Premiere in Spanien: Wie Wasserstoff die Aluminiumproduktion dekarbonisieren kann

Der erste ecoMetals Award in der Kategorie ecoEnergy ging an Hydro ASA (Quelle: Messe Düsseldorf/C. Tillmann)

Am 15. Juni wurden im Rahmen des Düsseldorfer Messequartetts GIFA, METEC, NEWCAST und THERMPROCESS zum ersten Mal die ecoMetals Awards verliehen. Im Sinne des ecoMetals-Gedankens honorieren die in drei Kategorien vergebenen Preise ausgewählte Industrieunternehmen für ihr Engagement in Sachen Dekarbonisierung. Messebesucher durften mit einem digitalen Votum entscheiden, wer eine Auszeichnung erhält. Sieger in der Kategorie ecoEnergy war Norsk Hydro ASA (Hydro) aus Norwegen. Ein Grund: Zum ersten Mal in der Geschichte der Prozessindustrie hat das skandinavische Unternehmen im industriellen Maßstab Sekundäraluminium hergestellt – und dabei statt des üblichen Erdgases ausschließlich grünen Wasserstoff verwendet. Projektpartner war der internationale Maschinenbaukonzern Fives. Wie die Testcharge im spanischen Navarra produziert wurde und welchen Herausforderungen „grünes" Aluminium noch gegenübersteht, lesen Sie hier.

Grüner Wasserstoff vor dem Hydro-Werk in Navarra: Nippon Gases lieferte den Brennstoff für die grüne Alu-Charge (Quelle: Hydro)

Die weltweite Suche nach emissionsarmen Industrieprozessen hat das Interesse an grünem Wasserstoff befeuert. Soweit, so bekannt. Die möglichen Anwendungen von Wasserstoff umfassen verschiedene Sektoren, doch sagen viele Experten, dass die Industrie am stärksten vom grünen Gas profitieren könne. Dies gilt für verschiedene energieintensive Industrien, und zahlreiche Projekte untersuchen den Einsatz von grünem Wasserstoff in der Stahl-, Glas-, Zement- und Chemiebranche. Beispielhaft sei hier das Wasserstoff-Programm SALCOS der Salzgitter AG genannt, das wir bereits in einem Themenartikel vorgestellt haben.

An Aluminium denken allerdings noch die Wenigsten, wenn es um den Einsatz von Wasserstoff in der Prozessindustrie geht. Dabei handelt es sich bei der Aluminiumproduktion um eine der kohlenstoffintensivsten Branchen überhaupt: Pro t Primäraluminium entstehen laut Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) rund 17 t CO2-Äquivalent. Zum Vergleich: 2017 lag der jährliche CO2-Ausstoß pro Kopf in Deutschlandx bei rund 7,9 t.

Die Aluminiumindustrie kann ihren ökologischen Fußabdruck daher erheblich verringern, indem sie verstärkt auf Recycling setzt und zusätzlich erneuerbar gewonnenen Wasserstoff statt Erdgas verwendet. Das Potenzial ist gewaltig: Laut Umweltbundesamt produzierte Deutschland 2015 an insgesamt vier Standorten 541.000 t Primäraluminium. Werfen wir also einen genaueren Blick auf das potenziell emissionsfreie Verfahren.

Umschmelzen von Schrott zur Produktion von Sekundäraluminium. Die notwendigen Temperaturen wurden durch die Verbrennung von Wasserstoff erzielt (Quelle: Hydro/Fives)

Hydros Alternative

Die Primärproduktion von Aluminium basiert hauptsächlich auf dem 1886 entwickelten Hall-Héroult-Verfahren, das via Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith (Na3AlF6) gelöstem Aluminiumoxid (Al2O3) funktioniert. Das Verfahren beruht auf Kohlenstoffanoden, die die elektrolytischen Reaktionen zu erleichtern. Der Nachteil: Durch die Verwendung der Kohlenstoffanoden werden große Mengen CO2 als Nebenprodukt freigesetzt.

Ein erster Schritt zur Dekarbonisierung der Aluminiumproduktion ist daher das Recycling: Statt Aluminium aus Bauxit-Erz zu gewinnen, lässt es sich aus Schrotten und anderem Altmetall extrahieren. Sowohl Neuschrott aus der laufenden Aluminiumproduktion als auch Altschrott aus gebrauchten Aluminium-Produkten kann eingeschmolzen werden. In Deutschland deckt Sekundäraluminium rund ein Drittel des Gesamtverbrauchs, der 2019 laut BGR bei rund 2,1 Mio. t lag.

Allerdings kommt beim Recyclingprozess Erdgas zum Einsatz, weshalb auch Sekundäraluminium keineswegs CO2-neutral ist. An dieser Stelle setzt das Verfahren von Hydro an: Bei dem jüngst erfolgten Testdurchgang ersetzten die Norweger das Erdgas durch grünen Wasserstoff von Nippon Gases.

TwinBed™ II-Verbrennungssystem von Fives (Quelle: Fives)

Zusammenarbeit mit Fives

Der Test wurde von Hydro Havrand, der Wasserstoff-Tochter von Hydro, in Zusammenarbeit mit dem Maschinenbaukonzern Fives durchgeführt. Schauplatz des von den Unternehmen als Weltpremiere bezeichneten Versuchs war eine Gießerei des Strangpresswerks von Hydro im südspanischen Navarra.

„Als Pionier bei der Dekarbonisierung der Industrie steht Fives seit Jahrzehnten an der Spitze der Wasserstofftechnologie. Wir freuen uns, mit Hydro an der Herstellung von kohlenstofffreiem Aluminium zu arbeiten. Dabei können wir auf mehr als 100 Jahre Erfahrung in der industriellen Verbrennung und eine breite Palette an hochmodernen Brennern, Verbrennungssystemen und digitalen Werkzeugen zurückgreifen", kommentierte Stephan Paech, CEO von Fives North American Combustion Inc., die Zusammenarbeit.

Für den Test rüstete Fives zunächst das bestehende TwinBed™ II-Verbrennungssystem – ein regenerativer Low-NOx-Brenner aus dem Hause Fives – auf. Zudem konstruierte und lieferte der Projektpartner die Wasserstoff- und Erdgasmischstation sowie die für den Betrieb des Systems erforderlichen Steuerungen. Auch die CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamic) und die Datenerfassungslösung zur Überwachung der Leistung des Verbrennungssystems lieferte Fives. Flankiert wurden die Arbeiten des Maschinenbauers durch zusätzliche Tests in seinem kürzlich mit Wasserstoff ausgestatteten Labor in Cleveland, Ohio.

Manche mögen's heiß: Für das Recycling von Aluminiumschrott nutzt Hydro Trommelöfen, in denen Schrott Abfallprodukte der Aluminiumverarbeitung geschmolzen werden (Quelle: Hydro/Fives)

Erfolgreicher Testdurchgang

Paul Warton, Executive Vice President von Hydro Extrusions, fasste das Vorgehen in einer Pressemeldung wie folgt zusammen: „Indem wir die Kohlenstoffemissionen aus der Energiequelle entfernen, sind wir in der Lage, kohlenstofffreies Aluminium aus dem Recycling von Schrott herzustellen.“

Hydro betrachtet den Test als Beweis dafür, dass grüner Wasserstoff grundsätzlich fossile Brennstoffe in der Aluminiumindustrie ersetzen kann – sowohl in der Primär- als auch in der Sekundärproduktion. Das „grüne" Aluminium wurde anschließend im Werk von Hydro Extrusions in Navarra weiterverarbeitet.

„Dieser Test ist Teil der Entwicklung kommerzieller Lösungen zum Brennstoffwechsel und soll zeigen, dass Wasserstoff in der Aluminiumproduktion anwendbar ist. Grüner Wasserstoff kann in Prozessen, in denen Elektrizität keine Alternative ist, sowohl in der Aluminiumindustrie als auch in anderen Schwerindustrien die schwer zu verringernden Emissionen aus fossilen Brennstoffen beseitigen“, erklärte Per Christian Eriksen, Leiter von Hydro Havrand.

Erkenntnisse für die Forschung...

Hydro und Fives analysieren derzeit die Testergebnisse; ihren Abschlussbericht haben sie für den Herbst dieses Jahres angekündigt. Hydro Havrand will den Aufbau von Kapazitäten für die Umstellung auf Wasserstoff als Brennstoff fortsetzen und so „der führende Anbieter von industriellen Lösungen für die Umstellung auf grünen Wasserstoff“ werden.

Der Test liefere neue Erkenntnisse für die Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Metallqualität. Denn Fakt ist: Wasserstoff verhält sich anders und verbrennt bei einer anderen Temperatur als Erdgas. Herauszufinden, wie sich diese Unterschiede auf den Aluminiumschmelzprozess und die Aluminiumqualität auswirken, sei ein Hauptanliegen des Versuchs gewesen. Die Ergebnisse sollen auch für den Einsatz von Wasserstoff in Primäraluminiumgießereien und anderen Hochtemperaturprozessen wie der Herstellung von Glas oder Zement von Bedeutung sein.

Silber, aber grün: Mit Wasserstoff hergestelltes Aluminium (Quelle: Hydro)

... Herausforderungen in der Praxis

Leider steht die breite Einführung von Wasserstoff in der Aluminiumproduktion noch vor zahlreichen Herausforderungen. Das Kernproblem der grünen Alternative ist dasselbe wie bei anderen potenziellen Anwendungsfeldern: Produktion, Speicherung und Transport des Gases müssen wettbewerbsfähiger werden, um es im großen Maßstab einsetzen zu können.

Daneben braucht es den Aufbau einer robusten Wasserstoffinfrastruktur. Der gelingt jedoch nicht ohne erhebliche Investitionen und intensive Zusammenarbeit zwischen Industrie, Politik und Forschung. Zudem sei daran erinnert, dass es sich bei dem „grünen Aluminium" von Hydro um eine einzelne Testcharge handelt. Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen sind notwendig, um die grüne Produktion von Aluminium

Übrigens könnte Wasserstoff die Primärproduktion von Aluminium auf eine weitere Weise defossilisieren: Nicht nur das Erdgas, sondern auch die bei der Elektrolyse zum Einsatz kommenden Kohlenstoffanoden lassen sich durch Wasserstoff ersetzen. Einigen Quellen zufolge wäre dies sogar deutlich effizienter als die Kohlenstoff-Variante. Entsprechende Demonstrationsprojekte im industriellen Maßstab stehen allerdings noch aus.

Der Einsatz von Wasserstoff bietet einen vielversprechenden Weg in die Zukunft und fördert eine umweltfreundlichere Industrie, die mit den Zielen einer kohlenstoffarmen Wirtschaft in Einklang steht. Projekte wie jenes von Fives und Hydro beweisen, dass es möglich ist.

Wenn Sie mehr über die Dekarbonisierung der Metallindustrie erfahren möchten, besuchen Sie vom 28.-30. November die decarbXpo in den Hallen der Messe Düsseldorf!

Quellen:

Informationen zum ecoMetals Award: https://www.gifa.de/de/Besuchen/Rahmenprogramm/ecoMetals_Award_1 [Eingesehen am 11.07.2023]
Themen-Artikel zu SALCOS: https://www.gifa.de/de/Media_News/News/Themen/Dasselbe_in_gr%C3%BCn_Gr%C3%BCner_Stahl_durch_Wasserstoff_am_Beispiel_Salzgitter
Aluminium: Informationen zur Nachhaltigkeit https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DE/Gemeinsames/Produkte/Downloads/Informationen_Nachhaltigkeit/aluminium.pdf?__blob=publicationFile& [Eingesehen am 11.07.2023]
Factsheet Aluminium: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/3521/dokumente/factsheet-aluminium_fi_barrierefrei.pdf [Eingesehen am 11.07.2023]
Sekundärproduktion von Aluminium: https://www.maschinenbau-wissen.de/skript3/werkstofftechnik/aluminium/73-sekundaeraluminium [Eingesehen am 11.07.2023]
Offizielle Pressemeldung der Fives Group: https://www.fivesgroup.com/newspress/detail-view/fives-hydro-produce-worlds-first-batch-hydrogen-fueled-recycled-aluminium [Eingesehen am 11.07.2023]
Offizielle Pressemeldung von Hydro ASA: https://www.hydro.com/de-DE/medien/news/2023/worlds-first-batch-of-recycled-aluminium-using-hydrogen-fueled-production/ [Eingesehen am 11.07.2023]