Werkstoffliche Grundlagenuntersuchungen für den Einsatz von regenerativem Wasserstoff bei der Herstellung von Sekundäraluminium (H2-Alu); Teilprojekt des GWI: Reaktionskinetische Berechnungen und Durchführung der Schmelzversuche; Teilprojekt von HMT: Grundlagen und Randbedingungen für H2-Anreicherung in einem Alu-Schmelzofen; Teilprojekt von OVGU: Gießtechnologische Laboruntersuchungen und Entwicklung eines Simulations-Moduls

Abstract

Der Erfolg der Energiewende ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Lang- und mittelfristige Ansätze zur Dekarbonisierung verschiedener energieintensiver Sektoren wie z. B. der Thermoprozessindustrie sehen den vermehrten Einsatz regenerativer Energieträger wie grünen Strom und Wasserstoff vor. Zur Erreichung der Klimaziele bedarf es jedoch auch kurzfristiger und direkt verfügbarer Lösungsansätze, um den Umgang mit derzeitig und zukünftig bereitgestellten Ressourcen möglichst effizient zu gestalten. Die Verwendung von Wasserstoff und Erdgas-Wasserstoffgemischen als Brenngas in der Aluminiumverarbeitung stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um die Effizienz und Nachhaltigkeit dieses Prozesses zu verbessern. Der Prozess des Aluminiumschmelzens ist jedoch bekanntlich energieintensiv, da er hohe Temperaturen erfordert, um das Metall in seinen flüssigen Zustand zu überführen. Traditionelle Schmelzmethoden, die auf fossilen Brennstoffen basieren, tragen zur Emission von Treibhausgasen und anderen Umweltbelastungen bei. In diesem Kontext gewinnt Wasserstoff als alternatives Brenngas, speziell wenn der Wasserstoff mittels erneuerbarer Energieträger hergestellt und als „grüner“ Wasserstoff bezeichnet wird, zunehmend an Bedeutung. Der entscheidende Vorteil von Wasserstoff liegt in seinem hohen massebezogenen Energiegehalt und seiner sauberen Verbrennung, die im Vergleich zu fossilen Brennstoffen weniger schädliche Emissionen erzeugt. Darüber hinaus bietet Wasserstoff die Möglichkeit, erneuerbare Energiequellen (Wind und Sonne) effizient zu speichern und in industriellen Prozessen einzusetzen, was ihn zu einem Schlüsselelement in der Energiewende macht. Unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungen und Forschungsprojekte zum Einsatz von Wasserstoff beim Schmelzen von Aluminiumlegierungen wurden Experimente im Labormaßstab durchgeführt. Welche ergründen sollten, wie Wasserstoff bzw. Brenngasprodukte mit Wasserstoff- bzw. erhöhten Wasserdampfanteil sich auf schmelzflüssiges Aluminium auswirken, um letztendlich ein umfassendes Verständnis über den Mechanismus zu erhalten und allgemeingültige Aussagen ableiten zu können, welche zur Entwickelung eines Softwaretools herangezogen werden können. Wasserstoff als Brenngas hat laut Dichteindexmessung und direkter Wasserstoffmessung keinen nachweisbaren Einfluss auf den Wasserstoffgehalt in der Schmelze. Selbst längere Haltezeiten führen nicht zu einer Veränderung der Schmelzequalität. Sowohl die Porosität in 2D als auch in 3D wird nicht vom Wasserstoff beeinflusst. Des Weiteren zeigen die Festigkeitskennwerte keine Änderung, was darauf hinweist, dass Wasserstoff als Brenngas keine signifikanten Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Aluminiumlegierung (EN-AW 6060) hat. Durchgeführte Langzeitversuche bei wasserstoffhaltiger Atmosphäre durch Verbrennung von bis zu 100 % Wasserstoff und Haltezeiten von mehreren Stunden zeigen gleiche Ergebnisse bzw. keine Zunahme des Wasserstoffgehaltes in der Aluminiumschmelze.