Sonne schmilzt Aluminium

Südafrika verfügt über Sonnenenergie im Übermaß, die Energieversorgung erfolgt jedoch zu über 90 Prozent aus heimischer Kohle. Das Land gehört zu den 15 größten Verursachern von Treibhausgasen der Welt, ist aber gleichzeitig stark vom Klimawandel betroffen. Es gibt dort auch große Rohstoffvorkommen. Die Metallproduktion ist mit rund 30 Prozent der größte Sektor in der produzierenden Industrie. Eine große Anzahl an aluminium­verarbeitenden Industriebetrieben treibt den Energieverbrauch und den CO₂-Ausstoß in die Höhe.

Im Projekt SOLAM (Solares Schmelzen von Aluminium in einem direkt bestrahlten Drehrohrofen) erarbeiten Wissenschaftler und Unternehmen nun ein Verfahren, mit dem Aluminium-Gießereien Sonnenenergie zum Schmelzen des Metalls einsetzen können. Damit können die Betriebe ihren Stromverbrauch und den Ausstoß von CO₂ deutlich reduzieren. In dem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordinierten Projekt arbeiten Wissenschafts­einrichtungen und Unternehmen aus Südafrika und Deutschland zusammen.

Neben dem DLR-Institut für Solarforschung wird das Unternehmen Aixprocess aus Aachen sein Know-how zur Anlagensimulation einbringen. Projektpartner aus Südafrika sind die Forschungszentren CSIR und NFTN, der größte südafrikanische Stromversorger Eskom sowie das Ministerium für Wissenschaft und Technologie DST. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Dauer von drei Jahren gefördert.

Zunächst entwickeln die Projektpartner einen „solaren Drehrohrofen" in dem sich das Aluminium schmelzen und recyceln lässt. Ein Drehrohrofen ähnelt einer langezogen Waschmaschinentrommel, die sich langsam dreht. Das darin eingefüllte Aluminium wird durch die Drehbewegung stetig durchmischt und dadurch gleichmäßig mit der Energie der Sonne erhitzt. Die dafür benötigten Temperaturen von etwa 700 Grad Celsius erreichen die Forscher durch die Konzentration der Sonnenstrahlung mit Solarspiegeln. Die im Projekt entwickelte Anlage soll 2017 auf dem Solarturm des DLR-Instituts für Solarforschung in Jülich getestet werden. Dort konzentrieren über 2000 Spiegel die Sonnenstrahlung auf einen Punkt an der Spitze des Turmes in 60 Metern Höhe.

Neben der Anlage entwickeln die Projektpartner auch ein Logistikkonzept, wie die Aluminium­­schmelze von der zentralen solaren Schmelzanlage zu den Produktionsbetrieben, die das Metall weiter verarbeiten, transportiert werden kann. Basierend auf den Erkenntnissen der Demonstrationsphase will das Konsortium auch einen Businessplan für eine kommerzielle Pilotanlage ausarbeiten. „Ziel des Projektes ist es, ein energieeffizientes und kosten­günstiges Verfahren zu entwickeln, das, je nach Bedarf, in unterschiedliche Anlagengrößen umgesetzt werden kann", fasst Projektleiterin Martina Neises-von Puttkamer zusammen.

Zunächst testen Wissenschaftler einen kleinen Drehrohrofen im Labormaßstab am DLR-Sonnenofen in Köln. In unterschiedlichen Tests schmelzen sie kleine Chargen Aluminiumschrott und untersuchen die Qualität der Aluminiumschmelze. Das auf Verfahrens- und Strömungssimulationen spezialisierte Aachener Unternehmen aixprocess wird dabei den Reaktor und den Prozess modellieren. Die Forscher nutzen die Simulationsrechnungen um den Reaktor zu optimieren und auf einen für die industrielle Verarbeitung relevanten Maßstab zu skalieren. Die intensiven numerischen Modelle sind auch die Grundlage für eine techno-ökonomische Bewertung des Schmelzprozesses.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt SOLAM im Rahmen der Fördermaßnahme „Internationale Partnerschaften für nachhaltige Klimaschutz- und Umwelttechnologien und -dienstleistungen – CLIENT" im Rahmenprogramm „Forschung für nachhaltige Entwicklung". Die hier geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekte sollen die Zusammenarbeit mit Schwellenländern stärken und nachhaltige Lösungen zur Reduktion der Umweltbelastung in den Partnerländern erarbeiten. Das Projekt läuft von April 2015 bis März 2018.

DLR / PH