Die Rolle inerter Anoden bei der Dekarbonisierung von Aluminium

Jun 07, 2023

Inerte Anoden können eine Schlüsselrolle bei der Vermeidung von Emissionen aus der Primäraluminiumproduktion spielen.

Barren aus Elysis-Aluminium, hergestellt durch ein innovatives neues Verfahren unter Verwendung inerter Anoden

Apfel

Nach Stahl ist Aluminium das am zweithäufigsten verwendete Metall weltweit. Aluminium ist unglaublich leicht, lässt sich leicht formen, leitet Elektrizität gut und ist korrosionsbeständig. Obwohl es ein Synonym für alltägliche Grundnahrungsmittel wie Getränkedosen und Folienverpackungen ist, ist es nicht nur für Konsumgüter wichtig: Es ist auch entscheidend für den Übergang zu einer sauberen Energiewirtschaft als Schlüsselkomponente der Netzinfrastruktur, von Solaranlagen, Windturbinenkomponenten und Elektrizität Fahrzeuge. Gleichzeitig trägt die Aluminiumproduktion erheblich zum Klimawandel bei. Die Aluminiumindustrie ist für 2 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen (THG) verantwortlich und die Nachfrage nach dem Material steigt deutlich. Ohne Intervention wird ein notwendiges Material für den Klimaschutz auch ein erhebliches Hindernis für den Klimafortschritt darstellen.

Um dieses Klimaproblem zu lösen, ist es für den Sektor von entscheidender Bedeutung, zwei sich ergänzende Änderungen vorzunehmen: Der zur Herstellung von Aluminium verwendete Strom muss dekarbonisiert werden, und Aluminiumhütten müssen fortschrittliche Technologie einsetzen, um Prozessemissionen zu reduzieren oder zu eliminieren. Während saubere Energie die Emissionen aus Ersterem eliminieren kann, ist es schwieriger, Prozessemissionen zu reduzieren. Inerte Anoden sind eine vielversprechende Technologie, die diese Herausforderung gut bewältigen kann. Ohne Investitionen in die Erforschung, Entwicklung und den Einsatz dieser Spitzentechnologie lassen wir Lösungen zur CO2-Reduzierung in einem Sektor auf dem Tisch, der sie dringend benötigt.

Um die Rolle zu verstehen, die inerte Anoden bei der Dekarbonisierung von Aluminium spielen können, ist es wichtig zu verstehen, wie Emissionen bei der Aluminiumproduktion entstehen. Fast alle Emissionen des Sektors (96 Prozent) entstehen durch die Umwandlung von Aluminiumerz (bekannt als Bauxit) in Aluminiumoxid (hauptsächlich durch die Verbrennung von Kraftstoff vor Ort) und die anschließende Reduzierung dieses Aluminiumoxids zu Aluminium durch Elektrolyse, ein Prozess, der stark auf Elektrizität angewiesen ist. Allein der Elektrolyseprozess ist für fast 80 Prozent der Treibhausgasemissionen der Branche verantwortlich.

Der Elektrolyseprozess wird seit dem späten 19. Jahrhundert angewendet: Kohlenstoffanoden werden in eine Mischung aus Aluminiumoxid und einem geschmolzenen Salz namens Kryolith eingeführt, und ein elektrischer Strom wird durch die Kohlenstoffanoden in die Mischung geleitet. Durch diesen Prozess wird Sauerstoff aus Aluminiumoxid entfernt und mit einer Kohlenstoffanode wieder kombiniert, um Kohlendioxid (CO2) zu erzeugen. Als Endprodukt verbleibt reines Aluminium.

Prozessemissionen aus der Elektrolyse lassen sich nur schwer eliminieren, da dieser Ausstoß von CO2 im letzten Schritt ein wesentlicher Bestandteil der Gewinnung von reinem Aluminium ist.

Zusätzlich zu den CO2-Emissionen aus der chemischen Reaktion kann die Kohlenstoffanode auch zur Freisetzung von Perfluorchemikalien (PFCs) führen. PFC entstehen, wenn sich Fluor aus einem bei der Elektrolyse verwendeten Salz mit dem Kohlenstoff in den Anoden verbindet. Die bei der Elektrolyse entstehenden PFCs sind extrem starke Treibhausgase mit einem Treibhauspotenzial, das 6.500- bzw. 9.200-mal so stark ist wie CO2. Im Jahr 2021 stieß das Sebree-Werk von Century Aluminium in Kentucky 24 Tonnen PFC aus, was den Emissionen von 40.000 Autos entspricht. Die schiere Wirksamkeit dieser Gase erhöht die Notwendigkeit, Prozessemissionen, die von Kohlenstoffanoden herrühren, zu mindern.

Inerte Anoden haben das Potenzial, Prozessemissionen aus der Aluminiumproduktion zu reduzieren oder zu eliminieren. Inerte Anoden können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden und erfüllen die gleiche Funktion wie die Kohlenstoffanode. Der Ersatz von Kohlenstoffanoden durch inerte Anoden würde die direkten CO2-Emissionen der Aluminiumhütte eliminieren und stattdessen zur Emission von reinem Sauerstoff führen. Darüber hinaus würden inerte Anoden den Prozess eliminieren, bei dem bei der Aluminiumproduktion PFCs entstehen.

Inerte Anoden können die lokale Luftverschmutzung verringern. Zusätzlich zu den Klimavorteilen, die sie bieten, bieten inerte Anoden auch die Möglichkeit, die Schwefeldioxidbelastung (SO2) zu verringern. Kohlenstoffanoden werden durch Backen von Koks und Kohlenteerpech hergestellt, die beide Schwefel enthalten. SO2 entsteht beim Schmelzen, wenn Luftsauerstoff mit Schwefel in den Kohlenstoffanoden reagiert. Diese Reaktion findet bei Verwendung inerter Anoden nicht statt, wodurch SO2-Emissionen aus dem Schmelzprozess entfernt werden.

Die Minderung der SO2-Emissionen könnte erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit der Bevölkerung haben. Beispielsweise trägt die Magnitude 7 Metals-Schmelzanlage in Missouri zum Ruf des Landkreises als „schmutzigste Luft aller Zeiten in Amerika“ bei, wobei der SO2-Gehalt fast dreimal so hoch ist wie der Standard der US-Umweltschutzbehörde (EPA). Andere Einrichtungen, wie etwa Alcoas Anlage in Massena, New York, befinden sich in „Non-Attainment“-Gebieten oder Gebieten, die bestimmte von der EPA festgelegte Luftqualitätsstandards nicht erfüllen. Der geringfügige gesundheitliche Nutzen inerter Anoden ist daher in diesen Bereichen besonders hoch.

Trotz der Klima- und Gesundheitsvorteile inerter Anoden besteht ein Kritikpunkt an der Technologie in ihren möglichen Auswirkungen auf das Stromnetz. Der theoretische Mindeststrombedarf für das Schmelzen mit einer Kohlenstoffanode beträgt 5,99 kWh/kg Al, während er für inerte Anoden bei 9,03 kWh/kg Al liegt. Der höhere theoretische Energieverbrauch ist ein berechtigter Grund zur Besorgnis über die Netzzuverlässigkeit und die Fähigkeit, den Bedarf zu decken. Diese Sorge ist besonders relevant, da politische Entscheidungsträger daran arbeiten, das Stromnetz zu dekarbonisieren und gleichzeitig Sektoren wie Verkehr und Gebäude zu elektrifizieren.

Es gibt jedoch Untersuchungen, die darauf hindeuten, dass der tatsächliche, nichttheoretische Energiebedarf für inerte Anoden gleich oder niedriger sein wird als bei herkömmlichen Aluminiumproduktionsprozessen. Die Verwendung inerter Anoden ermöglicht eine geringere Anodenüberspannung (die zusätzliche Energie, die zum Erzwingen einer Reaktion benötigt wird), was letztendlich den Energiebedarf während der Elektrolyse senkt. Darüber hinaus können die Abstände zwischen Anode und Kathode verringert werden, wenn inerte Anoden mit benetzten Kathoden kombiniert werden, was den Energiebedarf der Schmelzreaktion senken kann.

Inerte Anoden sind zwar noch vor der Kommerzialisierung, gewinnen aber zunehmend an Bedeutung als kommerziell skalierbare Technologie zur Sanierung der Aluminiumproduktion. Elysis, ein von Alcoa und Rio Tinto gegründetes Unternehmen, produzierte Ende 2019 in einer Forschungseinrichtung erfolgreich eine Charge Aluminium mit inerten Anoden. Seitdem hat das Unternehmen seine Technologie mit Unterstützung der kanadischen Bundesregierung in einem Werk in Rio Tinto in Quebec installiert. Bei seinem Start wurde erwartet, dass das Projekt 6,5 Millionen Tonnen Treibhausgasemissionen eindämmen, mehr als 1.000 Arbeitsplätze schaffen und die Betriebskosten um mehr als 15 Prozent senken würde.

Da in Kanada bereits ein Pilotprojekt läuft und überzeugende Klima-, Gesundheits- und Wirtschaftszahlen vorliegen, gibt es gute Gründe, die Technologie auf Anlagen in den Vereinigten Staaten auszudehnen, die nun über die politischen Instrumente verfügen, um dies zu verwirklichen. Das 6,3 Milliarden US-Dollar teure Industrial Demonstrations Program des US-Energieministeriums ist speziell darauf ausgelegt, den frühen Einsatz von Technologien wie inerten Anoden zu erleichtern.

Während die Vereinigten Staaten einen ehrgeizigen Weg zur gesamtwirtschaftlichen Dekarbonisierung einschlagen, kann Aluminium den Weg für andere Industriesektoren ebnen, die eine schnelle Emissionsreduzierung anstreben – und inerte Anoden können dabei helfen, den Weg zu ebnen.