Aluminium versus Aluminiumoxid-Keramik 1

Keramik kann etablierte technische Lösungen aus Aluminium ersetzen. Doch wie sieht es mit der CO2-Belastung im Herstellungsprozess aus? Der vorliegende Beitrag bietet eine Abschätzung der CO2-Äquivalente zwischen Aluminiumoxid-Keramik und Aluminium und zeigt zudem die Vor- und Nachteile beider Werkstoffe auf.
Autor: Dr. Meinhard Kuntz, CeramTec

Bauxit bildet sich bei der Verwitterung verschiedener tonerdereicher Gesteine primär in wechselfeuchten tropischen BauxitGebieten. Das Gemenge an Aluminiumhydroxidmaterialien ist meist rot gefärbt, abhängig vom Gehalt an Eisenhydroxid. Der Rohstoff wird im Tagebau gewonnen und ist Basis der Aluminium- wie der Keramikproduktion.
Beim gängigen Bayer-Verfahren, schon 1888 von Karl Josef Bayer erfunden, wird Bauxit mit Natronlauge vermengt, fein gemahlen und mit Dampf erhitzt. Das Aluminiumhydroxid geht so in Lösung, die Verunreinigungen fallen aus und werden durch Filtern von der Lauge getrennt (Rotschlamm). Bei der anschließenden Abkühlung fällt dann schließlich das gereinigte Aluminiumhydroxid aus.

Die Aufreinigung des Hydroxids benötigt rund 0,5 kWh Strom je kg Aluminiumoxid, das nun durch Kalzination entsteht. Dafür wird das Aluminiumhydroxid auf 1200 °C erhitzt, das Wasser tritt aus, das Hydroxid wird in Oxid übergeführt und es entsteht Al2O3. Die Kalzinationsöfen werden mit Erdgas betrieben, und zwar ungefähr 0,5m³ pro kg Al2O3. Bis zu diesem Punkt ist die Herstellung von metallischem Aluminium und Aluminiumoxid-Keramik identisch. Aus 1000 g Al2O3 werden, anhand der Stöchiometrie, 530 g Aluminium gewonnen. Für die CO2-Bilanz bedeutet dies, dass der Energieverbrauch aus dem Bayer-Prozess für 1 kg Aluminium ungefähr doppelt so hoch ist wie für 1 kg Aluminiumoxid.

Nach der Kalzination trennen sich die Wege. Der mit Abstand größte Energiebedarf besteht bei der Schmelzflusselektrolyse, wobei aus dem Aluminiumoxid das metallische Aluminium gewonnen wird. Dabei wird das Aluminiumoxid mit Kryolith (Na3AlF6) vermengt, bei einer Temperatur von etwa 950 °C erschmolzen und in der Elektrolysezelle an der Kathode abgeschieden. Die Anode besteht aus Kohlenstoffblöcken, die während der Reaktion zu CO2 zersetzt wird. Pro Kilogramm Aluminium werden bei diesem Prozess 15 kWh elektrische Energie verbraucht und 1,2 kg CO2 direkt freigesetzt. Für die Umweltbilanz ist außerdem die Bildung von giftigen Gasen wie Kohlenmonoxid und Fluorwasserstoffen nicht zu vernachlässigen. Die Formgebung des Aluminiums erfolgt durch Gießen, wobei das Aufschmelzen des Metalls bei Temperaturen um 700 °C vergleichsweise wenig Energie verbraucht.

Das Keramikpulver wird nach der Kalzination zunächst gemahlen, getrocknet und je nach Formgebungsverfahren mit zwei bis zwölf Prozent organischem Binder versetzt. Die Formgebung für den Pulverkörper erfolgt bei Massenanwendungen mit komplexer Geometrie bevorzugt durch Spritzguss. Trockenpressen ist interessant für Großserienfertigung weniger komplexer Bauteile. Zur energetischen Bewertung der Formgebung wurde zusammen mit Mahlen und Trocknen ein Stromverbrauch von 0,4 kWh / kg angenommen. Bei der Herstellung von Keramikbauteilen erfordert die Sinterung mit 1 m3 / kg Erdgas den größten Energiebeitrag. Außerdem werden bei der Sinterung pro Kilogramm Keramik rund 0,4 kg CO2 durch die Verbrennung des organischen Binders freigesetzt.

Soweit zu Prozessbetrachtungen und Energieabschätzungen bei der Produktion von Aluminium- und Aluminiumoxid-Bauteilen. Einen Überblick schafft die Zusammenfassung aller CO2-relevanten Prozeßschritte in tabellarischer Form. Für die Berechnung der CO2-Äquivalente verschiedener Energieträger wurden die Angaben des Bayrischen Landesamtes für Umwelt, Infozentrum UmweltWirtschaft verwendet. Demnach verursacht die Herstellung von einem Kilogramm metallischen Aluminium ungefähr 13,5 kg CO2 versus 4,8 kg für ein Kilogramm keramisches Aluminiumoxid. Bezogen auf das Gewicht des Endprodukts fällt bei Aluminium somit knapp die dreifache Menge an CO2 an.


Die Dichte von Aluminium beträgt 2,7 g / cm³, die von Al2O3 3,9 g /cm³ (Faktor 1,44). Auch unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts überzeugt Keramik. Ersetzt durch das gleiche Volumen (Al2O3: 4,8 kg CO2 × 1,44= 6,9 kg CO2) ist die CO2-Bilanz für Aluminiumoxid wesentlich günstiger als für Aluminium. Als grobe Abschätzung spart eine Substitution von Aluminium durch Aluminiumoxid bei einem gleich großen Bauteil etwa Faktor 2 an CO2-Belastung in der Atmosphäre.

Bei jeder CO2-Betrachtung stellt sich die Frage, an welchem Punkt ein Vergleich sinnvollerweise endet. Genau hier, am Endprodukt Kühlkörper? Einen Schritt weiter, nach seiner Bestückung mit elektronischen Komponenten? Noch später, im Einsatz beispielsweise als LED-Lampe, welche mit Keramik durch effizientere Entwärmung über ihre Lebensdauer von 15.000 oder auch 40.000 Stunden energiesparender arbeitet?

Zu breit sind hier die Unwägbarkeiten, als dass eine eingängige Vereinfachung sinnvoll erscheint. Interessant und abschätzbar erscheint da schon eher das Finale, das Thema Entsorgung oder Recycling. Metallisches Aluminium kann zu einem Teil durch Recycling wieder verwendet werden, wohingegen ein gesintertes Keramikbauteil nicht wieder erneut zur Keramikproduktion verwendet werden kann.

Auf der anderen Seite ist die Keramik chemisch absolut stabil und für die Umwelt völlig neutral. Die Entsorgung ist unkritisch, ausgediente Keramikbauteile werden zum Beispiel auch als Füllmaterial im Straßenbau verwendet. Demgegenüber können aus metallischem Aluminium unter ungünstigen Bedingungen Metall-Ionen ins Grundwasser freigesetzt werden. Auch unter Berücksichtigung der giftigen Begleitprodukte bei der Schmelzflusselektrolyse spricht unter Umweltschutzaspekten vieles für eine Verwendung moderner Hochleistungskeramik.

www.ceramtec.com