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Hochtemperatur-Prozesse

Sie heizen dem Aluminium ordentlich ein – ganz ohne Erdgas

Die „grüne Gießerei“ stellt Konsumgüter aus Metall energiesparend her: Auf fossiles Gas wird verzichtet, nachhaltige Energieträger liefern die Hitze. Wie die Gießerei funktionieren kann und damit Industrieprozesse klimafreundlich werden, zeigen Forscher des AIT.

Kaum jemand denkt daran: Rahmen für Handys, Metallgehäuse, Autoteile – diese und weitere Gegenstände, die zahlreiche Menschen täglich nutzen, werden industriell in Fertigungsprozessen hergestellt, die viel Energie verbrauchen und große Mengen an umweltschädlichem CO2 in die Luft blasen. Nachhaltigkeit sieht anders aus. Und genau das will Christoph Zauner vom AIT (Austrian Institute of Technology) mit seinem Team ändern: Er will jene Hochtemperaturprozesse in der Industrie, die mit dem Sektor Energie für rund 37 Prozent der CO2-Emissionen in Österreich verantwortlich sind, energieeffizienter machen, „grüne“ Energieträger nutzen und das Klima mit weniger Schadstoffen belasten. „Technologien, die das leisten können, sind vorhanden“, sagt Zauner. „Aufgrund der Preisdynamik beim Erdgas sind sie jetzt auch wirtschaftlich konkurrenzfähig.“

Konkret geht es um Druckgussverfahren. Batteriewannen für Elektroautos werden z. B. auf diese Weise aus Aluminium erzeugt. Das Ausgangsmaterial wird dabei in einem Ofen auf rund 660 Grad erhitzt und geschmolzen. Die Flüssigkeit wird in der Druckgussmaschine in die gewünschte Form gebracht und nachbehandelt, um ihm die angestrebten Eigenschaften zu verleihen.

Für das Aufheizen des Schmelzofens wird vorwiegend Erdgas verwendet. Die AIT-Forscher machen es anders: In der Demo-Fabrik in Ranshofen (Oberösterreich) haben sie ein System erprobt, das mit weniger Energie auskommt und für die benötigte Energie erneuerbare Quellen nutzt. Damit wird das Erdgas vollständig aus dem Verfahren verbannt.

Methan aus Abfall oder Wasserstoff

Für die Energieeinsparung sorgt eine innovative Kühlung an der Druckgussmaschine, die nicht nur den Gussvorgang beschleunigt, sondern auch viel Abwärme auf hohem Temperaturniveau liefert. Diese wird zum Schmelzofen geleitet und heizt dort dem Aluminium ordentlich ein. „Auf diese Weise brauchen wir bis zu einem Drittel weniger Energie“, erläutert Zauner.

Woher jene Energie kommt, die trotzdem noch nötig ist, hänge vom Einzelfall ab. Die Forscher sehen mehrere Optionen. Eine Möglichkeit sei, den Schmelzvorgang elektrisch mit grünem Strom einzuleiten. „Das funktioniert bei manchen Öfen“, sagt der Wissenschaftler. Eine Alternative sei der Einsatz von grün erzeugtem Wasserstoff. Weil dafür jedoch einige Teile der Gussanlage adaptiert werden müssen, ändere sich der Wärmehaushalt im Ofen. Zauner: „Die Frage ist, ob sich dadurch die mechanischen und die thermischen Eigenschaften des Aluminiumprodukts verändern, ob also die Produktqualität gewährleistet werden kann.“ Diese Frage versuchen die Forscher derzeit im Projekt Enviotcast zu beantworten.

Schließlich kommen auch Biomethan oder synthetisches Methan als Energiequellen infrage. Biomethan kann z. B. aus Lebensmittelabfällen gewonnen werden, synthetisches Methan mit Wasserstoff, idealerweise unter Einsatz von grünem Strom. „Beide sind Eins-zu-eins-Alternativen für Erdgas, es sind daher an der Druckgussanlage keine Veränderungen und keine Prozessumstellungen erforderlich“, erklärt Zauner.

Er und sein Team beleuchten in dem vom Innovationsverbund Nefi (New Energy for Industry) geförderten Projekt, wie sich die Herstellung des Methans am besten in den jeweiligen Industriestandort integrieren lässt. „Ein Vorteil ist natürlich, wenn dank Fotovoltaik Sonnenstrom zur Methanherstellung direkt vor Ort genutzt werden kann oder wenn Windkraftanlagen in der Nähe sind. Aber es geht auch um Anlagendesign und um Prozessoptimierung.“ Simulationen helfen, aus allen Möglichkeiten die im Einzelfall beste auszuwählen.

„Industrieöfen sind die Hauptenergieverbraucher in der Metallverarbeitung“, weiß Zauner. „Wir zeigen nachhaltige Konzepte einer ,grünen Gießerei‘ auf − mit Lösungen, die wirtschaftlich realisierbar sind.“ Die Verwendung von Erdgas sei nicht nur aus Umweltgründen bedenklich, sondern auch in puncto Versorgungssicherheit. Ein Umstieg der Industrie von Erdgas auf nachhaltige Energiequellen sei ein wesentlicher Beitrag zum Erreichen der Klimaziele, betont der Experte.

In Zahlen

32,4 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent betrug der Schadstoffausstoß, den der Sektor Energie und Industrie im Jahr 2020 in Österreich verursachte. Das ist mehr als die beiden nächstgrößten Emittenten, Verkehr (20,7 Tonnen) und Gebäude (8 Tonnen), zusammen.

660,3 Grad Celsius beträgt die Schmelztemperatur von Aluminium. Damit liegt sie deutlich niedriger als jene von anderen Metallen (z. B. schmilzt Eisen bei 1538 Grad. Das macht Aluminium zu einem guten Gusswerkstoff. Der Schmelzvorgang ist jedoch sehr energieintensiv.