CO2-Bilanz von Kühlkörper-Materialien
Aluminium versus Aluminiumoxid-Keramik
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Warum Aluminiumoxidkeramik besser abschneidet
CO2-Äquivalente-Bilanz favorisiert Alumiumoxidkeramik als Kühlkörpermaterial
Soweit zu Prozessbetrachtungen und Energieabschätzungen bei der Produktion von Aluminium- und Aluminiumoxid- Bauteilen: Einen Überblick schafft die Zusammenfassung aller CO2-relevanten Prozessschritte, die in den Tabellen 1 und 2 erfasst worden sind.
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| Prozesschritt | Energieträger | Energiebedarf | Faktor | CO2-Äquivalent |
|---|---|---|---|---|
| Bayer-Prozess | Strom | 0,5 kWh/kg |
2 | 0,6 |
| Kalzination | Erdgas | 0,5 m3/kg |
2 | 2,5 |
| Schmelzfluss-Elektrolyse | Strom | 15 kWh/kg | 1 | 9 |
| Schmelzfluss-Elektrolyse | Freisetzung CO2 | 1,2 kg/kg | 1 | 1,2 |
| Gießen | Strom | 0,3 kWh/kg | 1 | 0,2 |
| Summe | 13,5 |
Tabelle 1. Berechnung der CO2-Äquivalente für Aluminium
| Prozessschritt | Energieträger | Energiebedarf | Faktor | CO2-Äquivalent |
|---|---|---|---|---|
| Bayer-Prozess | Strom | 0,5 kWh/kg | 1 | 0,3 |
| Kalzination | Erdgas | 0,5 m3/kg | 1 | 1,3 |
| Aufbereitung | Strom | 0,4 kWh/kg | 1 | 0,3 |
| Sintern | Erdgas | 1 m3/kg | 1 | 2,5 |
| Sintern | Freisetzung CO2 | 0,4 kg/kg | 1 | 0,4 |
| Summe | 4,8 |
Tabelle 2. Berechnung der CO2-Äquivalente für Aluminiumoxid. Bezogen auf das Gewicht des Endprodukts fällt bei Aluminium rund die dreifach höhere Menge an CO2 an wie bei Aluminiumoxid.
Für die Berechnung der CO2- Äquivalente verschiedener Energieträger (Tabelle 3) wurden die Angaben des Bayerischen Landesamtes für Umwelt, Infozentrum Umweltwirtschaft, verwendet.
| Energieträger | Menge | Einheit | Gesamtmenge CO2-Äquivalente (inklusive Vorkette) |
|---|---|---|---|
| Strom | 1 | kw/h | 0,62 kg |
| Heizöl | 1 | l | 3,12 kg |
| Erdgas | 1 | m3 | 2,49 kg |
| Flüssiggas | 1 | l | 1,9 kg |
| Diesel | 1 | l | 3,13 kg |
| Benzin | 1 | l | 2,92 kg |
| Holzpellets | kg | 0,07 kg |
Tabelle 3. CO2-Äquivalente verschiedener Energieträger (Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt, Infozentrum UmweltWirtschaft)
Demnach verursacht die Herstellung 1 kg metallischen Aluminiums ungefähr 13,5 kg CO2 versus 4,8 kg für 1 kg keramisches Aluminiumoxid. Bezogen auf das Gewicht des Endprodukts fällt bei Aluminium somit knapp die dreifache Menge an CO2 an.
Die Dichte von Aluminium beträgt 2,7 g/cm3, die von Al2O3 3,9 g/cm3 (Faktor 1,44). Auch unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts überzeugt Keramik. Ersetzt durch das gleiche Volumen (Al2O3: 4,8 kg CO2 × 1,44 = 6,9 kg CO2), ist die CO2-Bilanz für Aluminiumoxid wesentlich günstiger als für Aluminium. Als grobe Abschätzung spart eine Substitution von Aluminium durch Aluminiumoxid bei einem gleich großen Bauteil ca. Faktor 2 an CO2-Belastung in der Atmosphäre.
Bei jeder CO2-Betrachtung stellt sich die Frage, an welchem Punkt ein Vergleich sinnvollerweise endet. Genau hier am Endprodukt Kühlkörper? Einen Schritt weiter, nach seiner Bestückung mit elektronischen Komponenten? Noch später im Einsatz – beispielsweise als LED-Lampe, welche mit Keramik durch effizientere Entwärmung über ihre Lebensdauer von 15.000 oder auch 40.000 Stunden energiesparender arbeitet? Zu breit sind hier die Unwägbarkeiten, als dass eine eingängige Vereinfachung sinnvoll erscheint.
Interessant und abschätzbar erscheint da schon eher das Finale, das Thema Entsorgung bzw. Recycling. Metallisches Aluminium kann zu einem Teil durch Recycling wieder verwendet werden, wogegen ein gesintertes Keramikbauteil nicht wieder erneut zur Keramikproduktion verwendet werden kann. Auf der anderen Seite ist die Keramik chemisch absolut stabil und für die Umwelt völlig neutral. Die Entsorgung ist unkritisch, ausgediente Keramikbauteile werden z.B. auch als Füllmaterial im Straßenbau verwendet. Demgegenüber können aus metallischem Aluminium unter ungünstigen Bedingungen Metall-Ionen ins Grundwasser freigesetzt werden. Auch unter Berücksichtigung der giftigen Begleitprodukte bei der Schmelzflusselektrolyse spricht unter Umweltschutzaspekten vieles für eine Verwendung moderner Hochleistungskeramik.
Der Autor:
| Dr. Meinhard Kuntz |
|---|
| aus Philippsburg, Baden, ist bei CeramTec als Leiter der Oxidentwicklung tätig. In seinen Aufgabenbereich fallen Werkstoff- und Produktentwicklung aus den Bereichen Orthopädie- und Dentaltechnik, Maschinenbau, Schneidwerkzeuge und Elektronik. Er promovierte 1995 an der Universität Karlsruhe und war dann zehn Jahre lang als Oberingenieur am Fachgebiet Keramik der Universität Bremen für die Bereiche Bruchmechanik, Biokeramik und innovative ormgebungsverfahren verantwortlich. |
m.kuntz@ceramtec.de
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