Aluminium

Primärrohstoffe und Grundstoffe

Zur Herstellung von Aluminium wird der Rohstoff Bauxit benötigt, bei dem es sich um ein eng verwachsenes Mineralgemenge von Aluminiumhydroxiden (Hydrargillit (γ-Al(OH)3), Böhmit (γ -AlOOH), Diaspor (χ -AlOOH)), Aluminiumoxiden (Korund (α -Al2O3)), Eisen-und Titanoxiden sowie Kieselsäure handelt. Tabelle 1 zeigt verschiedene Bauxitarten unterschiedlicher Herkunftsregionen und deren Zusammensetzung. Der Rohstoff besitzt aufgrund seines hohen Eisenanteils eine rostrote Farbe. Tabelle 1: Zusammensetzung typischer Bauxite Al2O3 [%] SiO2 [%] Fe2O3 [%] Ti2O2 [%] Glühverlust [%] Weipa (AUS) 55 1,5 13 2,6 25 Svertlowsk (RUS) 55 5 24 2,5 n.b. Helicon (GRE) 53 3,5 25 2,5 n.b. Gong Xian (CHN) 66 13 2 2 13 Los Pijiguosos (VEN) 51 7 14 2 26 Kwakwaki (GUY) 59 6,5 6 3 26 Trelaway (JAM) 46 1 18 2,6 25 Jari (BRA) 59 7,5 2 1,8 31 Buké (GUI) 53 2,2 13,9 3,4 27,5 Rohstoffvorkommen 90 % der Bauxitlagerstätten liegen entlang des Tropengürtels. Der größte Bauxitabbau findet in Australien und in China statt. Im Jahr 2019 wurden in Australien 83 Mio. Tonnen und in China 68 Mio. Tonnen Bauxit gewonnen. Eisenreiche europäische Bauxite sind schwer aufzuschließen und werden nur noch selten abgebaut. Tabelle 2: Bauxite Förderung und Reserven Land Förderung [Mio. Tonnen] Reserven [Mio. Tonnen] Australien 83 6.000 China 68 1.000 Guinea 45 7.400 Brasilien 36 2.600 Indien 27 830 Jamaika 8,1 2.000 Russland 5,6 6.500 Kasachstan 5 160 Saudi Arabien 3,9 210 Indonesien 3,6 1.000 Vietnam 2 3.700 Griechenland 1,8 250 Guyana 1,5 850 Malaysia 1 110 Sonstige 9 3.200 Gesamt 300 30.000 Abbauverfahren Das Ziel der Bauxitaufbereitung ist die Abtrennung des Eisenanteils und weiterer Verunreinigungen sowie das möglichst selektive Auflösen von Aluminiumhydroxid. Im ersten Schritt wird das Bauxit zumeist mit Backenbrechern oder Hammerbrechern auf eine Korngröße von 20 mm - 50 mm zerkleinert. Für die anschließende Feinzerkleinerung kommen meist Kugel- oder Stabmühlen zum Einsatz. Die Feinzerkleinerung findet in einer nassen Umgebung statt, um Staubemissionen zu reduzieren. Das durch die Zerkleinerung erzielte Kornspektrum hat Einfluss auf die Aufschließbarkeit des Bauxits und das Absetzverhalten des Rotschlamms. In vielen Fällen findet eine Waschung statt, um feinverteiltes Kaolinit (Al4[(OH)8|Si4O10]) aus dem Bauxit zu entfernen. Anschließend wird die feingemahlene Suspension in Vorratsbehältern gelagert, die gleichzeitig zur Vorentkieselung genutzt werden können. Bei diesem Prozess wird Siliciumdioxid (SiO2) noch vor dem Aufschluss aus den besonders kieselsäurereichen Bauxiten abgetrennt, da ein hoher Kieselsäuregehalt die maximale Aluminiumoxid-Ausbeute verringert und den Bedarf an Lauge im Aufbereitungsprozess vergrößert. Die Aufbereitung und der Aufschluss erfolgen meist in der Nähe der Aluminiumoxid- Fabrikanten (Alumina). Die Methodik der Aufbereitung und die weiteren Schritte der Aluminiumgewinnung sind in Abbildung 2 dargestellt.

Produktion

Die Standorte der Aluminiumhütten sind weltweit verteilt, konzentrieren sich jedoch in Industrienationen: Der Nordwesten der USA sowie der Westen von USA und Kanada sind Ballungsgebiete. Einige Hütten sind über Mitteleuropa verteilt. Zwischen Osteuropa und Ostasien sowie in Russland gibt es vereinzelte Standorte. In China und der Mongolei sind die meisten Aluminiumhütten auf engerem Raum positioniert. Des Weiteren gibt es Standorte an den nördlichen und östlichen Küsten Südamerikas, am Golf von Guinea, an der Ostküste Südafrikas, im Norden und Süden Indiens sowie der (Süd-)Ostküste Australiens. Zur Herstellung des Aluminiums kommen verschiedene Prozessschritte zum Einsatz, wie das Bayer-Verfahren, die Kalzination und die Schmelzflusselektrolyse. Bayer Verfahren Das Bayerverfahren dient dem Aufschluss des Bauxits und der Gewinnung von Aluminiumhydroxid (vgl. Abbildung 2). Im ersten Schritt findet der Aufschluss des vorgemahlenen Bauxits im Rohrreaktor oder in Autoklaven statt. Da Autoklavenkaskaden aufgrund ihrer beweglichen Bauteile prozesstechnische Nachteile aufweisen (wie Verkrustungen und schlechtere Verweilzeitverhalten), ist der Rohrreaktor, trotz seines geringeren Volumens, wesentlich effizienter als Autoklaven. Die Standardtechnologie ist derzeit trotzdem die Laugung in Autoklaven. Dazu wird das Bauxit in heißer Natronlauge (NaOH) unter Zusatz von Kalk (CaO) mit dem Ziel gelöst, das enthaltene Aluminium in Form von Aluminiumhydroxid in Lösung zu bringen und unerwünschte Begleitelemente mittels CaO zu fällen. Der entstehende Rotschlamm enthält die unerwünschten Begleitelemente, die durch Sedimentation oder Fällung als Laugerückstand verbleiben. Kalzination Das gewonnene Aluminiumhydroxid ist noch nicht für den Einsatz in der Elektrolyse geeignet, da es eine Restfeuchte aufweist und Hydratgruppen enthält. Für die Abtrennung des Hydroxids wird das Aluminiumoxid daher im nächsten Schritt bei 1000 °C – 1300 °C kalziniert. Dies geschieht entweder im Drehrohrofen oder im Wirbelschichtofen. Das Produkt der Kalzination ist Aluminiumoxid, das in der Elektrolyse eingesetzt werden kann. Schmelzflusselektrolyse Um das Aluminiumoxid (Al2O3) mittels Elektrolyse zu metallischem Aluminium zu reduzieren, muss das Oxid in ionischer Form vorliegen. Hierzu wird es im letzten Schritt im Elektrolyten gelöst. Das reine Aluminiumoxid wird nicht direkt elektrolysiert, da es einen hohen Schmelzpunkt (2046 °C) aufweist und durch die Elektrolyten die Schmelztemperatur auf 950 °C - 970 °C reduziert wird. Kryolith (Na3AlF6) wird als schmelzflüssiger Elektrolyt verwendet, da es eine hohe Ionenleitfähigkeit und eine gute Löslichkeit für Aluminiumoxid aufweist. Die Schmelzflusselektrolyse erfolgt mit Graphitanoden und Kohle als Kathode. Bei der Durchführung der Elektrolyse setzt sich an der Kohlekathode, die sich am Boden befindet, flüssiges Aluminium ab und kann abgestochen werden (vgl. Abbildung 3). An der Graphitanode entsteht Sauerstoff, der zu CO und CO2 reagiert. Abbildung 2: Herstellungsverfahren von Aluminium mittels Bayer Verfahren und Schmelzflusselektrolyse (Verändert nach ) Abbildung 3: Aufbau einer Schmelzflusselektrolyse

Nutzung

Abbildung 4: Absatzmärkte von Aluminiumprodukten in Deutschland Das metallurgisch erzeugte Rohaluminium weist eine Dichte von 2,7 g/cm3 (Aluminium gilt damit als klassisches Leichtmetall) und eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 0,377 µW-1cm-1 auf. Der Schmelzpunkt liegt bei 660 °C. Aluminium in metallischer Form bildet eine Oxidschicht aus, die es vor Korrosion schützt. Durch verschiedene Legierungszusätze können die Eigenschaften von Aluminium an die Anwendungsgebiete angepasst werden. Ein wichtiges Legierungselement ist Silizium. In Abhängigkeit vom Siliziumgehalt wird zwischen Guss- und Knetlegierungen unterschieden. Gusslegierungen enthalten bis zu 20% Silizium. Ihre endgültige Form erhält diese Legierungsform durch Gießen. Knetlegierungen hingegen sind niedrig legiert. Auch nach dem Aushärten sind diese Legierungen noch gut verformbar. Gusslegierungen kommen unter anderem für die Herstellung von Motorgussteilen, Felgen, Türklingen und Pfannen zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete von Knetlegierungen sind Dosen und Folien. Abbildung 4 zeigt die Absatzmärkte von Aluminiumprodukten in Deutschland im Jahr 2019. Mit 47 % ist der Verkehrssektor der mit Abstand größte Abnehmer von Aluminiumprodukten. Hier wird Aluminium unter anderem für Luft- und Raumfahrzeuge, Schienen- und Straßenfahrzeuge und Verkehrsschilder verwendet. Im Bauwesen werden Aluminiumprodukte beispielsweise für den Gerüstbau und Tragwerke verwendet. Damit ist das Bauwesen mit 14 % zweitgrößter Abnehmer von Aluminiumprodukten in Deutschland.

Recyclingrohstoff

Abbildung 5: Der Recyclingprozess von Aluminium (Verändert nach ) Abbildung 6: Primär- und Sekundäraluminium - Produktion in Deutschland bis 2019 Für das Recycling von Aluminium existieren zwei grundlegende Verfahren (vgl. Abbildung 5). In Schmelzhütten, sogenannten Refinern, wird Altschrott in Salzschmelzen eingeschmolzen. Dabei werden Gusslegierungen, die sowohl aus Guss- als auch Knetlegierungen gewonnen werden können, hergestellt. Der Anteil von Aluminium muss im Input der Schmelze mindestens 65 % betragen. Bei diesem Prozess entstehen bis zu 500 kg Salzschlacke pro Tonne Aluminium. Die zweite Möglichkeit ist, Aluminium in Umschmelzwerken, auch Remelter genannt, zu recyclen. Dabei besteht das Inputmaterial ausschließlich aus Knetlegierungen, die wieder zu Knetlegierungen recycelt werden. Gusslegierungen können nicht zu Knetlegierungen umgeschmolzen werden. Die Unterscheidung von Guss- und Knetlegierungen kann über den Siliziumgehalt erfolgen. Durch die Entwicklung der LIBS (laserinduzierte Breakdown-Plasmaspektroskopie) ist eine Trennung der Knet- und Gusslegierungen technisch ermöglicht worden, aufgrund der hohen Kosten ist dieser Prozess aber noch Stand der Forschung. Sekundäraluminium kann wieder in den Prozess der Aluminiumherstellung in Gießereien eingebracht werden. Aufbereitetes Aluminium aus den Refinern wird von Gießereien fürs Barrengießen genutzt. Das Sekundäraluminium aus den Remeltern kann für Blöcke aus Knetlegierungen und für Walz- und Pressbarren eingesetzt werden. Recyclingquoten Deutschland 2019 wurden in Deutschland 1,2 Mio. Tonnen Rohaluminium erzeugt, wovon 692 Tausend Tonnen auf Recyclingaluminium entfielen. Das entspricht einer „Circular Material Use Rate“ (CMU) von 57,7 %. Die Recyclingquote für Aluminiumverpackungen lag im Jahr 2019 bei 96 % . Allgemein liegt die Verwertungsquote in den Hauptanwendungsbereichen mit 85 % bis 95 % auf einem hohen Niveau. Weltweit Die Recyclingquote weltweit beträgt zwischen 34 % und 36 %. In Europa liegt die Recyclingquote mit 69 % über dem weltweiten Schnitt.   Unterschiede zwischen Primär- und Sekundäraluminium Preisunterschiede Der Preis für Primäraluminium betrug Ende Januar 2023 2.440 €/t . Pro Tonne Aluminiumschrott lag der Preis Ende Januar 2023 bei 960 €/t .Der Preisunterschied lag zu diesem Zeitpunkt bei 1480 €/t. Der Aluminiumpreis unterliegt deutlichen Preisschwankungen zwischen 1.200 €/t bis 2.500 €/t, die in Abbildung 7 für die letzten 10 Jahre nachvollzogen werden können.   Energieverbrauch Die Aluminiumproduktion ist mit einem hohen Energieverbrauch verbunden. Dieser beträgt bei der Produktion von Primäraluminium etwa 15.700 kWh elektrische Energie. Der Energiebedarf von Recyclingaluminium beläuft sich auf nur 5 % der Energie der Primärgewinnung. Der Energiebedarf für die Herstellung einer Tonne Aluminiumoxid wird zu ca. 90 % über Brennstoffe (Kohle und Erdgas) und zu ca. 10 % über Strom gedeckt. Aluminium hat im Vergleich zu anderen Metallen den größten Energieverbrauch und das größte Einsparungspotential bei seinen Produktionsprozessen durch Sekundärrohstoffe (vgl. Abbildung 8). Aufgrund des hohen Energieverbrauchs ist die Aluminiumproduktion mit einem hohen CO2-Ausstoß verbunden. Das Treibhausgaspotential hängt zum Teil von der Energieversorgung der Hütte ab, da die Aluminiumproduktion in z. B. Island Strom aus Wasserkraft einsetzt und somit ein geringes Treibhausgaspotential aufweist. CO2 – Ausstoß Die CO2 – Emissionen von Primär- und Sekundäraluminium unterscheiden sich erheblich. Bei der Produktion von einer Tonne Primäraluminium fallen 10,6 Tonnen CO2 an. Bei der Produktion einer Tonne Recyclingaluminium sind es 0,73 Tonnen CO2. Verglichen mit anderen Metallen, wie zum Beispiel Stahl (1,54 Tonnen CO2), ist der CO2 – Ausstoß bei der Primärproduktion von Aluminium sehr hoch (Vgl. Abbildung 9). Abbildung 9: Die Entwicklung des Aluminiumpreises Abbildung 11: Energiebedarf der Produktion von Aluminum und Eisen nach Abbildung 10: CO2-Ausstoß von Stahl und Aluminium im Vergleich

Proben im MassLab

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  2-12-004

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  3-12-001

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  3-12-007

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  4-12-001

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  4-12-008

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  4-12-010

Literaturverzeichnis

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