Rotschlamm als Rohstoffquelle für grünen Stahl
Bei der Aluminiumproduktion anfallender giftiger Rotschlamm wird oft in Auffangbecken gelagert. Was eine Gefahr für die Umwelt darstellt, könnte als Rohstoffquelle für die klimaneutrale Stahlherstellung dienen. Das Max-Planck-Institut für Eisenforschung stellte ein Verfahren vor, das zukunftsweisend sein könnte.
Quelle: Wikimedia Commons - Timo Mueller – eigenes Werk
In grossen Deponien wie hier beim Bützflethermoor wird ätzender und giftiger Rotschlamm entsorgt. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung hat einen wirtschaftlichen Prozess entwickelt, um daraus klimaneutral reines Eisen für die Stahlindustrie zu gewinnen.
Für die Statik von Konstruktionen ist Baustahl ein unverzichtbarer Werkstoff. Doch verursacht die Metallherstellung heute rund ein Drittel aller industriellen Treibhausgas-Emissionen. Auf acht Prozent werden die weltweiten Emissionen von Kohlendioxid aus der Stahlindustrie geschätzt. Sie ist damit die Branche mit dem grössten Ausstoss des Klimagases. Aluminium wiederum wird in vielen Anwendungsbereichen verwendet. Doch die Produktion des Metalls ist mit einem hohen Abfallvolumen verbunden. Die konventionelle Produktion von Stahl und Aluminium belastet die Umwelt erheblich.
Gefahrenquelle Rückhaltebecken
Die Bauxitrückstände werden in der Regel in Rückhaltebecken gelagert. Der giftige Rotschlamm belastet den Boden und stellt für das Grundwasser eine permanente Gefahr dar. Denn der Rotschlamm, der auch Schwermetalle wie Chrom enthält, ist stark ätzend. Der alkalische Rotschlamm greift die Betonwände der Deponien an. Bei starkem Regen besteht das Risiko, dass die giftige Brühe aus den Becken gespült wird. Auslaufender Rotschlamm führte bereits mehrmals zu Umweltkatastrophen wie in China 2012 oder in Ungarn 2010. Hinzu kommt, dass grosse Mengen an Bauxitrückständen ohne bauliche Massnahmen für die Lagerung in der Natur entsorgt werden. In Trockenperioden verbreitet Wind den belasteten Staub in die Umwelt.
In zweifacher Hinsicht nachhaltig
Jährlich fallen weltweit rund 180 Millionen Tonnen an giftigen Rückständen an. Dieser Abfall wird unter anderem in Australien, Brasilien und China in gigantischen Deponien gelagert. Im Idealfall wird der Rotschlamm mit aufwendigen Verfahren getrocknet und dann entsorgt. Dabei sind die Abfälle in den Rückhaltebecken eigentliche Rohstofflager. Ein Verfahren könnte nun eine Lösung bieten, um Stahl ohne das Klimagas produzieren zu können und gleichzeitig den Rotschlamm als Rohstoffquelle zu nutzen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf haben an einem Verfahren geforscht, das von der Rohstoffgewinnung bis zur Herstellung im doppelten Sinn nachhaltig ist. «Unser Prozess könnte gleichzeitig das Abfallproblem der Aluminiumproduktion lösen und die Kohlendioxid-Bilanz der Stahlindustrie verbessern», sagt Matic Jovičevič-Klug, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung massgeblich an der Arbeit beteiligt war.
Auch mit grünem Wasserstoff und Strom wirtschaftlich
Mit dem Verfahren lässt sich aus dem Abfall der Aluminiumproduktion auf einfache Weise grüner Stahl erzeugen. Dabei gestalten die Forscherinnen und Forscher die Produktionsprozesse nicht von Grund auf neu. Vielmehr greifen sie auf Verfahren zurück, die in der Stahlindustrie seit Jahrzehnten bekannt sind, wie das Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf in einer Mitteilung schreibt. Ein Lichtbogenofen wandelt dabei das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mithilfe von Wasserstoffplasma in Eisen um.
Quelle: Wikimedia Commons – Arnoldius – Eigenes Werk
Das vom Max-Plack-Institut für Eisenforschung vorgestellte Verfahren lässt sich mit einem Elektrolichtbogenofen umsetzten, welche die Stahlindustrie seit Jahrzehnten nutzt. Daher wäre der Investitionsbedarf nicht allzu hoch.
Die Max-Planck-Wissenschaftler schmelzen den Rotschlamm in einem Lichtbogenofen und reduzieren das darin enthaltene Eisenoxid gleichzeitig mit einem Plasma, das zehn Prozent Wasserstoff enthält, zu Eisen. Die Umwandlung, im Fachjargon Plasmareduktion genannt, dauert rund zehn Minuten, wobei sich das flüssige Eisen von den flüssigen Oxiden trennt und sich anschliessend über einen Prozessschritt mit wenig Aufwand abscheiden lässt. Das Eisen ist so rein, dass es sich direkt zu Stahl weiterverarbeiten lässt. Die Studie, welche die Details des Verfahrens beschreibt, ist im Fachmagazin «Nature» erschienen.
Entschärfte Gefahr durch Schwermetalle
Die Schwermetalle im Rotschlamm lassen sich zudem mit dem Verfahren quasi entschärfen. Chrom beispielsweise sei nach der Reduktion im Eisen nachgewiesen worden, sagt Matic Jovičevič-Klug. Auch andere Schwer- und Edelmetalle seien wahrscheinlich im Eisen oder einem separaten Bereich gebunden. Schwermetalle, die in den Metalloxiden zurückbleiben, könnten nicht mehr mit Wasser ausgeschwemmt werden, wie dies beim Rotschlamm der Fall sei. Wertvolle Metalle könnten dann abgetrennt und weiterverwendet werden.
Die zurückbleibenden Metalloxide sind nicht mehr ätzend und erstarren beim Abkühlen zu einem glasartigen Material, dass sich etwa in der Bauindustrie als Füllmaterial einsetzen lässt. Andere Forschungsgruppen haben aus Rotschlamm in einem ähnlichen Ansatz mit Koks Eisen erzeugt, wobei stark verunreinigtes Eisen und grosse Mengen an Kohlendioxid entstehen. Mit grünem Wasserstoff als Reduktionsmittel werden diese Treibhausgasemissionen vermieden. Das Team des Max-Planck-Instituts will nun mit weiteren Studien die chemischen Aspekte im Detail untersuchen.
Geringer Investitionsbedarf für konkurrenzfähige Produkte
Eisen mit Wasserstoff direkt aus Rotschlamm zu erzeugen, nützt aber nicht nur der Umwelt doppelt. Der Prozess rechnet sich auch, wie das Forschungsteam in einer Analyse der Kosten nachgewiesen hat. Mit Wasserstoff und einem Strommix für den Lichtbogenofen aus nur teilweise regenerativen Quellen lohnt sich das Verfahren bereits, wenn der Rotschlamm 50 Prozent Eisenoxid enthält. In Deponien kann laut der Mitteilung der Anteil an Eisenoxid bei bis zu 60 Prozent liegen. Berücksichtigt man noch die Kosten für die Entsorgung des Rotschlamms, reichen darin sogar nur 35 Prozent Eisenoxid, um den Prozess wirtschaftlich zu machen. Mit grünem Wasserstoff und Strom aus erneuerbaren Energiequellen ist bei den heutigen Kosten inklusive der Deponierung des Rotschlamms ein Anteil von 30 bis 40 Prozent Eisenoxid nötig, damit das entstehende Eisen am Markt konkurrenzfähig ist.
«Das sind vorsichtige Abschätzungen, weil die Kosten für die Entsorgung des Rotschlamms wahrscheinlich eher niedrig berechnet sind», sagt Isnaldi Souza Filho, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Zudem sind Lichtbogenöfen bei Stahl- und Aluminiumhütten weitverbreitet, da sie damit Altmetall einschmelzen. In vielen Fällen müsste die Branche also nur wenig investieren, um nachhaltiger zu werden. «Uns war es wichtig, in der Studie auch die ökonomischen Aspekte zu berücksichtigen», sagt Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Nun komme es auf die Industrie an, ob sie die Plasmareduktion von Rotschlamm zu Eisen auch einsetze.
1,5 Milliarden Tonnen weniger CO2 aus der Stahlindustrie möglich
Rotschlamm entsteht bei der Gewinnung von Tonerde aus aluminiumhaltigen Erzen wie Bauxit. Die charakteristische rote Farbe stammt von festen Partikeln aus Eisenverbindungen. Laut Schätzungen fällt pro Tonne Aluminiumoxid eine bis anderthalb Tonnen Rotschlamm an. Aus den vier Milliarden Tonnen Rotschlamm, die sich bislang weltweit angesammelt haben, liessen sich ohne Emissionen von Kohlendioxid rund 700 Millionen Tonnen Stahl gewinnen. Das entspricht zirka einem Drittel der jährlich weltweit produzierten Menge an Stahl. Dabei könnte die Stahlindustrie laut Isnaldi Souza Filho fast 1,5 Milliarden Tonnen Kohlendioxid vermeiden. Neue Möglichkeiten auszuschöpfen ist umso dringlicher, als die Nachfrage nach Stahl und Aluminium laut Prognosen bis im Jahr 2050 um rund 60 Prozent ansteigen wird. (mgt/sts)
