Die St. Petersburger Bergbauuniversität der Kaiserin Katharina II. setzt eine Reihe von Laborexperimenten fort, die darauf abzielen, eine grundlegend neue Technologie zur Herstellung von Aluminium zu entwickeln. Jetzt wird es durch Elektrolyse von Aluminiumoxidlösung in geschmolzenem Kryolith hergestellt, und dieser Prozess findet in Apparaten mit horizontal angeordneter Anode und Kathode statt.
Eine solche Anordnung der Elektroden ermöglicht eine stabile Stromverteilung über ihre gesamte Oberfläche, was eine grundlegende Voraussetzung für den Metallherstellungsprozess ist. Die nach diesem Prinzip konzipierten Anlagen haben jedoch eine Reihe von erheblichen Nachteilen. Der wichtigste von ihnen ist der hohe Stromverbrauch. Dieser Umstand hat zur Folge, dass die Aluminiumindustriein hohem Maßevon den Strompreisen abhängig ist. Steigen diese zu schnell, steigen die Produktionskosten stark an und die Hütten arbeiten mit Verlust, wie es im letzten Jahr in vielen europäischen Ländern geschah, wo massenhaft Konkurse oder vorübergehende Schließungen von Aluminiumhütten zu verzeichnen waren.
Wie man diesen gordischen Knoten durchschlagen kann, wissen die Wissenschaftler schon lange. Man sollte einfach vertikal angeordnete Elektroden verwenden. Dies wird nicht nur den Energieverbrauch senken, sondern auch die spezifische Produktivität deutlich erhöhen. Denn durch die Verkleinerung der Elektrolyseure ist es möglich, ihre Anzahl zu erhöhen und 5-6 Mal mehr Metall auf denselben Flächen zu gewinnen. Das heißt, statt 50-55 Kilogramm pro Meter Fläche pro Tag können etwa 320 Kilogramm produziert werden. Dies ist jedoch nur eine theoretische Möglichkeit, die in der Praxis noch nicht umgesetzt werden kann - der Verlust der Stabilität der Stromverteilung auf der Kathodenoberfläche verhindert dies.
"Die Universitätsleitung hat uns die Aufgabe gestellt, eine Technologie zu entwickeln, die die Makro- und Mikroverteilung der Stromdichte in Aluminiumelektrolyseuren über die gesamte Fläche der vertikal angeordneten Elektroden ausgleicht. Um dies zu erreichen, mussten wir zunächst einen grundlegend neuen Verbundwerkstoff schaffen und ihm eine Form geben, die es uns ermöglicht, eine ungleichmäßige Verteilung der elektrischen Ladung auszuschließen", so Evgeny Gorlanov, stellvertretender Direktor des Wissenschaftlichen Zentrums für Probleme der Verarbeitung von mineralischen und technogenen Ressourcen an der Bergbauuniversität St. Petersburg.
Auf dem Weg zu diesem Ziel, das jahrzehntelang unerreichbar schien, konnten die Wissenschaftler bereits bedeutende Erfolge erzielen. So haben sie beispielsweise eine Verbundelektrode auf der Basis von Titan und Titanverbindungen entwickelt, die sich am besten für die neue Generation von Elektrolyseuren eignet, und im Laufe der Experimente herausgefunden, dass ihre beste Form ein Oval ist. Dadurch werden alle Stromkonzentratoren, die eine gleichmäßige Verteilung des Stroms auf der Kathode erschweren, wie scharfe Kanten, Ecken oder Vorsprünge, vermieden. Darüber hinaus wurde eine innovative Methode entwickelt, um die Oberfläche des Produkts zu glätten, indem eine spezielle Beschichtung gebildet wird, die das Auftreten von Unebenheiten verhindert.
Die Technologie wurde bereits in Labortests erprobt. Sie bestätigten die Effizienz der elliptischen Verbundelektroden und zeigten auch, dass die Auflösungsrate der Anode bei ihrer Verwendung im Vergleich zu rechteckigen Analoga um das Dreifache sinkt. Das bedeutet unter anderem, dass ihre Anwendung erhebliche Einsparungen an Verbrauchsmaterial ermöglicht.
Die nächste Stufe der Experimente wird die Elektrolyse mit vertikal angeordneten Elektroden in einer relativ kleinen Anlage mit einer Stromstärke von 100 Ampere sein. Bei Erfolg wird das Projekt auf halbindustrielle Versuche ausgeweitet. Diese Versuche werden die endgültige Antwort auf die Frage geben, ob die Menschheit in absehbarer Zeit tatsächlich in der Lage sein wird, eine wesentlich kostengünstigere Technologie der Metallerzeugung zu schaffen und die Produktionskosten um ein Vielfaches zu senken.
"Die von uns durchgeführten Laborstudien erlauben es uns wirklich, damit zu rechnen. Insbesondere erwarten wir, dass der Energieverbrauch der Produktion bei vertikaler Elektrodenanordnung in Elektrolyseuren von derzeit 13,5 KWh pro Kilogramm Aluminium auf 11,5 gesenkt werden kann, d.h. er wird um etwa 15% reduziert. Darüber hinaus werden die spezifischen Kapitalkosten für den Bau um den Faktor 5-6 gesenkt. Nicht weniger wichtig ist die starke Verringerung der Kohlendioxidemissionen, die um bis zu 90 % sinken können", betonte Evgeny Gorlanov.
Er wies darauf hin, dass die Reduzierung der CO2-Emissionen durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen bei der Herstellung von Kathoden erreicht wird. Bei Verwendung so genannter inerter, d.h. verbrauchsarmer Analoga anstelle der klassischen Kohlenstoffanoden wird dieser Indikator auf Null sinken.
Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen nun, eine solche Innovation aus Keramik oder verschiedenen Legierungen zu entwickeln, da ihr Erscheinen die anthropogenen Auswirkungen auf die Umwelt drastisch reduzieren würde. Bisher führen jedoch alle Forschungen in dieser Richtung zu einer Verringerung der Kosteneffizienz des Prozesses, vor allem aufgrund eines noch höheren Energieverbrauchs. Das Entstehen kohlenstoffneutraler Aluminiumhütten ist also wahrscheinlich eine weitaus fernere Perspektive als die Inbetriebnahme fortschrittlicher Anlagen, in denen der Elektrolyseprozess in Apparaten mit vertikal angeordneten Elektroden stattfindet.
