Silizium durch aluminothermische Reduktion von Quarz in Schlacke gewinnen
Silizium ist für den menschlichen Gebrauch unverzichtbar. Es wird häufig in der Elektronik und in Solarzellen eingesetzt und ist ein wichtiger Bestandteil von Keramik, Ziegeln und Portlandzement. Seine Versorgung ist stark gefährdet, daher wurde Silizium als einer von 34 kritischen Rohstoffen eingestuft. Die moderne Siliziumproduktion ist sehr energie- und CO2-intensiv und verursacht enorme CO2-Emissionen. Angesichts der Tatsache, dass die weltweite Siliziumproduktion im Jahr 2022 fast 9 Millionen Tonnen betrug, werden nachhaltigere und klimaneutrale Produktionsmethoden enorme Auswirkungen haben. Im Rahmen des bahnbrechenden EU-finanzierten Projekts SisAl Pilot wurde der für die Bergbauindustrie – und den Planeten – notwendige Entwicklungssprung erreicht, bei dem das heutige CO2-intensive Verfahren durch eines ersetzt wird, bei dem Sekundäraluminium und Quarz (Siliziumdioxid) für die Siliziumproduktion in großem Maßstab genutzt werden.
Aluminothermische Reduktion von Quarz in Schlacke
Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wird Silizium hauptsächlich aus Quarz (dem häufigsten Mineral in der Erdkruste) hergestellt, indem es mit kohlenstoffhaltigen Materialien bei sehr hohen Temperaturen in einem Elektroreduktionsofen zur Reaktion gebracht wird. Jede produzierte Tonne Silizium sorgt für einen Stromverbrauch von mehr als 10 MWh und erzeugt etwa 5 Tonnen CO2. Über das Projekt SisAl Pilot konnte das erste (und bisher einzige) alternative Siliziumproduktionsverfahren jenseits des 100-kg-Maßstabs demonstriert werden. Laut Projektkoordinatorin Gabriella Tranell von der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens „ersetzt das SisAl-Verfahren CO2-haltige Reduktionsmittel durch sekundäre Aluminiumquellen wie Altschrott und Produktionsnebenströme. Bei der Siliziumherstellung aus Quarz durch aluminothermische Reduktion entstehen keine direkten CO2-Emissionen. Darüber hinaus ist der Prozess der Aluminiumrückgewinnung sehr effizient und im SisAl-Verfahren können flexibel mehrere sekundäre Quarzströme wie Schlacke (ein Nebenprodukt aus Metalloxiden und Siliziumdioxid) und Quarzfeinrückstände (fein gemahlene Rückstände) verwendet werden.“ Neben der flexiblen Ressourcennutzung und der Emissionssenkung wird bei der Reaktion zwischen Aluminium und dem in der Schlacke enthaltenen Quarz Energie freigesetzt, anstatt verbraucht.
Kreislaufwirtschaft und industrielle Symbiose
Die Ersetzung des karbothermischen Elektroreduktionsofens durch die aluminothermische Reduktion des Quarzes in der Schlacke durch SisAl Pilot bedeutet nicht nur eine Verringerung des Energie- und Materialverbrauchs und der Emissionen. Silizium ist das am weitesten verbreitete Legierungselement, das insbesondere zu verbesserten Eigenschaften von Aluminium beiträgt. Das Verfahren von SisAl Pilot schließt den Kreislauf zwischen der Aluminium- und der Siliziumindustrie und dient als hervorragendes Beispiel für eine industrielle Symbiose, die zu einer Kreislaufwirtschaft beiträgt. „Die Metallurgie ist eine sehr alte Disziplin. Metalle werden seit der Bronzezeit durch karbothermische Reduktion hergestellt. Neue Verfahren und grundlegende Kenntnisse sind nötig. Wir stehen jetzt an der Schwelle des größten Wandels in der Geschichte der Industrie – der Dekarbonisierung. Die industrielle Symbiose ist äußerst wichtig dafür, und der SisAl-Prozess hat gezeigt, dass sie möglich ist“, fügt Tranell hinzu.
Groß angelegtes Pilotprojekt erregt internationale Aufmerksamkeit
„Normalerweise verlangt die Industrie Nachweise, dass ein Verfahren über das Labor hinaus funktioniert, um an sein kommerzielles Potenzial zu glauben. Das Team des Projekts SisAl Pilot hat die aluminothermische Reduktion von Quarz in großem Maßstab mit verschiedenen Reaktoren und Rohstoffmischungen demonstriert und Unternehmen aus der ganzen Welt für maßgeschneiderte Diskussionen und Berechnungen für Geschäftsanwendungen einschließlich detaillierter Umweltverträglichkeitsstudien gewonnen“, so Tranell. In einem gewaltigen Evolutionssprung ist eine Alternative zur karbothermischen Reduktion auf dem Weg zur Marktreife, die beispiellose Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und die Eindämmung des Klimawandels verspricht.
Schlüsselbegriffe
SisAl Pilot, Silizium, Quarz, Aluminium, aluminothermische Reduktion, Schlacke, Elektroreduktionsofen, industrielle Symbiose, Kreislaufwirtschaft, kritische Rohstoffe
