Schmelzflusselektrolyse

Aluminium ist nach Eisen das zweitwichtigste technische Metall und wird vielseitig verwendet. In Deutschland kommen etwa 40 % dieses Leichtmetalls im Fahrzeug- und Flugzeugbau zum Einsatz, etwa 20 % im Bauwesen, der Rest verteilt sich auf den Einsatz in Maschinenbau, Elektroindustrie und Verpackungsindustrie.

Geschichte der Aluminiumherstellung

Die Herstellung von Aluminium gelang - bedingt durch seine hohe Affinität zum Sauerstoff - erst im 19. Jahrhundert, indem sehr starke Reduktionsmittel wie die Alkalimetalle verwendet wurden. Leicht erhältliche Reduktionsmittel wie z. B. Kohlenstoff, die in anderen technischen Verfahren wie dem Hochofenprozess eingesetzt werden, reichen nicht aus, um das relativ unedle Aluminium herzustellen.
Erst Ende des 19. Jahrhunderts fand man mit der elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid ein brauchbares Verfahren zur großtechnischen Herstellung, das noch heute angewendet wird.
Der Däne HANS CHRISTIAN OERSTED erhielt 1825 erstmalig unreines Aluminium durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam, einer Legierung aus Kalium und Quecksilber.
F. WÖHLER stellte 1827 das reine Metall durch Reduktion von ${\text{AlCl}}_{\text{3}}$ mit Kaliummetall her. Er beschrieb es genau und wird daher meist als der Entdecker angesehen.
Der Franzose HENRI SAINT-CLAIRE DEVILLE setzte später metallisches Natrium ein und hatte damit das erste technisch brauchbare Verfahren entwickelt.
H. DEVILLE und ROBERT BUNSEN gelang 1854 unabhängig voneinander die Darstellung des Metalls durch Elektrolyse einer ${\text{NaAlCl}}_{\text{4}}\text{- Schmelze}$.
Zu dieser Zeit war das Metall so kostbar, dass es auf der Pariser Ausstellung 1855 neben den Kronjuwelen gezeigt wurde, und der Kaiser Napoleon III. benutzte bei Staatsempfängen Bestecke aus Aluminium als besondere Attraktion.

Die Verbesserung in den Herstellungsverfahren spiegelt sich auch in der Entwicklung des Aluminiumpreises wieder (Bild 3).

Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse

1. Gewinnung von Aluminiumoxid (Bayer-Verfahren)

Als Rohstoff für die Aluminiumherstellung dient Bauxit, aus dem im ersten Schritt Aluminiumoxid gewonnen wird.
Bauxit ist ein rötlich gefärbtes Sedimentgestein, das im Tagebau gewonnen wird. Der für die Aluminiumgewinnung eingesetzte Rohstoff hat etwa folgende Zusammensetzung:

Aluminiumoxid (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$) ca. 60 %
Eisenoxid (${\text{Fe}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$) 7-30 %
Siliciumoxid (${\text{SiO}}_{\text{2}}$) 1-15 %
Titanoxid (${\text{TiO}}_{\text{2}}$) 3-5 %
chemisch gebundenes Wasser 12-30 %

Aluminium liegt im Bauxit in Form der Hydroxide vor, als ${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}$oder AlO(OH). Eisen ist als Oxidhydrat, Silicium als Dioxid oder in Form von Silikaten enthalten.
Die Vorräte an Bauxit auf der Erde sind sehr groß, sie betragen 40-50 Milliarden Tonnen, die jährliche Welt-Förderung lag 1995 bei 100 Millionen Tonnen, im Jahr 2008 schon bei 205 Millionen Tonnen, Tendenz weiter steigend.
Die großen Bauxitvorkommen sind mit dafür verantwortlich, dass Aluminium nach Sauerstoff und Silicium mit einem Anteil von 8,3 Masse-% das dritthäufigste Element der Erdkruste ist. Viele silikatische Mineralien (Ton, Kaolin u. a.) enthalten ebenfalls Aluminium, allerdings sind diese Mineralien wegen des nicht so hohen Aluminiumgehalts kaum als Rohstoff geeignet. Für die Gewinnung von Aluminium wird fast nur Bauxit verwendet.

2. Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid

Die Reduktion von Aluminiumoxid zum Metall erfolgt elektrolytisch in einer Schmelze. Da der Schmelzpunkt des reinen Oxids über 2000 °C liegt, löst man 5-10 % Aluminiumoxid in einer Schmelze von Kryolith. Bei einer solchen Mischung von Kryolith und Aluminiumoxid liegt der Schmelzpunkt niedriger als bei den beiden Einzelsubstanzen.
Kryolith (Natriumhexafluoroaluminat ${\text{Na}}_{\text{3}}{\text{AlF}}_{\text{6}}$) ist ein relativ seltenes natürliches weißes Mineral. Der Abbau der ehemaligen Hauptvorkommen in Grönland ist nicht mehr lohnend, daher wird die Verbindung aus Aluminiumhydroxid, Natronlauge und Fluorwasserstoffsäure hergestellt.

${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}\text{+}\text{3 NaOH}\text{+}\text{6 HF}\stackrel{}{\to }{\text{Na}}_{\text{3}}{\text{AlF}}_{\text{6}}\text{+}{\text{6 H}}_{\text{2}}\text{O}$

Der Kryolithschmelze werden außerdem verschiedene Salze zugemischt, deren Aufgabe es ist, den Schmelzpunkt zu senken, die Leitfähigkeit zu erhöhen und die Stromausbeute zu verbessern. Typische Zusammensetzung der Schmelze: 80-85 % ${\text{Na}}_{\text{3}}{\text{AlF}}_{\text{6}}$; 5-7 % ${\text{CaF}}_{\text{2}}$; 5-7 % ${\text{AlF}}_{\text{3}}$; LiF; darin sind 5-10% ${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$ gelöst. Die Temperatur der Schmelze von 940 - 980 °C wird aus Elektroenergie erzeugt.

Energiebedarf zur Aluminiumherstellung

Der Energiebedarf für die Herstellung von Aluminium durch Schmelzfluss-Elektrolyse ist sehr hoch, allein für den Elektrolyseprozess benötigt man 13-15 MWh je Tonne Aluminium (Bild 6). Das entspricht etwa dem durchschnittlichen Jahresverbrauch an Elektroenergie von 5-10 Haushalten. In Deutschland werden 2-3% der Elektroenergie allein für die Aluminium-Schmelzflusselektrolyse eingesetzt. Aus diesem Grunde wird Aluminium weltweit in großem Umfang in solchen Ländern produziert, wo Elektroenergie billig durch Wasserkraft erzeugt werden kann (z. B. Norwegen, Südamerika).
Rechnet man noch den Energiebedarf zur Herstellung des Aluminiumoxids aus Bauxit in Form von Elektroenergie und thermischer Energie hinzu, so ergibt sich daraus ein Gesamtenergieverbrauch von etwa 40 MWh je Tonne Aluminium. Der Gesamtenergiebedarf zur Herstellung von 1 Tonne Glas beträgt dagegen nur etwa 3 MWh!

Prinzipiell kann man Aluminium sehr gut recyceln. Der Energiebedarf hierfür ist viel geringer, er beträgt nur 5-10 % des Bedarfs für Primärmaterial. Aufgrund der hohen Energiepreise ist das Recycling also durchaus attraktiv, so werden z. B. Aluminiumabfälle und Schrott aus dem Automobilbau zu 90 % wiederverwertet.
Die Recyclingquote von Aluminium aus Bauwesen, Elektrotechnik und Verpackung beträgt in Europa 80-90 %. In Deutschland liegt die Recyclingrate insgesamt für Aluminium bei knapp 70 %. Im Jahr 2008 wurde in der BRD infolge des viel geringeren Energiebedarfs sogar mehr Sekundäraluminium (ca. 700 000 t) als Primärmaterial (ca. 600 000 t) erzeugt.