2022 betrug die Primäraluminiumproduktion in der EU 1,91 Millionen Tonnen aus elf Anlagen. Dabei entstanden 2,75 Millionen Tonnen CO₂äq als direkte Emissionen. Um das Ziel der Klimaneutralität in der EU zu erreichen, muss auch der Aluminiumsektor seine Emissionen deutlich reduzieren und dabei gleichzeitig global wettbewerbsfähig bleiben. Ein Bericht des Joint Research Center der EU gibt einen Überblick über die verfügbaren Dekarbonisierungstechnologien.
Die Herausforderungen bei der Dekarbonisierung des Sektors sind die Energieintensität des Prozesses, das kohlenstoffintensive Ausgangsmaterial, die Kohlenstoffintensität der Elektrizität sowie die Verwendung von Kohlenstoffanoden, die bei der Reduktionsreaktion CO₂ emittieren und PFC freisetzen.
Für den hohen Energieverbrauch ist hauptsächlich der Schmelzprozess verantwortlich. 2022 habe der weltweite Verbrauch 13,2 MWh pro Tonne Primäraluminium und 2,8 GJ pro Tonne Anode betragen. Das Recycling von Aluminium senkt den Energieverbrauch und die Emissionen im Vergleich zur Primärproduktion. Allerdings bestehe hier Optimierungsbedarf bei den Sammel-, Sortier- und Verarbeitungsmethoden. Dies erfordere eine bessere Koordination zwischen den einzelnen Interessengruppen. Zudem sei die Rentabilität des Recyclings von den Marktbedingungen abhängig.
Nachhaltigkeit sei inzwischen zu einem zentralen Thema in der Branche geworden. Zu den ergriffenen Maßnahmen gehört vorrangig die Integration von erneuerbaren Energien in den Produktionsprozess. Die Menge der insgesamt verbrauchten Elektrizität ist an das Produktionsvolumen gekoppelt. Als größter Produzent verbraucht China etwa 540 TWh für die Primäraluminiumproduktion. Es folgen Europa (119 TWh), die Golfstaaten (90 TWh) und Nordamerika (49 TWh). Derzeit werde der globale Energiemix noch von Kohle dominiert; der Anteil liegt bei 56,9 Prozent. Es folgen Wasserkraft mit 31,3 Prozent und Erdgas mit 9,7 Prozent.
Technologische Fortschritte hätten den Sektor erheblich verändert, die Energieeffizienz verbessert und die Emissionen, insbesondere von PFC, verringert. Innovative Produktionsmethoden, wie die Entwicklung fortschrittlicher Zelltechnologien und effizienter Recyclingverfahren, hätten die Energieeffizienz und die Nachhaltigkeit insgesamt verbessert. Die Reduktionen seien beträchtlich. So hätten die PFC-Emissionen von Aluminium im Jahr 1995 rund 73 Millionen Tonnen CO₂-Äq. betragen, die bis 2019 auf rund 35 Millionen Tonnen CO₂-Äq. halbiert werden konnten. Gleichzeitig stieg die Produktion von 20 Millionen Tonnen Primäraluminium im Jahr 1995 auf 63 Millionen Tonnen im Jahr 2019. Die PFC-Emissionsintensität sank somit von 3,65 Tonnen CO₂e im Jahr 1995 auf 0,56 Tonnen CO₂e im Jahr 2019.
Im Gegensatz zur Primäraluminiumproduktion, bei der das Aluminium aus Bauxit gewonnen wird, konzentriert sich die Sekundäraluminiumproduktion auf die Wiederverwendung und Wiederaufbereitung vorhandener Aluminiummaterialien. Dieser Prozess ist ein wesentlicher Bestandteil des nachhaltigen Ressourcenmanagements und bietet mehrere Vorteile, darunter Energieeinsparungen und geringere Umweltauswirkungen.
Seit seiner Einführung in die kommerzielle Produktion wird Aluminium aktiv recycelt, wobei das End-of-Life-Recycling heute etwa ein Fünftel des weltweiten Aluminiumangebots ausmacht. Das Recycling von Aluminium führt zu erheblichen Energieeinsparungen, da nur 5 Prozent der für die Primäraluminiumproduktion benötigten Energie verbraucht werden. Die Recyclingquoten reichen von 60 Prozent (in der EU 75 Prozent) für gebrauchte Getränkedosen bis zu 85 Prozent im Baugewerbe und erreichen sogar 95 Prozent im Verkehrssektor. Die Qualität des Aluminiums bleibt durch das Recycling unangetastet, sodass wiederholte Recyclingzyklen möglich sind. Praktisch alle Schrotte, die bei der Herstellung von Aluminiumprodukten anfallen, werden durch Recyclingprozesse wiederverwertet. Obwohl die Recyclingquote weltweit bei etwa 35 Prozent liegt, variiert die Zahl je nach Region stark: 60,3 Prozent in Europa, 60,1 Prozent in Südamerika, 58,4 Prozent in Nordamerika, 55,9 Prozent in Asien (ohne China), 24,7 Prozent in China, 8,1 Prozent im Nahen Osten und etwa 30 Prozent in der übrigen Welt.
Die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Schrottarten ist entscheidend für ihre Endverwendung in den verschiedenen Industrien. Aluminiumgusslegierungen, die Silizium enthalten, bieten aufgrund ihrer größeren Toleranz gegenüber Verunreinigungen im Vergleich zu Knetlegierungen eine größere Flexibilität bei der Aufnahme einer Vielzahl von Schrotten. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass Gusslegierungen, obwohl sie hinsichtlich der Zusammensetzung toleranter sind, im Allgemeinen zu Produkten mit geringerem Mehrwert führen als Knetlegierungen. Infolgedessen ist die Anwendung spezieller Verfahren für das Recycling von legiertem Aluminium mit höheren Kosten verbunden, was das Recycling bestimmter Arten von Schrott wirtschaftlich einschränkt.
Neuschrotte bieten aufgrund ihrer Eigenschaften, die eine effiziente Verarbeitung und Trennung erleichtern, deutliche Vorteile beim Recycling von Sekundäraluminium. Diese Schrotte lassen sich leicht in ihre jeweiligen Legierungstypen trennen, was dazu beiträgt, die Qualität und Konsistenz des recycelten Materials zu erhalten. Außerdem sind sie in der Regel frei von Anhaftungen oder Verunreinigungen, was das Risiko des Einbringens von Verunreinigungen in den Recyclingprozess verringert. Diese Qualität minimiert die Notwendigkeit einer umfangreichen und arbeitsintensiven Vorbehandlung vor dem Einschmelzen. Diese Schrotte kommen häufig in unbeschichtetem Zustand an, was zu einer höheren potenziellen Metallausbeute während des Recyclingprozesses beiträgt.
Post-Consumer-Schrott umfasst eine breite Palette von Produkten mit einer unterschiedlichen Lebensdauer, die von einigen Wochen bei gebrauchten Getränkedosen bis zu etwa 12 Jahren bei Quellen, wie Kfz-Teilen reicht. In einigen Fällen kann die Lebensdauer mehr als 30 Jahre betragen. Diese Materialien werden aus verschiedenen Quellen gesammelt und sortiert, bevor sie für das Einschmelzen weiter aufbereitet werden. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Herkunft sind diese Schrotte anfällig für Verunreinigungen durch Stoffe wie Farben, Lacke, Schmutz, Kunststoffe, Öle, Fette und eine Vielzahl von metallischen und nichtmetallischen Anhaftungen. Um diese Schrottkategorie für ein effektives Recycling vorzubereiten, sind häufig Vorbehandlungsverfahren erforderlich. Daher ist das Recycling von Altschrott aufgrund der genannten Schrottaufbereitungsschritte tendenziell etwas energieintensiver.
In der EU gibt es mehr als 100 Aluminiumrecyclinganlagen mit unterschiedlichen Kapazitäten und Spezialisierungen. Die Recyclingmengen sind aufgrund fehlender Daten schwer zu schätzen, aber es wird geschätzt, dass im Jahr 2019 5,6 Millionen Tonnen Neu- und Altschrott in der Aluminiumproduktion eingesetzt wurden.
Das Dekarbonisierungspotenzial der Aluminiumindustrie kann in drei Pfade unterteilt werden: Dekarbonisierung der Elektrizität, Dekarbonisierung der direkten Emissionen und Ressourceneffizienz.
In der Aluminiumindustrie weltweit stammt ein erheblicher Teil (55 Prozent) der Gesamtemissionen des Sektors, nämlich 616 Millionen Tonnen CO₂äq im Jahr 2022, aus den Emissionen zur Erzeugung des während des Schmelzprozesses verbrauchten Stroms (indirekte Emissionen). Es wird aber davon ausgegangen, dass bis 2050 eine Reduzierung dieser Emissionen auf nahezu null möglich ist. Dies könne durch den schrittweisen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen zugunsten sauberer Energiequellen oder durch die Nutzung fossiler Brennstoffe in Verbindung mit Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) erreicht werden.
2022 wurden bei der Herstellung von Primäraluminium in Europa etwa 119 TWh Strom verbraucht, wovon etwa 2,5 Prozent kohlenstoffbasiert waren. Dies habe zur Emission von 688.000 Tonnen indirektem CO₂ geführt. Durch das Erreichen der Dekarbonisierungsziele könnten über einen Zeitraum von 30 Jahren etwa 10 Millionen Tonnen CO₂ eingespart werden. Wenn die Emissionssenkung nicht durch die Nutzung alternativer Stromquellen erreicht werden kann, könnte CCUS-Technologie eingesetzt werden.
Etwa 16 Prozent der Emissionen des Sektors im Jahr 2022 stammen aus der direkten Verbrennung von Brennstoffen für Prozesse wie Aluminiumoxidraffination, Anodenherstellung, Gießen, Umschmelzen und Recycling. Die Elektrifizierung mit kohlenstoffarmen Energiequellen ist ein vielversprechender Weg zur Dekarbonisierung dieser thermischen Prozesse. In Fällen, in denen eine Elektrifizierung nicht möglich ist, bieten alternative Optionen wie grüner Wasserstoff, konzentrierte Solarthermie und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) Potenzial zur Emissionsminderung.
Weitere 10 Prozent der Emissionen entstehen direkt bei der Verhüttung (und Raffination). Um diese Emissionen in den Griff zu bekommen, werden neue Zelltechnologien erforscht, wie zum Beispiel inerte Anoden, die bei der Aluminiumherstellung Sauerstoff statt CO₂ freisetzen. Auch wenn ihr Einsatz noch begrenzt ist, versprechen diese neuen Technologien für die Zukunft eine deutliche Reduzierung der Emissionen.
Etwa 7 Prozent der Gesamtemissionen des Sektors entfallen auf Hilfsstoffe und Transport. Es wird erwartet, dass diese Emissionen aufgrund von Veränderungen in anderen Sektoren und der Kaufentscheidungen der Aluminiumhersteller in ähnlichem Maße zurückgehen werden wie die direkten Emissionen.
Die Entwicklung fortschrittlicher Anodenmaterialien und -technologien kann die Effizienz der Aluminiumproduktion verbessern und den Energieverbrauch senken. Dazu könnten inerte Anoden oder andere innovative Ansätze gehören. Das Konzept inerter Anoden sei nicht neu, allerdings ist die Entwicklung mit einigen Herausforderungen verbunden. Die kommerzielle Rentabilität müsse erst noch bewiesen werden. Das Technology Readiness Level (TRL) gibt den Bericht mit 4 bis 5 an. Diese Dekarbonisierungsoption sei eher eine mittel- bis langfristige Lösung.
Die Verwendung von Wasserstoffgas als Reduktionsmittel im Schmelzprozess kann Kohlenstoff ersetzen und zu einer „grünen“ Aluminiumproduktion führen. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine zuverlässige und nachhaltige Wasserstoffquelle. Die TLRs der verschiedenen Arten von Wasserstoff liegen zwischen 7 und 9. Das größte Hindernis seien die Produktionskosten, die um den Faktor 2 bis 3 höher sind als bei Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Allerdings sei damit zu rechnen, dass die Kosten im kommenden Jahrzehnt sinken werden. Zudem müsse die entsprechende Infrastruktur für den Transport und die Speicherung aufgebaut werden.
Die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) sei eine vielversprechende Technologie zur Verringerung der CO₂-Emissionen. Sie müsse jedoch auf die Aluminiumindustrie zugeschnitten werden. In der Aluminiumindustrie stellt CCUS eine potenziell praktische Zwischenlösung dar. Dies gilt insbesondere für Anlagen, die leicht auf kostengünstige fossile Brennstoffe zugreifen können, keinen einfachen Zugang zu erschwinglichen erneuerbaren Energiequellen haben, weit vom Ende ihrer Betriebsdauer entfernt sind und über die erforderliche Transport- und Speicherinfrastruktur verfügen. Das größte Hindernis für einen kommerziellen Einsatz seien die erheblichen Anfangsinvestitionen, die für CCUS erforderlich sind.
Wo es machbar ist, sollte Elektrizität als Ersatz für alle Prozesse genutzt werden, bei denen fossile Brennstoffe verwendet werden. Ein erheblicher Teil, etwa 30–45 Prozent, der bei der Aluminiumschmelze erzeugten Wärme wird derzeit als Abwärme über die Abgase abgeführt. Diese Situation bietet eine Chance für die Einführung von Abwärmerückgewinnungssystemen (TLR 7–9), die den Gesamtenergieverbrauch senken sollen. Der Niedertemperaturaufschluss ist zwar technisch machbar und wird derzeit in ausgewählten Aluminiumoxidraffinerien eingesetzt, hängt aber von der Qualität des im Verfahren verwendeten Bauxits ab (TRL 9).
Der Einsatz von Wirbelschichtkalzinatoren ist sowohl technisch machbar als auch gut etabliert, und zahlreiche Unternehmen der Aluminiumindustrie setzen diese Technologie (TRL 9) bereits ein. Im Vergleich zu Rotationskalzinatoren (die überwiegend in der Aluminiumoxidraffination eingesetzt werden) bieten Wirbelschichtkalzinatoren eine höhere Energieeffizienz und das Potenzial für erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen, die bis zu 30–35 Prozent betragen können. Die Umstellung von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizkesseln auf elektrische Heizkessel, insbesondere mit Wärmepumpe, gehört zu den am einfachsten einzuführenden Technologien (TRL 4–5) zur Emissionsreduzierung. Während das Konzept theoretisch einfach ist, können die damit verbundenen Kapitalkosten einschränkend wirken. Wie bei allen Elektrifizierungsinitiativen spielt die Verfügbarkeit von erschwinglicher erneuerbarer Energie eine entscheidende Rolle.
Das Erreichen der Emissionsreduktionsziele wird beispiellose Investitionsanstrengungen erfordern. Dazu gehört das Ziel, bis 2050 zusätzlich 20 Millionen Tonnen kohlenstoffarmes Primäraluminium zu produzieren, die bestehenden 65 Millionen Tonnen zu dekarbonisieren und eine emissionsarme Industrie für das Recycling von Post-Consumer-Schrott mit einer Kapazität von 60 bis 70 Millionen Tonnen aufzubauen.
Ein erheblicher Teil des historisch produzierten Aluminiums wird heute noch verwendet, nämlich 75 Prozent der mehr als 1,4 Milliarden Tonnen, die jemals produziert wurden. Dieser Bestand an Aluminium steht für Recycling und zukünftige Wiederverwendung zur Verfügung. Das Recycling von Post-Consumer-Schrott könnte eine zentrale Rolle bei den Bemühungen um Nachhaltigkeit spielen, da es das Potenzial hat, den weltweiten Bedarf an Primäraluminium um fast 20 Prozent zu senken und jährlich etwa 300 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen zu vermeiden.
In einem Business-as-usual-Szenario (BAU) wird das Recycling von Post-Consumer-Schrott bis 2050 voraussichtlich auf 60 Millionen Tonnen ansteigen. Durch eine Maximierung der Sammelanstrengungen könnte diese Zahl auf über 70 Millionen Tonnen steigen. Einige Branchen, wie die Bau- und Automobilindustrie, weisen hohe Sammelquoten von über 90 Prozent auf. Die Verfügbarkeit von Schrott wird jedoch durch die lange Lebensdauer von Produkten wie Autos begrenzt.
Aluminium für Verpackungen hat eine kürzere Lebensdauer, weist unterschiedliche Recyclingraten auf, die von Faktoren wie lokalen Märkten, Verbraucherverhalten und politischen Anreizen abhängen. Insgesamt liegen die weltweiten Sammelquoten in allen Segmenten über 70 Prozent, wobei einige Länder für bestimmte Anwendungen Sammelquoten von nahezu 100 Prozent erreichen, wie zum Beispiel für Getränkedosen in der EU und in Brasilien.
Die Recyclingindustrie hat erhebliche technologische Verbesserungen erzielt, was sich darin zeigt, dass die Produktion von recyceltem Aluminium aus Post-Consumer-Schrott seit 2009 weltweit um 70 Prozent gestiegen ist, während die Verluste beim Umschmelzen nur um 4 Prozent zugenommen haben. Dennoch gibt es noch Raum für Verbesserungen, da derzeit etwa 7 Millionen Tonnen Aluminium während des Recyclingprozesses verloren gehen. Ohne Änderung der derzeitigen Praktiken könnte diese Zahl bis 2050 auf 17 Millionen Tonnen pro Jahr ansteigen. Diese Verluste führen dazu, dass recyceltes Metall durch Primäraluminium ersetzt wird, was aufgrund der höheren Treibhausgasemissionen eine weniger nachhaltige Option darstellt.
Durch die Einführung von Sammelquoten von nahezu 100 Prozent, die Verbesserung der Schrottsortierung, die Minimierung von Pre-Consumer-Schrott und die Reduzierung von Metallverlusten könnte die weltweite Nachfrage nach Primäraluminium bis 2050 um 20 Prozent gesenkt werden. Dieser Wandel in der Aluminiumversorgung erfordert konzertierte Anstrengungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette und unterstützende politische Rahmenbedingungen, die die Kreislaufwirtschaft fördern und Anreize für Investitionen in innovatives Produktdesign und Recyclingpraktiken schaffen. Solche umfassenden Maßnahmen könnten zu einer erheblichen Reduktion der absoluten CO₂-Emissionen führen und damit einen wichtigen Beitrag zu den globalen Emissionsreduktionszielen leisten.
Das Problem liegt derzeit bei den Preisen für Aluminiumschrott, die an den Preis für Rohaluminium und die Recyclingkosten gekoppelt sind. Das Gesetz über kritische Rohstoffe legt für die EU das Ziel einer Recyclingquote von mindestens 25 Prozent fest. Zusammen mit den Umweltvorteilen der Sekundäraluminiumproduktion wird dies zu einem weiteren Anstieg der Sekundärproduktion beitragen. Von den 13,2 Millionen Tonnen, die 2019 in der EU verbraucht werden, stammen 4,7 Millionen Tonnen oder 35 Prozent aus recyceltem Aluminium (Neu- und Altschrott), zwei Millionen Tonnen oder 15 Prozent aus der Primärproduktion und 50 Prozent werden importiert.
Laut Europäischer Umweltagentur belaufen sich die geprüften Gesamtemissionen der Primäraluminiumproduktion im Jahr 2019 auf 4,79 Millionen Tonnen CO₂e, während die geprüften Gesamtemissionen der Sekundäraluminiumproduktion 1,17 Millionen Tonnen betragen. Daraus ergibt sich für Primäraluminium eine Gesamtemissionsintensität von 6,8 Tonnen CO₂e pro Tonne, während die Sekundäraluminiumproduktion mit 0,25 Tonnen CO₂e pro Tonne niedriger liegt.
Die Herausforderung der Dekarbonisierung von Aluminium erfordert einen vielschichtigen Ansatz, der technologische Innovation, politische Unterstützung, Zusammenarbeit mit der Industrie und Bewusstseinsbildung bei den Verbrauchern kombiniert. Es werden Anstrengungen unternommen, um kohlenstoffarme und kohlenstoffneutrale Prozesse zu entwickeln und zu implementieren, den Einsatz erneuerbarer Energiequellen zu erhöhen, die Erforschung neuer Materialien und Technologien voranzutreiben und Interessengruppen einzubinden, um Nachhaltigkeitsinitiativen zur Dekarbonisierung von Aluminium voranzutreiben.
