Wie die Aluminiumproduktion grüner werden kann

Aluminium ist leicht, langlebig, biegsam und widerstandsfähig gegen Korrosion. Es ist nach Silizium das zweithäufigste metallische Element in der Erdkruste. Angesichts dessen ist es nicht verwunderlich, dass es nach Eisen das weltweit am häufigsten verwendete Metall ist.

Im Jahr 2020 wurden weltweit 65,3 Millionen Tonnen Primäraluminium produziert, aber 86,2 Millionen Tonnen verbraucht. Die Differenz wurde durch Recycling ausgeglichen. Doch die Produktion von Primäraluminium ist im Aufwärtstrend und erreichte 2022 bereits 68,5 Millionen Tonnen (Link in Englisch).

Ein 2022 veröffentlichter Bericht (Link in Englisch) prognostiziert, dass die Aluminiumnachfrage im Jahr 2030 119,5 Millionen Tonnen erreichen wird, ein Anstieg um 38,6 Prozent verglichen mit 2020. Die Haupttreiber werden demnach die Branchen Bau, Verpackung, Verkehr und Energie sein. Bei der Herstellung des Metalls wird zwar viel CO₂ freigesetzt, es spielt aber auch eine wichtige Rolle bei der Energiewende. Denn es wird für Elektrofahrzeuge, in der Wind- und Solarindustrie sowie beim Netzausbau verwendet, wo es in Kabeln Kupfer ersetzt.

Derzeitige Produktionsverfahren verursachen hohe Emissionen

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur verursachte die Aluminiumproduktion im Jahr 2022 weltweit fast 270 Millionen Tonnen direkte CO₂-Emissionen. Das entsprach etwa drei Prozent der globalen Treibhausgasemissionen. Die steigende Nachfrage wird laut den Experten dazu führen, dass auch die Emissionen steigen, wenn die derzeitigen Produktionsmethoden weiter zum Einsatz kommen.

Zwar entstehen Treibhausgase in verschiedenen Phasen des Prozesses. Der größte Teil – rund 73 Prozent der Gesamtemissionen – entfällt aber auf die Elektrolyse, bei der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff der Tonerde reagiert. In der darauffolgenden Raffinationsphase fallen weitere 15 Prozent an.

Australische Raffinerie erprobt Einsatz von Wasserstoff

Wie sich die Emissionen auf innovativem Wege senken lassen, erforschen aktuell australische Aluminium-Raffinerien. Im August 2023 kündigte die australische Agentur für Erneuerbare Energien (ARENA, Link in Englisch) außerdem an, eine Versuchsanlage zur Herstellung von Wasserstoff in der Tonerde-Raffinerie Yarwun in Gladstone (Queensland) mit 32,1 Millionen australischen Dollar zu fördern. Im Rahmen des Yarwun Hydrogen Calcination Pilot Demonstration Program soll damit ein 2,5-Megawatt-Wasserstoff-Elektrolyseur gebaut werden. Außerdem umfasst das Vorhaben die Nachrüstung eines der Brenner der Raffinerie für den Betrieb mit Wasserstoff.

Der Betrieb der Brenner mit Wasserstoff ist eine von vier Optionen in einem von ARENA geförderten Fahrplan zur Dekarbonisierung der Branche (Link in Englisch) aus dem Jahr 2022. Die anderen drei sind mechanische Dampfkompression, der Einsatz elektrischer Kessel sowie elektrische Kalzinierung.

Positive Effekte über den Aluminium-Sektor hinaus

Angesichts des enormen Energieverbrauchs der australischen Aluminium-Raffinerien setzt dieser Fahrplan ein Zeichen. 2020 verbrauchte die Branche laut ARENA 61.000 Gigawattstunden Energie – das entspricht dem Verbrauch von 1,7 Millionen Haushalten. Ein Großteil stammte aus Kohle und Gas. Die Raffinerien benötigen die Energie vor allem in Form von Prozesswärme und Strom. 95 Prozent des Verbrauchs entfallen auf den Aufschluss (64%) und die Kalzinierung (31%).

Dem Fahrplan zufolge könnten die Kalzinierungs-Emissionen auf null sinken, wenn der Prozess vollständig auf grünen Wasserstoff umgestellt wird. Auf die gesamte australische Industrie angewandt würde dies eine Verringerung der Emissionen um 3,5 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente pro Jahr bedeuten.

Darüber hinaus kann der Dampf aus der Kalzinierung mit Wasserstoff zur Wärmeerzeugung wiederverwendet werden, was auch die Emissionen weiterer Branchen senken würde. Der Schätzung aus dem Fahrplan zufolge könnte die Wasserstoff-Kalzinierung in Kombination mit der elektrischen Dampferzeugung die Emissionen von Aluminium-Raffinerien um bis zu 98 Prozent senken.

Doch die vier im Fahrplan genannten Technologien müssen zunächst getestet werden. Das Yarwun-Demonstrationsprojekt verspricht, dazu einen wichtigen Beitrag zu leisten. Im Fokus steht, die technische und wirtschaftliche Tragfähigkeit der Wasserstoff-Kalzinierung zu bewerten.

Hoher Bedarf an grüner Energie

Alle vier genannten Optionen haben außerdem einen Aspekt gemeinsam: Sie erfordern Zugang zu großen Mengen Erneuerbarer Energie und entsprechende Speicherkapazitäten. Das gilt sowohl für die direkte Nutzung von Grünstrom als auch für die indirekte Nutzung zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Da die Raffinerien eine sichere Strom- und Wärmeversorgung benötigen, ist es notwendig, elektrische und/oder thermische Speicher einzusetzen, je nach Dekarbonisierungspfad.

Der Erfolg des Fahrplans hängt daher nicht nur von der Erprobung der neuen Technologien ab. Auch der Aufbau entsprechend großer Produktionskapazität für Erneuerbare Energie ist entscheidend, um die Wasserstoff-Kalzinierung wirtschaftlich tragfähig zu machen.

Wie ARENA-Geschäftsführer Dan Miller kommentierte, unterstreicht das Projekt „die Bedeutung von preiswertem grünem Wasserstoff für die Dekarbonisierung unserer größten industriellen Treibhausgas-Emittenten“. Und die Grundlage für kostengünstigen grünen Wasserstoff seien kostengünstige Erneuerbare Energie – in sehr großem Maßstab.