Das Team beschreibt, wie man „grünen“ Stahl aus giftigem Rotschlamm herstellen kann

Bei der Produktion von Aluminium fallen jedes Jahr rund 180 Millionen Tonnen giftiger Rotschlamm an. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung haben nun gezeigt, wie sich aus Aluminium-Produktionsabfällen auf relativ einfache Weise grüner Stahl herstellen lässt. In einem Elektrolichtbogenofen, wie er seit Jahrzehnten in der Stahlindustrie eingesetzt wird, wandeln sie das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid mithilfe von Wasserstoffplasma in Eisen um.

Mit diesem Verfahren könnten aus den bisher weltweit anfallenden 4 Milliarden Tonnen Rotschlamm fast 700 Millionen Tonnen CO2-freier Stahl hergestellt werden – das entspricht gut einem Drittel der jährlichen Stahlproduktion weltweit. Wie das Max-Planck-Team zeigt, wäre das Verfahren auch wirtschaftlich sinnvoll.

Prognosen zufolge wird die Nachfrage nach Stahl und Aluminium bis 2050 um bis zu 60 % steigen. Doch die konventionelle Produktion dieser Metalle hat erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Acht Prozent der weltweiten CO2-Emissionen stammen aus der Stahlindustrie und sind damit der Sektor mit den höchsten Treibhausgasemissionen. Mittlerweile produziert die Aluminiumindustrie jedes Jahr rund 180 Millionen Tonnen Rotschlamm, der stark alkalisch ist und Spuren von Schwermetallen wie Chrom enthält.

Unter anderem in Australien, Brasilien und China werden diese Abfälle bestenfalls getrocknet und auf riesigen Mülldeponien entsorgt, was zu hohen Verarbeitungskosten führt. Bei starkem Regen wird der Rotschlamm oft aus der Mülldeponie ausgewaschen und beim Trocknen kann der Wind ihn als Staub in die Umwelt blasen.

Darüber hinaus korrodiert der stark alkalische Rotschlamm die Betonwände der Deponien, was zu Rotschlamm-Austritten führt, die bereits mehrfach Umweltkatastrophen ausgelöst haben, beispielsweise in China im Jahr 2012 und in Ungarn im Jahr 2010. Zudem fallen große Mengen Rotschlamm an Auch Schlamm wird einfach in der Natur entsorgt.

Einsparpotenzial von 1,5 Milliarden Tonnen CO2 in der Stahlindustrie

„Unser Verfahren könnte gleichzeitig das Abfallproblem der Aluminiumproduktion lösen und den CO2-Fußabdruck der Stahlindustrie verbessern“, sagt Matic Jovičevič-Klug, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung maßgeblich an der Arbeit beteiligt war. In einer Studie veröffentlicht im Tagebuch Naturzeigt das Team, wie Rotschlamm als Rohstoff in der Stahlindustrie genutzt werden kann. Denn die Abfälle aus der Aluminiumproduktion bestehen bis zu 60 % aus Eisenoxid.

Die Max-Planck-Wissenschaftler schmelzen den Rotschlamm in einem Lichtbogenofen und reduzieren gleichzeitig das enthaltene Eisenoxid mithilfe eines Plasmas, das 10 % Wasserstoff enthält, zu Eisen. Die im Fachjargon Plasmareduktion genannte Umwandlung dauert nur zehn Minuten. Dabei trennt sich das flüssige Eisen von den flüssigen Oxiden und lässt sich anschließend leicht extrahieren. Das Eisen ist so rein, dass es direkt zu Stahl verarbeitet werden kann.

Die verbleibenden Metalloxide sind nicht mehr korrosiv und verfestigen sich beim Abkühlen zu einem glasartigen Material, das beispielsweise als Füllmaterial in der Bauindustrie verwendet werden kann. Andere Forschungsgruppen haben mit einem ähnlichen Ansatz mit Koks Eisen aus Rotschlamm hergestellt, dabei entstehen jedoch stark verunreinigtes Eisen und große Mengen CO2. Der Einsatz von grünem Wasserstoff als Reduktionsmittel vermeidet diese Treibhausgasemissionen.

„Würde grüner Wasserstoff genutzt, um aus den bisher 4 Milliarden Tonnen Rotschlamm, die bei der weltweiten Aluminiumproduktion entstanden sind, Eisen herzustellen, könnte die Stahlindustrie fast 1,5 Milliarden Tonnen CO2 einsparen“, sagt Isnaldi Souza Filho, Forschungsgruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Ein wirtschaftlicher Prozess, auch mit grünem Wasserstoff und Strom

Auch die Schwermetalle im Rotschlamm können mit dem Verfahren nahezu neutralisiert werden. „Nach der Reduktion haben wir Chrom im Eisen nachgewiesen“, sagt Jovičevič-Klug. „Auch andere Schwer- und Edelmetalle dürften in das Eisen oder in einen separaten Bereich gelangen. Das werden wir in weiteren Studien untersuchen. Wertvolle Metalle könnten dann abgetrennt und wiederverwendet werden.“

Zudem werden Schwermetalle, die in den Metalloxiden verbleiben, darin fest gebunden und können nicht mehr mit Wasser ausgewaschen werden, wie es beim Rotschlamm der Fall ist.

Doch die direkte Herstellung von Eisen aus Rotschlamm mithilfe von Wasserstoff schont nicht nur die Umwelt doppelt; Auch wirtschaftlich rechnet es sich, wie das Forscherteam in einer Kostenanalyse nachgewiesen hat. Mit Wasserstoff und einem Strommix für den Elektrolichtbogenofen aus nur teilweise erneuerbaren Quellen lohnt sich das Verfahren, wenn der Rotschlamm 50 % Eisenoxid oder mehr enthält.

Berücksichtigt man zusätzlich die Kosten für die Entsorgung des Rotschlamms, reichen bereits 35 % Eisenoxid aus, um das Verfahren wirtschaftlich zu machen. Bei grünem Wasserstoff und Strom ist bei heutigen Kosten – auch unter Berücksichtigung der Kosten für die Deponierung des Rotschlamms – ein Anteil von 30 bis 40 % Eisenoxid erforderlich, damit das resultierende Eisen am Markt konkurrenzfähig ist.

„Das sind konservative Schätzungen, weil die Kosten für die Entsorgung des Rotschlamms vermutlich eher gering kalkuliert sind“, sagt Isnaldi Souza Filho. Und aus praktischer Sicht gibt es noch einen weiteren Vorteil: Elektrolichtbogenöfen sind in der Metallindustrie – auch in Aluminiumhütten – weit verbreitet, da sie zum Einschmelzen von Altmetall eingesetzt werden. In vielen Fällen müsste die Branche daher nur wenig investieren, um nachhaltiger zu werden.

„Uns war es wichtig, in unserer Studie auch wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen“, sagt Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Eisenforschung. „Jetzt liegt es an der Industrie zu entscheiden, ob sie die Plasmareduktion von Rotschlamm zu Eisen nutzt.“