Ein zweites Leben im Gebäude: So lässt sich Aluminiumschrott besser wiederverwerten

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Das Pacific Northwest National Laboratory PNNL hat ein Verfahren entwickelt, um Aluminiumschrott effizienter wiederzuverwerten, zum Beispiel für die Ausstattung von Gebäuden.

Durch eine neue, zum Patent angemeldete Technologie, entwickelt vom Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums, lässt sich der Kreislauf von Aluminiumschrott schließen. Das verdrehte Aluminiumgitter, die verbeulten Fahrradrahmen und die gebrauchten Autoteile, die jetzt auf dem Schrottplatz vor sich hindümpeln, könnten ein neues Leben als Gebäudestrukturen wie Tür- und Fensterrahmen, Fassaden, Beleuchtungen, dekorative Elemente und unzählige andere Verwendungszwecke erhalten. Dabei könnten sie fast die gesamte Energie einsparen, die zur Herstellung neuer Aluminiumprodukte erforderlich ist.

Abbau und Raffination von Aluminium energie-intensiv und umweltschädlich

Feste und dennoch leichte Aluminiumteile kommen immer häufiger im Bauwesen zum Einsatz. Doch Abbau und Raffination von Aluminium sind mit hohen Energiekosten und Treibhausgasemissionen verbunden. Nach Angaben des International Aluminum Institute werden bei der Produktion von einer Tonne Primäraluminium durchschnittlich 17 Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt.

Statt Aluminium aus dem Bergbau zu verarbeiten, haben strenge Labortests gezeigt, dass der Shear Assisted Processing and Extrusion Process (ShAPE) von PNNL 100 Prozent Post-Consumer-Aluminium in brauchbare Strangpressprofile umwandeln kann. Diese erfüllen oder übertreffen dann die strengen ASTM-Normen für Festigkeit und Flexibilität für die gängigen Baulegierungen 6061 und 6063. Die ShAPE-Technologie eröffnet die Möglichkeit, die Kreislaufwirtschaft auf den Märkten für Alt-Aluminium zu etablieren. Somit lässt sich die Abhängigkeit von importiertem Primäraluminium und den enormen Energiemengen, die mit seiner Herstellung verbunden sind, verringern.

"Da etwa 55 Prozent des weltweiten Aluminium-Strangpressmarktes für die Bauindustrie bestimmt sind, stellt die Weiterentwicklung von ShAPE hin zum Recycling von Aluminium für Gebäudestrukturen eine enorme Chance für die Dekarbonisierung der gebauten Umwelt dar", sagte der leitende Wissenschaftler des PNNL, Scott Whalen, der diese Forschung leitete. "Wir stellen fest, dass die einzigartigen Mikrostrukturen des Metalls toleranter gegenüber Verunreinigungen sind als bisher angenommen. Dies ermöglicht es uns, den Markt für Aluminiumschrott noch besser zu erschließen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Materials zu erhalten."

Einsatz von Aluminiumschrott für Gebäude

Die jüngste Runde der patentierten ShAPE-Technologie veranlasste den Technologieunternehmer Eric Donsky, ein Start-up-Unternehmen zu gründen. Somit überführt er ein ShAPE-basiertes Verfahren in vertikal integrierte Produktionsanlagen. Dort wird Aluminiumschrott zu einem Portfolio von kohlenstoffarmen Strangpressteilen aufbereitet, die zunächst für die Bauindustrie bestimmt sind. Atomic13 hat eine Exklusivvereinbarung mit dem PNNL unterzeichnet, um die Technologie in bestimmten Anwendungsbereichen zu vermarkten, und will rasch eine Vielzahl von kundenspezifischen stranggepressten Aluminiumteilen für die Bau- und Konsumgüterindustrie herstellen, die vollständig aus Aluminiumschrott entstehen. Man erwartet, dass die Energieeinsparungen Bauherren dabei helfen werden, die Leadership in Energy and Environmental Design-Standards (LEED) für energieeffiziente Gebäude zu erfüllen oder zu übertreffen.

"Die ShAPE-Technologie ist eine großartige Chance für die amerikanische Industrie und den Ausbau unserer kritischen Infrastruktur", sagte Eric Donsky, Gründer von Atomic13.

"Wir glauben, dass es einen enormen ökologischen und kommerziellen Wert hat, die Kreislaufwirtschaft in der Aluminium-Strangpressindustrie zu fördern und gleichzeitig der Bauindustrie zu helfen, den gebundenen Kohlenstoff in ihren Produkten deutlich zu reduzieren. Die ShAPE-Technologie ermöglicht es Unternehmen wie Atomic13, Aluminiumstrangpressprofile aus 100 Prozent Post-Consumer-Schrott mit 90 Prozent weniger Kohlenstoff zu produzieren. Gleichzeitig führen die niedrigen Rohstoffkosten zu niedrigeren Kosten für die Verbraucher. Wir freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit mit den PNNL-Ingenieuren, um diese vielversprechende Technologie voranzutreiben".

Aluminium-Strangpressprofile sind bereits eine wichtige Stütze der Bauindustrie

Das Besondere am ShAPE-Herstellungsverfahren ist, dass die Aluminiumschrottklumpen oder -stäbe mit Hilfe von Hitze verformt werden, die durch hohe Scherkräfte entsteht, um die Verunreinigungen im Aluminiumschrott in winzige Partikel zu zerkleinern und gleichmäßig im Aluminiumgefüge zu verteilen.

Durch diese Dispersion lassen sich beispielsweise mikroskopisch kleine Eisenklumpen eliminieren. Diese können in recycelten Aluminiumprodukten, die mit herkömmlichen Methoden entstanden sind, zu Mikrobrüchen führen. Das Strangpressen von ShAPE-Aluminium eröffnet große Energieeinsparungen. Denn die Verunreinigungen, die in recyceltem Aluminium enthalten sind, müssen vor der Verarbeitung nicht mehr mit 25 bis 40 Prozent neu gewonnenem Aluminium gestreckt werden.

Das PNNL-Team untersuchte die mechanischen Eigenschaften von Stäben, Rohren und unregelmäßigen hohlen Mehrkanal-Trapezen unter mechanischer Belastung. Das Team testete 540 einzigartige Produkte, die aus Post-Consumer-Schrottbriketts hergestellt wurden, einige mit hohem Eisengehalt (0,2 bis 0,34 Prozent Eisen). Alle erreichten oder übertrafen die ASTM-Normen für Streckgrenze und Zugfestigkeit.

Schaffung einer neuen Nachfrage auf dem Markt für Aluminiumschrott

Nach Angaben der International Aluminum Organization braucht es für die Herstellung von 1 Tonne geschmolzenem Aluminium 16,6 Megawattstunden Strom. Weltweit produzierte die Aluminiumindustrie im Jahr 2022 über 69 Millionen Tonnen primäres, abgebautes Aluminium. Die Hälfte davon stammte aus China. Dort werden die 16,6 Megawattstunden Strom und 17 Tonnen Kohlendioxidemissionen pro Tonne produzierten Aluminiums mit Kohlekraftwerken erzeugt.

"Das ShAPE-Herstellungsverfahren spart Energie und vermeidet Treibhausgasemissionen an mehreren Fronten", sagt Whalen. "Erstens vermeiden wir die Notwendigkeit, Primäraluminium hinzuzufügen. Dann entfällt die so genannte Homogenisierung des Knüppelmaterials, eine 6- bis 24-stündige Wärmebehandlung bei 500 °C vor dem Strangpressen.“

Darüber hinaus sinken durch den Wegfall der Notwendigkeit, neu abgebautes Aluminium hinzuzufügen, die Herstellungskosten erheblich. Das öffnet die Tür zu einem größeren Markt für Aluminiumschrott öffnet, der bisher als minderwertig galt. Diese Art von Schrott setzt sich aus einer ständig wechselnden Mischung aus Produktionsabfällen und Verbrauchsgütern wie den allgegenwärtigen Getränkedosen. Aber auch alle Arten von gebrauchten Hausverkleidungen, Fenster- und Türrahmen, Trittleitern und einer Vielzahl von gebrauchten Geräten aller Art gehören dazu.

Erste kommerzielle Produktionslinie

"Die Schaffung eines zirkulären Marktes, der einen Wertbeitrag für das geschredderte Aluminium bietet, eröffnet die Möglichkeit neuer industrieller Verwendungen in der Bauindustrie, bei Sportartikelherstellern, in der Automobilindustrie und bei der Herstellung von Rahmen für aufstrebende Industrien wie die Herstellung von Solarzellen", so Donsky.

Atomic13 befindet sich derzeit in der Planungsphase seiner ersten kommerziellen Produktionslinie mit einem führenden Unternehmen der Strangpressindustrie. Das Unternehmen prüft außerdem Standorte im Mittleren Westen und Südosten der Vereinigten Staaten. Es spricht mit Bauherren und Baufirmen, die an Nachhaltigkeit von Baumaterialien interessiert sind, und plant, bis Anfang 2025 Aufträge anzunehmen.

Technologie für Lizenzierung offen

Diese Forschung wurde vom DOE Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, Vehicle Technologies Office, Lightweight Materials Consortium (LightMAT) unterstützt. Für die preisgekrönte ShAPE-Technologie wurden sieben US-Patente erteilt, 34 Patente sind angemeldet. Die Technologie steht für die Lizenzierung in verschiedenen Anwendungsbereichen zur Verfügung.

Bild oben: Recycelter Aluminiumschrott wird durch das patentierte Herstellungsverfahren ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion) in neue Baumaterialien umgewandelt. (Foto von Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Weitere Informationen: https://www.pnnl.gov/

Video: https://www.youtube.com/watch?v=Gg7QBhvmp3c

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