Momenteel wordt ongeveer tweederde van de Europese vraag naar aluminium geproduceerd uit mineralen. Zogenaamd primair aluminium veroorzaakt een hoge CO2-uitstoot en is in strijd met de Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen van de Verenigde Naties, die oproepen tot een efficiënt gebruik van hulpbronnen. Als aluminiumlegeringen worden geproduceerd door recycling van aluminium (secundair aluminium), wordt slechts ongeveer vijf procent van de energie gebruikt die nodig is voor de winning uit delfstoffen. Ook de CO2-voetafdruk van het materiaal wordt in dezelfde mate verminderd.
Laag brandstofverbruik
Het onderwerp heeft een enorme economische betekenis, aangezien aluminium na staal het belangrijkste metaalmateriaal is. In 2016 bedroeg het totale wereldwijde productievolume 95 miljoen ton. Aluminium wordt vooral gewaardeerd om zijn lichtheid. Er zijn echter legeringen nodig om de sterktewaarden te verhogen en ook andere eigenschappen te beïnvloeden.
In vergelijking met staal zijn onderdelen van aluminiumlegeringen slechts half zo zwaar bij dezelfde sterkte. Dit maakt het materiaal bijzonder geschikt voor voertuigen en vervoermiddelen, waar het bijdraagt tot een lager brandstofverbruik. Aluminium materialen worden bijvoorbeeld gebruikt voor diverse motoronderdelen en voor delen van het chassis en de carrosserie.
Standaardwerk voor aluminiumrecycling
Naar schatting zal de hoeveelheid aluminium die in Europa voor recycling beschikbaar is, tegen 2050 verdubbeld zijn. Om het recyclingpercentage te verhogen, moet echter beter worden begrepen hoe toekomstige materialen zo kunnen worden ontworpen dat zij gemakkelijk recycleerbaar zijn, aldus professor Stefan Pogatscher van de leerstoel voor non-ferrometallurgie aan de universiteit van Leoben. Maar hoewel er in verschillende wetenschappelijke gemeenschappen al veel onderzoek is gedaan naar aluminiumrecycling, was er tot nu toe nog geen standaardwerk beschikbaar. “Je ziet door de bomen het bos niet meer. We moeten ook de complexiteit van onze systemen op wetenschappelijk niveau verminderen – en generalistische en specifieke perspectieven op concrete technische vraagstukken beter op elkaar afstemmen,” aldus de professor.
Samen met professor Dierk Raabe van het Max Planck Instituut voor ijzeronderzoek in Düsseldorf en 22 onderzoekers van verschillende onderzoeksinstellingen heeft Pogatscher in twee jaar tijd bijna 1300 wetenschappelijke artikelen gecondenseerd tot een uitgebreid overzichtsartikel.
Basismetaal
Het probleem bij het recyclen van aluminium is de kwaliteit van het basismetaal. Dit maakt het moeilijk om de meeste onbruikbare elementen bij de recycling van aluminiumschroot te verwijderen. Bovendien kunnen de onzuiverheden de kwaliteit van het materiaal verminderen. “Als de onzuiverheden bestaan uit niet-metalen elementen, kunnen zij bij de recycling onder meer worden verwijderd door filters. Het zijn metaalelementen zoals staal en koper die vaak niet volledig te scheiden zijn bij het sorteren en schadelijk zijn in sommige aluminiumlegeringen.
“De verwijdering van andere metalen is ingewikkeld en er zijn nog geen geschikte technologieën op de markt. Bovendien kunnen elementen die in één legering gewenst zijn, ook de eigenschappen in andere legeringen verminderen. Als men dit wil veranderen, moet men bij de ontwikkeling van duurzamere legeringsstrategieën rekening houden met de mate van onzuiverheid,” legt professor Pogatscher uit.
Eenvoudige en complexe legeringen
In 2019 bedroeg het wereldwijde recyclingpercentage voor aluminium 35 procent. Dit percentage is onder meer toe te schrijven aan eenvoudige producten zoals drankblikjes. Aangezien deze bestaan uit enkele goed compatibele legeringen, kunnen zij gemakkelijk opnieuw worden verwerkt tot nieuwe blikken. Oud schroot daarentegen bestaat uit veel complexere legeringen en kan nog niet worden gebruikt voor bijvoorbeeld autocarrosserieën, omdat zij veel te gevoelig zijn voor verontreinigende elementen. Om die reden blijft de recycling van afgedankt schroot momenteel nog beperkt tot motoren en motorblokken. Door het toenemende belang van klimaatvriendelijke aandrijvingen zal het productievolume van motoren in de toekomst echter drastisch dalen – en dit zal recycling nog moeilijker maken.
Een economie die voor honderd procent uit recycling bestaat, is in de nabije toekomst niet haalbaar, gezien de aanhoudende groei van de vraag naar materialen. Bovendien gaat een groot deel van het aluminium al na enkele levenscycli van het product verloren bij het inzamelen, sorteren en recycleren. Daarom is het des te belangrijker om zoveel mogelijk materiaal in de cyclus te houden.
Zo hoog mogelijk schrootgehalte
Ondanks voortdurende innovaties in aluminiumrecyclingprocessen zijn er altijd grenzen. Zo kunnen geautomatiseerde sorteerinstallaties reeds splitsingen per legeringsklasse uitvoeren – maar alleen indien de materialen niet gelast zijn. Bovendien wordt gewerkt aan nieuwe legeringen die een breder scala van eigenschappen bestrijken om de verscheidenheid te verminderen en tegelijkertijd de tolerantie voor onzuiverheden te vergroten. Dit staat echter nog in de kinderschoenen, en juist daarvoor wil het overzichtsartikel hulp bieden, aldus professor Pogatscher.
Het realistische doel van het onderzoek is de bevordering van de ontwikkeling en produktie van aluminiumlegeringen met een zo hoog mogelijk schrootgehalte. In de toekomst moet het ook mogelijk zijn schroot van mindere kwaliteit en schrootkwaliteiten die overeenkomen met slechts enkele doellegeringen, te gebruiken wanneer zij worden hergebruikt.
Uitdagingen
Professor Pogatscher pleit voor de ontwikkeling van een integrale visie die leidt van het ontwerp van producten tot de productie van materialen en onderdelen en uiteindelijk tot recycling. Om dit te bereiken, zegt hij, is het nog steeds nodig sociale oplossingen te vinden. Een eerste stap zou echter zijn om cursussen aan te bieden, “aangezien de verantwoordelijken vaak gewoonweg het overzicht missen door de hoge mate van complexiteit”, aldus de professor. De universiteit van Leoben maakt een begin met de start van twee nieuwe Engelstalige bacheloropleidingen vanaf najaar 2022: Circular Engineering en Responsible Consumption and Production.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Progress in Materials Science (IF 39,58):
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
