CO2-Bilanz von Kühlkörper-Materialien Aluminium versus Aluminiumoxid-Keramik

Bei der Herstellung von LED-Lampen sprechen diverse Vorteile für die Verwendung von Aluminiumoxid-Keramik als Werkstoff für Kühlkörper, Reflektor oder Sockel. Diese reichen vom guten thermischen Management des CeramCool-Systems über die elektrische Isolation bis hin zur optischen Attraktivität und Haptik. Zur objektiven Bewertung der möglichen Substitution bei Serienanwendungen stellt sich zudem auch die Frage nach der Umweltbilanz – bezogen auf die Herstellung des Produkts. Am sinnvollsten geschieht dies durch eine Abschätzung der CO2-Äquivalente, die für Aluminium und Aluminiumoxid hinsichtlich der energierelevanten Aufbereitungsprozesse ermittelt werden kann.

Bauxit bildet sich bei der Verwitterung verschiedener tonerdereicher Gesteine primär in wechselfeuchten tropischen Gebieten. Das Gemenge an Aluminiumhydroxidmaterialien ist meist rot gefärbt, abhängig vom Gehalt an Eisenhydroxid. Der Rohstoff wird im Tagebau gewonnen und ist Basis der Aluminium- wie der Keramikproduktion.

Beim gängigen Bayer-Verfahren (Bild 1), schon 1888 von Karl Josef Bayer erfunden, wird Bauxit mit Natronlauge vermengt, fein gemahlen und mit Dampf erhitzt. Das Aluminiumhydroxid geht so in Lösung, die Verunreinigungen fallen aus und werden durch Filtern von der Lauge getrennt (Rotschlamm). Bei der anschließenden Abkühlung fällt schließlich das gereinigte Aluminiumhydroxid aus.

Die Reinigung des Hydroxids benötigt rund 0,5 kWh Energie je kg Aluminiumoxid, das nun durch Kalzination (Bild 2) entsteht. Dafür wird das Aluminiumhydroxid auf 1200 °C erhitzt, das Wasser tritt aus, das Hydroxid wird in Oxid übergeführt und es entsteht Al2O3. Die Kalzinationsöfen werden mit Erdgas betrieben, der Bedarf beträgt ungefähr 0,5 m3 pro Kilogramm Al2O3.

Bis zu diesem Punkt ist die Herstellung von metallischem Aluminium und Aluminiumoxid-Keramik identisch. Aus 1.000 g Al2O3 werden anhand der Stöchiometrie 530 g Aluminium gewonnen. Für die CO2-Bilanz bedeutet dies, dass der Energiebedarf aus dem Bayer-Prozess für 1 kg Aluminium ungefähr doppelt so hoch ist wie für 1 kg Aluminiumoxid. Diese Tatsache wird bei der Berechnung auch durch den Faktor 2 berücksichtigt.

Nach der Kalzination trennen sich die Wege: Der mit Abstand größte Energiebedarf besteht bei der Schmelzfluss-Elektrolyse, wobei aus dem Aluminiumoxid das metallische Aluminium gewonnen wird. Dabei wird das Aluminiumoxid mit Kryolith (Na3AlF6) vermengt, bei einer Temperatur von ca. 950 °C erschmolzen und in der Elektrolysezelle an der Katode abgeschieden. Die Anode besteht aus Kohlenstoffblöcken, die während der Reaktion zu CO2 zersetzt werden. Pro Kilogramm Aluminium werden bei diesem Prozess 15 kWh elektrische Energie benötigt und 1,2 kg CO2 direkt freigesetzt. Für die Umweltbilanz ist außerdem die Bildung von giftigen Gasen wie Kohlenmonoxid und Fluorwasserstoffen nicht zu vernachlässigen. Die Formgebung des Aluminiums erfolgt durch Gießen, wobei das Aufschmelzen des Metalls bei Temperaturen um 700 °C vergleichsweise wenig Energie braucht.

Das Keramikpulver wird nach der Kalzination zunächst gemahlen, getrocknet und je nach Formgebungsverfahren mit 2 bis 12 % organischem Binder versetzt. Die Formgebung für den Pulverkörper erfolgt bei Massenanwendungen mit komplexer Geometrie bevorzugt durch Spritzguss. Trockenpressen ist interessant für Großserienfertigung weniger komplexer Bauteile. Zur energetischen Bewertung der Formgebung wurde zusammen mit Mahlen und Trocknen ein Energie-bedarf von 0,4 kWh/kg angenommen. Bei der Herstellung von Keramikbauteilen erfordert die Sinterung mit 1 m3/kg Erdgas den größten Energiebeitrag. Außerdem werden bei der Sinterung  pro Kilogramm Keramik ca. 0,4 kg CO2 durch die Verbrennung des organischen Binders freigesetzt.