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09.12.2019

Metallische Werkstoffe klimafreundlicher machen

Sechs Prozent der weltweiten CO2 -Emissionen gehen derzeit auf das Konto der Stahl- und Aluminiumindustrie – das sind jährlich 4,4 Milliarden Tonnen. Wie sich der immense CO2 -Fußabdruck bei der Metallherstellung und -verwendung reduzieren lässt, skizzieren Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf, und Wissenschaftler des MIT in Cambridge (Massachusetts) in einem Übersichtsartikel für das Fachmagazin Nature. Sie schlagen dabei zum einen Maßnahmen vor, die sich rasch und mit vergleichsweise wenig Aufwand verwirklichen lassen, formulieren aber zum anderen langfristige Ziele, die nur mithilfe umfassender Grundlagenforschung zu erreichen sind.

Die Spuren des Recyclings: Aus der Legierung, die in dieser Atomsondentomografie dargestellt ist, werden Getränkedosen hergestellt. Sie darf neben Aluminium und Mangan auch kleinere Mengen von Eisen, Kupfer, Silizium und Zink enthalten. Nachdem das Material zu 90 Prozent sortenrein recycelt wurde, finden sich darin auch Spuren anderer Elemente, unter anderem von Vanadium und Chrom. Da diese Legierung ohnehin recht viele unterschiedliche Elemente enthält, untersuchen die Düsseldorfer Max-Planck-Forscher an ihr, ob sie auch weitere Elemente als Verunreinigungen verträgt und ob sie in wiederverwerteter Form auch für Dachplatten und andere Einsätze im Bau eingesetzt werden kann. Bei der Atomsondentomografie werden Atome einer Probe einzeln abgetragen und analysiert. So ergibt sich das Bild, in dem die Atome des Hauptbestandteils Aluminium in als kleine graue Punkte erscheinen, alle anderen Elemente als größere bunte Punkte. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Ohne Metalle geht in modernen Gesellschaften so gut wie nichts. Alleine 1,7 Milliarden Tonnen Stahl und 94 Millionen Tonnen Aluminium werden pro Jahr produziert; buchstäblich stützen sie die Industrieproduktion, Gebäude und den Verkehr, aber auch die Energieversorgung, die Telekommunikation und die Medizin. Und bis 2050 könnte sich die Menge metallischer Werkstoffe, die jährlich hergestellt und verbaut wird, noch einmal verdoppeln und bei einigen Materialien sogar verdreifachen.

Doch Metalle aus den Erzen zu gewinnen, in denen sie abgebaut werden, ist extrem energieintensiv, verbunden mit einem hohem CO2 -Ausstoß, der entscheidend zum Klimawandel beiträgt. So blasen Stahl- und Aluminiumhersteller 30 Prozent der Treibhausgase in die Luft, die Industrieunternehmen weltweit freisetzen. „Wir müssen diese industriellen CO2 -Emissionen reduzieren“, sagt Dierk Raabe. „Und die Metallindustrie kann dazu einen erheblichen Beitrag leisten.“ Nicht zuletzt weil zumindest die Industrienationen ab 2050 weitgehend klimaneutral, also mit ausgeglichener CO2 -Bilanz wirtschaften wollen.

Wachsender Bedarf an metallischen Werkstoffen und sinkendes CO2 -Budget: Um diese Szenarien miteinander in Einklang zu bringen, analysiert Dierk Raabe gemeinsam mit C. Cem Tasan und Elsa A. Olivetti, die beide am MIT forschen, wie sich der CO2 -Ausstoß der Metallindustrie senken lässt. „Das ist eine Aufgabe sowohl für die Industrie als auch für die Forschung“, sagt der Max-Planck-Wissenschaftler. „Denn zum einen hat die Metallindustrie bereits Möglichkeiten, wirkungsvoll und auch relativ kurzfristig CO2 einzusparen. Zum anderen gibt es bei der Entwicklung nachhaltiger Legierungen noch viele weiße Gebiete für die Grundlagenforschung.“ So beleuchten die Wissenschaftler fünf Felder, auf denen Industrieunternehmen und Forscher aktiv werden können – und müssen.

Mehr Nachhaltigkeit in Produktion und Verarbeitung

Um den CO2 -Aussstoß bei der Produktion zu senken, muss die Industrie den Anteil an Schrott, den sie wiederverwertet, erhöhen. Denn ein Metall einzuschmelzen, verbraucht deutlich weniger Energie, als es durch Reduktion aus seinem Erz zu gewinnen. „Das gilt vor allem für Abfälle, die in der Metallindustrie selbst anfallen, weil es sich hier um große Mengen handelt und weil sie sich relativ sortenrein trennen lassen“, sagt Dierk Raabe.

Bei der Produktion von Metallen und ihren Legierungen müssen zudem zunehmend CO2 -neutrale Verfahren zum Einsatz kommen. So lassen sich die jeweiligen Erze mit regenerativ erzeugtem Strom elektrolytisch direkt zu den entsprechenden Metallen reduzieren. Metalle können aber auch ganz oder teilweise mit Hilfe von regenerativ erzeugtem Wasserstoff gewonnen werden.


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Unternehmensinformation

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Max-Planck-Str. 1
DE 40237 Düsseldorf
Tel.: 0211-6792-542

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