Eine umweltfreundliche Produktion von Silizium könnte in zwei bis drei Jahren möglich sein

Jun 23, 2023

DIESER ARTIKEL/diese Pressemitteilung wird von der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie NTNU finanziert und präsentiert – lesen Sie mehr

Norwegen ist Europas größter Produzent von Aluminium und Silizium. Die Metallindustrie ist eine der wichtigsten Exportindustrien des Landes, verursacht aber auch 10 Prozent der CO2-Emissionen des Landes.

Norwegen muss seine Emissionen bei den derzeitigen Produktionsmethoden dringend senken, um seine Klimaziele zu erreichen.

NTNU hat ein Patent für ein industrielles Verfahren angemeldet, das alle direkten CO2- und NOx-Emissionen beseitigt. Der Prozess wurde SisAl genannt.

Quarz ist der Rohstoff sowohl im traditionellen Schmelzverfahren als auch bei der SisAl-Methode.

Mit der heutigen Technologie entsteht CO2, wenn Quarz mit Kohlenstoff reagiert. Anstelle von Kohlenstoff nutzt das SisAl-Verfahren Aluminium als Reduktionsmittel und vermeidet so die Bildung von CO2.

„Technologisch gesehen steht unserer Herstellung von Silizium im industriellen Maßstab mit dem neuen Verfahren nichts mehr im Wege. Und es ist energiesparend“, sagt Maria Wallin, Materialforscherin an der NTNU.

„Der SisAl-Prozess ist exotherm, das heißt, die Reaktion zwischen Quarz und Aluminium setzt Energie frei. Die heutige Methode ist endotherm und es muss Energie zugeführt werden, um den Quarz zu reduzieren. „SisAl verbraucht nur ein Drittel des Energieverbrauchs pro Tonne fertigem Silizium“, sagt Wallin.

Bei der traditionellen Technologie werden 85 bis 92 Prozent des Quarzes verwendet, der in den Ofen gegeben wird. SisAl nutzt 97 bis 99 Prozent, da das Verfahren auch Quarz in Pulverform verarbeiten kann.

Wallin und Professor Gabriella Tranell koordinieren die großen EU-Projekte SisAl Pilot und SisAl Slag, die von NTNU geleitet werden. 22 Partner aus Forschung und Industrie in Europa und Südafrika haben das Verfahren auf Basis des NTNU-Patents entwickelt.

Dutzende Pilottests wurden im Pilotzentrum von Elkem in Fiskaa in Südnorwegen und in der Gießerei Fundiciones Rey in Spanien durchgeführt.

Laut Wallin bietet die SisAl-Methode noch eine Reihe weiterer Vorteile.

Neben der Beseitigung aller direkten CO2- und NOx-Emissionen und der Energieeinsparung werden für das neue Siliziumherstellungsverfahren Schlacke (Schlacke) und Schrott aus der Aluminiumindustrie verwendet.

Das SisAl-Verfahren kann Schlacke als Reduktionsmittel bei der Siliziumproduktion nutzen. Gleiches gilt für dünnen Aluminiumschrott, beispielsweise aus Lebensmittelverpackungen.

Beim SisAl-Verfahren entstehen auch Schlacken wie Kalziumoxid und Aluminiumoxid, aber das seien Stoffe, die von der Stahlindustrie nachgefragt werden, sagt Wallin.

Durch das neue Schmelzverfahren wird der Rohstoff zudem besser ausgenutzt, da feiner Quarz („Fines“) verwendet werden kann. Im traditionellen Verfahren müssen Bußgelder entfernt werden.

„Die Herausforderung, der wir derzeit die meiste Zeit widmen, besteht darin, ein zirkuläres Geschäftsmodell zu schaffen, das die Metallindustrie einbezieht. Wir sehen große Chancen für Synergien, die sowohl der Umwelt als auch der Wirtschaft zugute kommen würden“, sagt Wallin. „Wir wollen Rohstoffe besser nutzen und möglichst geringe Emissionen, weniger Energieverbrauch, maximale Wiederverwendung und möglichst wenig Abfall erreichen. Natürlich spielt auch die Höhe der Steuer, die die Behörden auf den CO2-Ausstoß erheben, eine Rolle bei der Berechnung.“

Silizium wird von Elkem und Wacker in Norwegen hergestellt. Wallin glaubt, dass die heutigen Siliziumhütten die SisAl-Technologie ohne große Investitionen als Ergänzung oder teilweisen Ersatz für die aktuelle Produktion nutzen könnten.

Im Rahmen eines EU-Projekts entsteht in Südafrika eine Pilotanlage zur SisAl-Produktion. Wallin betrachtet dies als einen Meilenstein vor dem endgültigen Bau einer Anlage im industriellen Maßstab.

Die EU hat Silizium als äußerst wichtiges Metalloid eingestuft. Silizium hat Halbleitereigenschaften und ist ein wichtiges Material in Leiterplatten, Solarzellen und der gesamten Elektronik.

Silizium ist in Legierungen mit Aluminium auch Bestandteil vieler alltäglicher Materialien, die wir verwenden. Heute entfallen zwei Drittel der weltweiten Siliziumproduktion auf China.

Die weltweite Aluminiumproduktion beträgt 60 Millionen Tonnen. Die Siliziumproduktion beträgt 12 Millionen Tonnen.

Europa produziert weniger als die Hälfte seines Bedarfs. Die EU ist bestrebt, bei Schlüsselmetallen unabhängiger zu werden, was seit der Invasion in der Ukraine zu einer wichtigen Priorität geworden ist.

Auch die Europäische Kommission geht davon aus, dass die Silizium-, Aluminium- und Ferrolegierungsindustrie aufgrund der strengeren Umweltauflagen in Europa Gefahr läuft, in Niedriglohnländer verlagert zu werden.

Aluminiumschrott wird jährlich in einer Größenordnung von 600.000 Tonnen aus Europa exportiert. Die EU will diese Exporte auslaufen lassen, um den Verlust wertvoller Rohstoffe zu vermeiden.

Dank der Wasserkraft gehört die norwegische Metallproduktion zu den saubersten der Welt. Island gehört aufgrund seiner Geothermie und Wasserkraft zur gleichen Klasse.

„Norwegen ist in der einzigartigen Lage, Silizium und Aluminium mit noch umweltfreundlicheren Methoden als heute herzustellen. Was Silizium betrifft, glaube ich, dass wir kurz vor einem technologischen Wandel stehen. Auch in der Aluminiumindustrie tut sich einiges. Gleichzeitig ist das Potenzial für eine sauberere Produktion und eine bessere Ressourcennutzung noch größer, wenn zwei wichtige Branchen zusammenarbeiten können“, sagt Wallin. „Norwegen hat außerdem den Vorteil kurzer Transportwege zwischen den Anlagen der beiden Industrien. Wir glauben, dass das SisAl-Verfahren die derzeitige Methode vollständig ersetzen kann, aber es wird wahrscheinlich einige Zeit dauern.“

Sie und Tranell sind am Department of Materials Science and Engineering der NTNU beschäftigt.

Referenz:

Philipson et al. Vorläufige technoökonomische Überlegungen zum Sisalprozess – Schließung von Materialkreisläufen durch industrielle Symbiose, Proceedings of the Silicon for the Chemical & Solar Industry XVI, ISBN 978-82-692919-0-2

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