Recycling von Abfällen der Aluminiumproduktion Von rotem Giftschlamm zu grünem Industriestahl

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Die Produktion von Aluminium hinterlässt jedes Jahr rund 180 Millionen Tonnen giftigen, ätzenden Rotschlamm. Ein Team am Max-Planck-Institut für Eisenforschung hat nun eine Methode vorgestellt, mit der sich dieser Industrieabfall in Rohstoff für die CO₂-arme Produktion von Stahl umwandeln lässt.

Stahl und Aluminium sind wichtige Materialien unserer Gesellschaft. Die Nachfrage nach diesen Baustoffen wird Prognosen zufolge bis 2050 um bis zu 60 Prozent steigen. Was für die Wirtschaft gut ist, stellt für die Natur ein Problem dar, denn die konventionelle Produktion dieser Metalle belastet die Umwelt erheblich. So stammen acht Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen aus der Stahlindustrie, sie ist damit die Branche mit dem größten Ausstoß an Treibhausgasen.

Bei der Aluminiumproduktion wiederum fallen jährlich etwa 180 Millionen Tonnen Rotschlamm an, der stark ätzend ist und Spuren von Schwermetallen wie Chrom enthält. Dieser Abfall wird unter anderem in Australien, Brasilien und China bestenfalls in gigantischen Deponien aufwendig getrocknet und entsorgt. Bei starkem Regen wird der Rotschlamm oft aus der Deponie gespült, und bei Trockenheit als Staub vom Wind in der Umwelt verbreitet. Zudem greift der stark alkalische Abfall die Betonwände der Deponien an, sodass auslaufender Rotschlamm bereits mehrmals Umweltkatastrophen auslöste, etwa in China 2012 oder in Ungarn 2010. Und große Mengen Rotschlamm werden ohnehin einfach in der Natur entsorgt.

Per Lichtbogen zu reinem Eisen

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung MPI-E zeigen nun, wie sich aus dem Abfall der Aluminiumproduktion auf relativ einfache Weise grüner Stahl erzeugen lässt. „Unser Prozess könnte gleichzeitig das Abfallproblem der Aluminiumproduktion lösen und die CO₂-Bilanz der Stahlindustrie verbessern“, sagt Matic Jovičevič-Klug, der als Wissenschaftler am MPI-E maßgeblich an der Arbeit beteiligt war. In einer Studie zeigt das Team, wie sich Rotschlamm als Rohstoff der Stahlindustrie nutzen lässt.

Denn der Abfall der Aluminiumproduktion besteht aus bis zu 60 Prozent Eisenoxid. 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 gerade einmal zehn Minuten, wobei sich das flüssige Eisen von den flüssigen Oxiden trennt und anschließend einfach abscheiden lässt. Das resultierende Eisen ist so rein, dass es sich direkt zu Stahl weiterverarbeiten lässt.

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Potenziell 1,5 Milliarden Tonnen weniger CO₂

Die zurückbleibenden Metalloxide sind nicht mehr ätzend und erstarren beim Abkühlen zu einem glasartigen Material, das 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 CO₂ entstehen. Mit grünem Wasserstoff als Reduktionsmittel werden diese Treibhausgasemissionen vermieden. „Wenn man aus den vier Milliarden Tonnen Rotschlamm, die bei der weltweiten Aluminiumproduktion bislang angefallen sind, mit grünem Wasserstoff Eisen erzeugen würde, könnte die Stahlindustrie fast 1,5 Milliarden Tonnen CO₂ einsparen“, sagt Isnaldi Souza Filho, Forschungsgruppenleiter am MPI-E.

Aus den vier Milliarden Tonnen Rotschlamm, die sich bislang weltweit angesammelt haben, ließen sich so knapp 700 Millionen Tonnen CO₂-freier Stahl gewinnen. Das entspricht einem guten Drittel der jährlichen Stahlproduktion weltweit.

Den neu entwickelten Recyclingprozess von Rotschlamm aus der Aluminiumproduktion erklärt MPI-Forscher Isnaldi R. Souza Filho in diesem Video des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung:

Wirtschaftlich, auch mit grünem Wasserstoff und Strom

Auch die Schwermetalle im Rotschlamm lassen sich mit dem Verfahren sozusagen entschärfen. „Chrom haben wir nach der Reduktion im Eisen nachgewiesen“, sagt MPI-Forscher Jovičevič-Klug. „Auch andere Schwer- und Edelmetalle gehen wahrscheinlich ins Eisen oder einen separaten Bereich über. Das werden wir in weiteren Studien untersuchen. Wertvolle Metalle könnte man dann abtrennen und weiterverwenden.“ Und Schwermetalle, die in den Metalloxiden zurückbleiben, seien darin fest gebunden und könnten nicht mehr mit Wasser ausgeschwemmt werden, wie dies beim Rotschlamm passieren kann.

Eisen mit Wasserstoff direkt aus Rotschlamm zu erzeugen, nützt aber nicht nur der Umwelt doppelt. Der Prozess lohnt sich auch ökonomisch, 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. Berücksichtigt man noch die Kosten für die Entsorgung von des Rotschlamms, reichen darin sogar 35 Prozent Eisenoxid, um den Prozess wirtschaftlich zu betreiben. Mit grünem Wasserstoff und Strom ist bei den heutigen Kosten – den Aufwand für die Deponierung des Rotschlamms eingerechnet – 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 Gruppenleiter Filho.

Ein weiter Vorteil für die Praxis: Lichtbogenöfen sind in der Metallindustrie – auch in Aluminiumhütten – weitverbreitet, da sie zum Einschmelzen von Altmetall genutzt werden. In vielen Fällen müsste die Branche also nur wenig investieren, um nachhaltiger zu werden. „Uns war es wichtig, in unserer Studie auch die ökonomischen Aspekte zu berücksichtigen“, sagt Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. „Jetzt kommt es auf die Industrie an, ob sie die Plasmareduktion von Rotschlamm zu Eisen auch einsetzt.“

Originalpublikation: Jovičević-Klug, M., Souza Filho, I.R., Springer, H. et al. Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction, Nature 625, 703–709 (2024); DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z

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