Reinigung des „Wundermetalls“: So entkarbonisieren Sie Aluminium

Ohne Fortschritte beim Recycling und der Dekarbonisierung könnten die Emissionen des Aluminiumsektors bis 2050 auf fast 2 Milliarden Tonnen ansteigen.

Von Ramon Arratia und Nancy Gillis

3. Februar 2023

Aluminiumkomponenten. Bild über Shutterstock/Rocharibeiro

[Dieser Artikel ist Teil einer Serie von Mitgliedern der First Movers Coalition. Weitere Geschichten über die Initiative können Sie hier lesen.]

Aluminium wird als „Wundermetall“ beschrieben. Obwohl es das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste ist, machte die komplexe Raffinierung Aluminium im 19. Jahrhundert wertvoller als Silber oder Gold. Napoleon III. schätzte es so sehr, dass er seinen Ehrengästen ihr Essen auf Aluminiumtellern servierte. Auch heute noch ist es ein hochwertiges Material, das für sein geringes Gewicht, seine Vielseitigkeit, seine Festigkeit nach Militärstandard, seine Korrosionsbeständigkeit und seine unbegrenzte Recyclingfähigkeit geschätzt wird.

Was kann man also nicht mögen? Nun, die energieintensiven Prozesse, die rohes Bauxiterz in ein reines Metall umwandeln, emittieren durchschnittlich 16 Tonnen CO2 pro produzierter Tonne Primäraluminium. Der gesamte Sektor erzeugt jedes Jahr rund 1,1 Milliarden Tonnen CO2, was 2 Prozent der weltweiten vom Menschen verursachten Emissionen ausmacht. Mehr als 60 Prozent dieser Emissionen entstehen durch die Erzeugung des beim Schmelzprozess verbrauchten Stroms.

Darüber hinaus wird erwartet, dass die Nachfrage nach dem Wundermetall – angetrieben durch Branchen wie Transport, Bauwesen, Verpackung und Elektroindustrie – bis 2030 um fast 40 Prozent steigen wird. Zwei Drittel dieses Wachstums werden aus China und Asien erwartet, was Anlass zur Sorge gibt Angesichts der Tatsache, dass der Schmelzprozess in China stark von eigenen Kohlekraftwerken abhängig ist. Ohne Fortschritte beim Recycling und der Dekarbonisierung könnten die Emissionen des Sektors bis 2050 auf fast 2 Milliarden Tonnen ansteigen.

Eine Handvoll neuer Technologien haben das Potenzial, Aluminium zu reinigen, aber nur die ehrgeizigsten erreichen das anspruchsvolle Ziel der First Movers Coalition (FMC) des Weltwirtschaftsforums, einer globalen Initiative zur Nutzung der Kaufkraft von Unternehmen zur Dekarbonisierung der schwersten Kohlenstoffe des Planeten. emittierende Industrien. Die Mitglieder des FMC haben sich zum Ziel verpflichtet, dass bis 2030 mindestens 10 Prozent des Primäraluminiums, das sie jährlich beschaffen, durch nahezu emissionsfreie Prozesse hergestellt werden. Die Definition von „nahe Null“ ist die schwierige Aufgabe: weniger als drei Tonnen CO2 pro Tonne Primäraluminium ausstoßen. Das bedeutet eine enorme Reduzierung der aktuellen Emissionen um 85 Prozent oder mehr.

Um zu verstehen, wie eine solch tiefgreifende Dekarbonisierung erreicht werden kann, benötigen wir einen kurzen Überblick über den Aluminiumherstellungsprozess. Bauxit ist der Rohstoff – es wird aus dem Boden abgebaut und in einem mehrstufigen Prozess, bei dem es auf etwa 1.000 Grad Celsius erhitzt wird, zu Aluminiumoxid oder „Aluminiumoxid“ raffiniert. Um diese Wärme zu erzeugen, verbrennen viele Raffinerien fossile Brennstoffe vor Ort und stoßen dabei große Mengen CO2 aus. Der zweite Prozess, das sogenannte Schmelzen, wandelt das Aluminiumoxid durch Elektrolyse in reines Aluminiummetall um. Dabei werden viel Strom und Kohlenstoffanoden benötigt, die ebenfalls große Mengen CO2 ausstoßen.

Die gute Nachricht ist, dass bestehende Formen erneuerbarer Energien – wie Wasserkraft oder Solarenergie – uns etwa zwei Drittel des Weges zu emissionsfreiem Aluminium ermöglichen werden. Wir können saubere Energie für die neuen elektrifizierten Kessel und Kalzinatoren nutzen, die bei der Raffinierung von Bauxiterz zu Aluminiumoxid dienen – und auch für den stromintensiven Schmelzprozess. Doch das kann kurzfristig teuer werden. Das bedeutet, die Anlagen an Standorte mit Zugang zu erneuerbarer Energie zu verlegen und die Raffinerien für die Installation der neuen Ausrüstung umzurüsten.

Einige aufkommende neue Technologien – die in bestehenden Aluminiumwerken implementiert werden können – können dazu beitragen, den Rückstand auf emissionsfreies Aluminium zu verringern. Der Schmelzprozess kann vollständig dekarbonisiert werden, indem die Kohlenstoffanoden durch inerte Anoden ersetzt werden, die Sauerstoff anstelle von CO2 abgeben. Ein als „mechanische Brüdenverdichtung“ bezeichnetes Verfahren ermöglicht es, die für die Raffination benötigte Wärmeenergie wiederzuverwerten und nicht freizusetzen. Und für die verbleibenden Emissionen gibt es Technologien wie CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS), um Emissionen aus den Raffinierungs- und Schmelzprozessen abzufangen. Wenn einige dieser bahnbrechenden Technologien zusammen eingesetzt werden, kann der gesamte Aluminiumproduktionsprozess unter den Grenzwert von 3 Tonnen CO2 pro Tonne Primäraluminium gebracht werden.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Sektoren im FMC kann Recycling eine große Rolle auf dem Weg zur Dekarbonisierung des Aluminiumsektors spielen, insbesondere da das Metall als unbegrenzt recycelbar gilt. Recycling verbraucht etwa 5 Prozent der Energie, die zur Herstellung von neuem Aluminium benötigt wird, und ist daher sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sinnvoll. Das Umschmelzen von Aluminium ist heute in großem Maßstab weit verbreitet. Jährlich fließen mehr als 30 Millionen Tonnen recyceltes Aluminium in neue Produkte zurück. Es kann auch zu einem gerechten Übergang beitragen, da Sammlung, Sortierung und Recycling das Potenzial bieten, neue Arbeitsplätze zu schaffen und gleichzeitig den Abbau natürlicher Ressourcen zu reduzieren, der zur Unterstützung der Primäraluminiumproduktion erforderlich ist.

Deshalb hat sich der FMC seinen Mitgliedern als zusätzliches Ziel gesetzt, sicherzustellen, dass bis 2030 mindestens 50 Prozent des jährlich von ihnen verbrauchten Aluminiums recycelt werden. Allerdings wird Recycling allein nicht ausreichen, um den wachsenden weltweiten Durst nach dem Metall zu stillen – tatsächlich wird es bis 2050 nur die Hälfte des erwarteten Bedarfs decken, so die von der Mission Möglichen Partnerschaft veröffentlichte Übergangsstrategie, die auf 1,5 Grad Celsius ausgerichtet ist. Daher bleibt es oberste Priorität, die Produktion von Primäraluminium möglichst emissionsfrei zu gestalten.

Auch wenn die Technologien zur Dekarbonisierung der Aluminiumproduktion – wie alle neuen Technologien, die noch nicht maßstabsgetreu sind – in Prototypenform existieren, sind sie teuer. Ihre Kommerzialisierung ist eine Herausforderung – und es sind nicht nur die Kosten; Die Wertschöpfungskette von Aluminium ist kompliziert und lang.

Nehmen wir zum Beispiel eine Bierdose, die typischerweise zu mehr als 50 Prozent aus recyceltem Aluminium besteht, aber immer noch Primäraluminium benötigt. Zuerst wird Bauxit abgebaut und dann zu Aluminiumoxid raffiniert. Oft geht es woanders hin, um es zu reinem Aluminium zu verhütten. Das Metall wird dann zu Scheiben oder Spulen verarbeitet, von Unternehmen gekauft, die es in Dosen stanzen, an Getränkeunternehmen und Abfüller verkauft, an Einzelhändler verteilt und gelangt erst dann zum Verbraucher. Diese lange Lieferkette wird durch die Größe der Käufer verschärft. Während Stahl und Beton große „Ankerabnehmer“ wie Automobilhersteller oder staatliche Beschaffungsbehörden haben, wird Aluminium in kleinen Mengen von vielen Akteuren gekauft. Und alle beteiligten Akteure – vom Bergbauunternehmen bis zum Getränkehändler – müssen sich darauf einigen, das Ziel und die Kosten der Dekarbonisierung zu teilen.

Ball Corporation, ein bedeutender Hersteller von Aluminiumverpackungen und Mitglied des FMC, hat einen ersten Schritt zur Abstimmung mit seinen Partnern in der Wertschöpfungskette unternommen. Das Unternehmen hat sich mit den Aluminiumlieferanten und FMC-Mitgliedern Novelis und Rio Tinto zusammengetan, um Kanadas erste speziell gekennzeichnete, kohlenstoffarme Getränkedose für Corona-Bier zu entwickeln. Die Dose besteht teilweise aus recyceltem Aluminium sowie nahezu emissionsfreiem Primäraluminium, das mit Wasserkraft veredelt und mithilfe einer treibhausgasfreien inerten Anodentechnologie namens Elysis geschmolzen wird. Dieser Durchbruch wurde durch eine beispiellose Zusammenarbeit zwischen zwei konkurrierenden Giganten der Aluminiumindustrie – Alcoa und Rio Tinto – sowie durch Investitionen und technische Unterstützung in Höhe von 13 Millionen US-Dollar (CAD) von Apple sowie zusätzliche Investitionen in Höhe von jeweils 80 Millionen US-Dollar (CAD) durch den Kanadier ermöglicht und Quebecer Regierungen. Elysis befindet sich noch im Prototypenstadium, aber das Team strebt an, die Technologie bis 2024 kommerziell verfügbar zu machen.

Die Ausrichtung der Wertschöpfungskette durch Koalitionen wie das FMC ist für die Dekarbonisierungsbemühungen von entscheidender Bedeutung. Ohne eine abgestimmte Wertschöpfungskette führen Nachfragesignale an die Produzenten möglicherweise nicht zu Veränderungen. Solche Koalitionen führen auch zu besseren Gesprächen mit Regierungen über eine Reihe von Themen, von der Verschärfung der Recyclingpolitik bis hin zu Koinvestitionen in Forschung und Entwicklung.

Regierungen spielen eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Dekarbonisierung der Raffinierung und Verhüttung von Primäraluminium. Der Nahe Osten hat die Möglichkeit, einen Beitrag zu leisten, indem er sein reichliches Solarenergiepotenzial nutzt. China zeigt Schritte in die richtige Richtung, indem es einige kohlebetriebene Raffineriebetriebe schließt und neue Kraftwerke in Regionen mit reichlich Wasserkraft eröffnet. Möglicherweise müssen Regierungen den Sektor aber auch direkt finanziell unterstützen. Die neuen Technologien, die zur Dekarbonisierung von Aluminium erforderlich sind – einschließlich zusätzlicher erneuerbarer Energie, CCUS und der Neugestaltung des Schmelzprozesses rund um inerte Anoden – werden bis 2050 rund 1 Billion US-Dollar kosten, daher ist es wahrscheinlich, dass Staaten mit Anreizen, Investitionen und Markteinführungen eingreifen müssen. basierte Maßnahmen. Die Produktion von Materialien wie Lithium oder Kupfer – die für den Übergang zu einer CO2-armen Wirtschaft von entscheidender Bedeutung sind – wird bereits mit staatlichen Subventionen gefördert. Dies gilt auch für Aluminium, da es bei der Dekarbonisierung anderer Sektoren wie Transport und Batterietechnologie eine Rolle spielt.

In Europa ist der von der Europäischen Union vorgeschlagene CO2-Grenzausgleichsmechanismus (CBAM) ein Weckruf für Aluminiumlieferanten, die in den Binnenmarkt exportieren möchten. Bis 2030 könnte die CBAM eine Steuer von 100 Euro pro Tonne CO2 erheben, die in importierten Produkten und Materialien enthalten ist, was den Kosten des EU-Emissionshandelssystems (ETS) für lokale Produzenten nachahmt. Für eine Tonne Aluminium mit einem CO2-Fußabdruck von 16 Tonnen könnten die Metallkosten um 60 Prozent steigen. Während ein solcher Mechanismus dazu beitragen kann, dass dekarbonisiertes Aluminium nach der Kommerzialisierung dauerhaft konkurrenzfähig bleibt, kann das Modell direkter staatlicher Investitionen in bahnbrechende Technologien notwendig sein, um Unternehmensfinanzierungen zu gewinnen und den Dekarbonisierungspfad zu entschärfen.

Der Sektor befindet sich in einem Wettlauf mit der Zeit, seine aufkommende nahezu emissionsfreie Produktion zu steigern, um die erforderliche Versorgung zu gewährleisten. Unternehmen müssen eine klare Führungsposition einnehmen, um den Einsatz tiefgreifender Dekarbonisierungstechnologien zu unterstützen, die erforderlich sind, um den Sektor auf den Weg zum Netto-Nullpunkt bis 2050 auszurichten. Es werden zusätzliche Kosten anfallen, aber Koalitionen wie das FMC werden dabei helfen, diese zu schaffen Transparenz und Zusammenarbeit sind erforderlich, um diese Kosten zu bewältigen. Die Technologie ist da, um dies zu ermöglichen – und dafür lohnt es sich, wenn nicht ein Glas, dann auf jeden Fall eine kohlenstoffarme Bierdose zu spenden.

Dieser Artikel wurde gemeinsam von Jonathan Walter sowie Andrew Alcorta und Henry Mumford von BCG verfasst.

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