eine weitere Treibhausgasquelle: Als Elektrolyt, also die leitfähige Flüssigkeit in der das Aluminiumoxid gelöst ist, wird Kryolith (Na3AlF6) eingesetzt. Diese Verbindung enthält Fluor (F). Während der Schmelzflusselektrolyse kann es zu so genannten "Anoden-Effekten" kommen. Manchmal übersteigt die Spannung an den Anoden nämlich den normalen Wert. Dann ist genug elektrische Energie vorhanden, damit der Kohlenstoff aus der Anode mit dem Fluor aus dem Elektrolyt reagiert, und CF4 oder C2F6 bildet. Auch wenn nur geringe Mengen von CF4 und C2F6 produziert werden, sind diese sehr wichtig für die Treibhausbilanz. CF4 und C2F6 wirken ca. 7.000 bzw. 11.000 mal stärker als CO2 und sind daher wichtig zu beachten.
1.4 Anderes
Andere Prozesse in der Aluminiumherstellung wie die weitere Verfeinerung oder die Herstellung der Anoden, welche konstant ersetzt werden müssen, sind hier nicht näher erklärt, weil der Fokus auf den Hauptverursachern der Treibhausgasemissionen liegt. Diese anderen Prozesse sind unter "Andere" zusammengefasst.
2 Treibhausgasverteilung
Die Schmelzflusselektrolyse ist mit Abstand der Prozess mit dem größten Anteil an CO2 Emissionen, gefolgt vom Alumina Refining. Andere Prozesse haben vergleichsweise nur eine geringe Wirkung und werden daher hier nicht näher betrachtet.
Die Emissionen in der Schmelzflusselektrolyse teilen sich nochmal auf in den Strom und die direkten Emissionen durch CO2 Entstehung bei der Elektrolyse und PFC Entstehung bei Anodeneffekten, beides an der Anode. Strom ist dabei im Gesamtbild für den meisten CO2 Ausstoß verantwortlich. Die folgenden Grafiken verdeutlichen die Verteilung und fassen noch einmal die Treibhausgas-Quellen zusammen.
2.1 Flowchart state-of-the-art Aluminiumproduktion mit Emissions-heatmap
2.2 Treibhausgasverteilung in der Aluminiumindustrie nach Prozess
Produktionsschritt | Beschreibung | Wert | Erklärung |
Alumina Refining | Bayer-Prozess | 11,6% | hoher Energieverbrauch durch erhöhte Temperatur und Druck im Prozess, der mit fossilen Brennstoffen gedeckt wird |
Schmelzflusselektrolyse | Elektrolyse | 11,6% | |
Schmelzflusselektrolyse | Strombedarf, Wert abhängig von eingesetzter Stromquelle | 66,0% | sehr hoher Strombedarf bei der Elektrolyse, der oft mit fossilen Brennstoffen erzeugt wird |
Schmelzflusselektrolyse | PFC Emissionen | 4,7% | Anoden Effekte |
Andere | | 6,1% | |
2.3 Prozentuale Verteilung der Treibhausgasemissionen in der Aluminiumindustrie
3 Vermeidungsmaßnahmen
Um effektive Maßnahmen zur CO2 Reduktion zu identifizieren, werden zuerst die Treibhausgasverteilung und die dazugehörigen Quellen analysiert. Basierend darauf kann man abschätzen, wie man möglichst viel Emissionen vermeiden kann. Im Fall der Aluminiumproduktion sind indirekte Emissionen durch die Stromerzeugung Hauptbestandteil der Treibhausgase, danach kommen direkte Emissionen von CO2 und PFC durch die Anoden, und Energieverbrauch des Alumina-Refinings.
3.1 Aluminium Recycling
Beim recyceln von Aluminium schmilzt man altes Aluminium ein und macht daraus neue Produkte. Dabei umgeht man im Herstellungsprozess die das Alumina-Refining und die Schmelzflusselektrolyse, wodurch etwa 95% der Treibhausgase eingespart werden. Limitiert ist das Aluminiumrecycling durch Verunreinigungen und Legierungen, welche die Qualität des recycelten Produktes beeinflussen können. Diese Legierungselemente sind beim Recyclingprozess von Aluminium schwer zu entfernen. Daher ist eine sortenreine Sammlung von Aluminium sehr wichtig.
3.2 Erneuerbare Energien
Hauptursache für Treibhausgase ist der Stromverbrauch während der Schmelzflusselektrolyse, der größtenteils mit fossilen Brennstoffen wie Kohle erzeugt wird. Tauscht man Kohlestrom durch erneuerbare Energien aus, lassen sich im Schnitt 77,9% der Emissionen reduzieren. Falls kurzfristig nicht ausreichend erneuerbare Energien verfügbar sind, lässt sich mit Strom aus Erdgas im Vergleich zu Kohle schon etwa 33% der Emissionen verringern. Herausforderungen beim Strom sind einmal die Bereitstellung von großen Mengen an erneuerbarer Energie, aber auch die kontinuierliche Lieferung des Stroms. Die Zellen aus der Schmelzflusselektrolyse sind darauf angewiesen, konstant Strom zu erhalten, sonst könnte es zu einem Totalausfall kommen. Um diese Herausforderung muss man sich mit den variablen erneuerbaren Energien kümmern, weshalb für diese Industrie hauptsächlich Wasserkraft eingesetzt wird.
3.3 Inert Anoden
Während der Schmelzflusselektrolyse entstehen direktes CO2 und auch PFCs. Dies geschieht, da die Anoden aus Kohlenstoff bestehen und mit dem Sauerstoff des Aluminiumoxid bzw. mit dem Elektrolyten reagieren. Die aus Metallen oder Keramik gefertigten Inert Anoden verhindern diese Reaktionen, indem sie keinen Kohlenstoff zur Verfügung stellen und nicht reagieren. "Inert" ist ein chemischer Begriff der beschreibt, dass ein Stoff nicht oder nur sehr ungerne mit anderen reagiert. Somit kann der Sauerstoff als reiner Sauerstoff entweichen und es werden keine PFCs gebildet, was insgesamt etwa 14,6% weniger CO2 verursacht. Hierbei ist zu beachten, dass einige behaupten, Inert Anoden würden mehr Strom verbrauchen als herkömmliche. Mit einem CO2 intensiven Strom könnte dieser Mehrverbrauch den CO2 Vorteil mindern.
3.4 Weitere
Natürlich gibt es noch weitere Möglichkeiten die Aluminiumindustrie zu dekarbonisieren, die hier aufgeführten sind nur die nach meiner Recherche und Evaluation relevantesten.
Genauere Informationen, Quellen und eine ausführlichere Analyse findet ihr in meiner Bachelor-Thesis zum Thema "Supply chain decarbonization of battery electric vehicles - identification and comparison of reduction measures".
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