Klimafreundliche Metallproduktion

Welche Verfahren funktionieren tatsächlich?

Nachhaltigkeit
CO2-Emissionen
Metallurgie
Prozesstechnik
Die Industrie hat begonnen, Wege zur grünen Metallgewinnung zu beschreiten. Aber mit welchen Verfahren lässt sich tatsächlich eine klimaneutrale Metallindustrie verwirklichen?

Kohlenstoff wird zur Metallgewinnung bevorzugt eingesetzt, weil er die Fähigkeit hat, dem Erz den Sauerstoff zu entziehen. Bei diesem Reduktionsprozess entsteht allerdings das Treibhausgas CO2. Um die „grüne Wende“ zu erreichen, braucht die Welt neue Materialien, nicht zuletzt Metalle. Die Industrie hat begonnen, andere Wege zur Metallgewinnung zu beschreiten, aber führen diese tatsächlich zu einer CO2-freien Metallproduktion?

Enormer Bedarf an Kohlenstoff
Zahlreiche Metallproduzenten bevorzugen kohlenstoffbasierte Reduktionsmittel, da man davon ausgeht, dass sie sich an die derzeitigen Produktionsmethoden anpassen lassen, anstatt völlig neue Verfahren zu entwickeln. Allerdings führen sämtliche kohlenstoffhaltigen Reduktionsmittel zur Bildung von CO2. Um zu verhindern, dass dies zu einer Verstärkung des Treibhauseffekts führt, muss man entweder CO2-neutrale Kohlenstoffquellen verwenden (z. B. Biokohlenstoff) oder das CO2 aus den Abgasen abscheiden und speichern. Wenn beides gleichzeitig gelingen würde, könnten in Zukunft sogar CO2-negative Prozesse erreicht werden.

Die große Frage in Bezug auf Kohlenstoff ist, wie der Zugang zu Biokohlenstoff in Zukunft aussehen wird. Darüber hinaus müssen Umweltaspekte und die Auswirkungen auf die biologische Vielfalt bedacht werden. Die Mengen an Kohlenstoff, die im Metallsektor benötigt werden, sind enorm. Langfristig gesehen ist Kohlenstoff vielleicht nicht einmal die beste Option.

Problem bei der Elektrolyse sind die Kohlenstoffelektroden 
Aluminium wird zum Beispiel durch Elektrolyse hergestellt. Für die heutige Technologie werden jedoch Elektroden aus Kohlenstoff benötigt. Die Kohlenstoffelektroden werden bei dem Prozess verbraucht, sodass die Effekte von Strom und Kohlenstoff letzte Endes kombiniert werden. In Zukunft müssten andere Elektrodenarten verwendet werden, vorzugsweise solche, die bei dem Prozess nicht verbraucht werden. Dann könnte das Metall theoretisch nur mit Strom als Reduktionsmittel hergestellt werden. 

Heute werden weltweit große Ressourcen für die Forschung an neuen Elektrodenlösungen für Elektrolyseverfahren aufgewendet. Wenn sich die Prognosen als richtig erweisen, wird das energieintensive Verfahren sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht noch attraktiver werden.

Wasserstoff nur teilweise geeignet
Wasserstoff ist besonders interessant, weil er als Nebenprodukt verschiedener industrieller Prozesse leicht verfügbar ist. Allerdings kann nicht der gesamte verfügbare Wasserstoff genutzt werden, da noch Probleme im Zusammenhang mit Transport, Lagerung und Sicherheit bestehen. Wasserstoff kann auch aus Erdgas, Biogas oder Wasser (durch Elektrolyse) hergestellt werden. Leider ist Wasserstoff nicht in der Lage, alle Arten von Erzen in Metall umzuwandeln, aber vielleicht werden noch Verfahren entwickelt, um Wasserstoff mit anderen Reduktionsmitteln zu kombinieren. Wasserstoffplasma ist als Reduktionsmittel sogar deutlich wirksamer als normales Wasserstoffgas und kann bei viel mehr Erzen eingesetzt werden.

Gaselektroden
Eine weitere Möglichkeit für die Zukunft sind Gaselektroden für Elektrolyseverfahren. Hier ist es denkbar, dass Wasserstoffgas als Reduktionsmittel in einer Elektrolysezelle eingesetzt wird.

Ein weiterer starker Kandidat für solche Gaselektroden ist Methangas. Das Gas wird derzeit am einfachsten aus Erdgas gewonnen, kann aber in Zukunft auch aus biologischen Quellen stammen, d. h. aus Biogas. Die Kombination von Wasserstoff und Kohlenstoff in Methan macht es zu einer sehr interessanten Option für die Metallherstellung in der Zukunft.

Ein weiteres Gas zur Beimischung von Wasserstoff in Prozessen wäre Ammoniak. Wie Methan ist es weniger explosiv als reiner Wasserstoff und kann daher leichter transportiert und gelagert werden. Die Verwendung von Gasen als Reduktionsmittel stellt jedoch hohe Anforderungen an die Umstrukturierung der Metallindustrie, da in die Entwicklung und Herstellung neuer Reaktortypen investiert werden muss.

Lässt sich Kohlenstoff recyceln?
Das Recycling von Kohlenstoff wäre eine äußerst interessante Option, da sich Kohlenstoff dann ohne fossile Rohstoffe gewinnen lässt. Gleichzeitig würde das Recycling dazu beitragen, den Druck auf biologische Kohlenstoffquellen, z. B. Wälder, zu verringern. Hierzu müsste das CO2 aus den Abgasen abgefangen und dann in Sauerstoffgas und in eine Kohlenstoffform aufspalten werden. Das Sauerstoffgas wird freigesetzt, und die Kohlenstoffform in Öfen oder Elektrolysezellen zurückgeführt.

Das Problem besteht darin, dass CO2 so unglaublich stabil ist, dass enorme Energiemengen benötigt werden, um es aufzuspalten. Die Energiemenge lässt sich möglicherweise durch Hightech-Katalysatoren wie ceriumhaltige Partikel oder biologische Organismen wie Algen oder Bakterien etwas verringern.

Fazit
Natürlich müssen Metalle effizienter genutzt und das Recycling von metallhaltigen Abfällen verbessert werden, aber das wird nicht ausreichen. Bisher haben alle Alternativen zur klimafreundlichen Metallproduktion sowohl Vor- als auch Nachteile. Es gibt jedoch gute Gründe für die Annahme, dass einige dieser Alternativen der Schlüssel zur Verwirklichung einer klimaneutralen Metallindustrie der Zukunft sein könnten. 

Norwegian University of Science and Technology www.ntnu.edu/
Stiftelsen for industriell og teknisk forskning www.sintef.no/​​​​​​​