Klimaneutrales Aluminium durch grünen Strom

Aluminium ist ein junger Werkstoff. Seine mechanischen Eigenschaften und seine gute Leitfähigkeit erschließen dem Leichtmetall immer neue Anwendungsgebiete im Maschinen- und Anlagenbau, in der Elektroindustrie, im Baugewerbe, bei Verpackungen und in der Energiewirtschaft. Das wichtigste Anwendungsfeld ist der Transportbereich. Der Einsatz von Aluminium im Fahrzeugbau hat sich seit 1990 verdreifacht – und er wird weiter steigen. Transportmittel für die Straße, die Schiene und den Luftverkehr sind auf Leichtbau angewiesen. Ohne Aluminium sind Fahrzeuge mit Elektroantrieb undenkbar. Auch in anderen Bereichen erhöhen die Anforderungen von Klimaschutz und Nachhaltigkeit den Bedarf an Aluminium. Das gilt für Stromtrassen, Windkraft- und Photovoltaikanlagen ebenso wie für den Wohnungsbau.

Seine unendliche Wiederverwertbarkeit bei gleichbleibender Qualität macht Aluminium zum idealen Werkstoff für nachhaltig produzierte Produkte.

Seine unendliche Wiederverwertbarkeit bei gleichbleibender Qualität macht Aluminium zum idealen Werkstoff für nachhaltig produzierte Produkte. Das Umschmelzen von Aluminiumschrotten erfordert nur einen Bruchteil der für die Primärproduktion erforderlichen Energie. So verbessert jede Wiederverwertung die Energiebilanz des Werkstoffs und verkleinert seinen CO2-Fußabdruck. Die Klimaschutzanstrengungen beschleunigen zudem die Dynamik der Werkstoffentwicklung. Neue Aluminiumlegierungen ermöglichen innovative Produkte. Die Verarbeitungs- und Fertigungsbetriebe prägen die Leistungsfähigkeit der deutschen Industrie und tragen maßgeblich zu ihrer internationalen Wettbewerbsfähigkeit bei.

In Deutschland werden jährlich 1,2 Millionen Tonnen Aluminium produziert. Der Bedarf ist um ein Vielfaches größer: 60 Prozent des hierzulande verarbeiteten Aluminiums werden importiert. Der hohe Importanteil bietet den deutschen Aluminiumherstellern erhebliche Wachstumschancen, zumal die Nachfrage nach Werkstoffen mit günstiger CO2-Bilanz steigt. Bei den Umweltstandards gehören die deutschen Aluminiumhütten zur Weltspitze. Außerdem setzen sie soziale Standards, die den Anforderungen an Nachhaltigkeit in allen Dimensionen gerecht werden. Diese Standards sowie die Verminderung oder gar Vermeidung der direkten CO2-Emissionen, die der Herstellungsprozess verursacht, können für eine klimaneutrale Aluminiumproduktion allerdings nur greifen, wenn die bei der Stromerzeugung anfallenden CO2-Emissionen deutlich gesenkt werden.

Strom ist ein Rohstoff der Aluminiumproduktion

Aluminium wird in einem elektrochemischen Prozess gewonnen. Dabei wird Strom über Kohlenstoffanoden durch ein mit Aluminiumoxid (Tonerde) angereichertes flüssiges Salzbad geleitet. Elektrische Energie dient dem Herstellungsprozess also als Rohstoff und macht die Aluminiumproduktion stromintensiv. Die Energieversorgung bildet in mehrfacher Hinsicht den zentralen Faktor für die Aluminiumindustrie. Sie bestimmt die wirtschaftliche Existenz und Perspektive der Produktionsbetriebe, und sie bestimmt den ökologischen Wert des produzierten Werkstoffs.

Aluminium ist ein Weltmarktprodukt, das zu einem internationalen Preis gehandelt wird. Dabei entscheidet der Strompreis maßgeblich über die Wettbewerbsfähigkeit, denn die Kosten für den Bezug von Energie machen etwa die Hälfte der Produktionskosten von Aluminium aus. Den Aluminiumherstellern ist es deshalb derzeit wirtschaftlich nicht möglich, ausschließlich grünen Strom zu beziehen. Als Rohstoffquelle für die Aluminiumerzeugung steht ihnen nur der Strommix in Deutschland zur Verfügung. Dieser Strommix besteht zu knapp 50 Prozent aus regenerativen Energien. Die ökologische Qualität der bei der Aluminiumproduktion eingesetzten Energie beeinflusst mit Abstand am stärksten den CO2-Fußabdruck des erzeugten Metalls. Ihr Anteil an der CO2-Bilanz des Werkstoffs liegt derzeit bei rund 75 Prozent. Die Reduktion der Emissionen aus der Stromerzeugung ist daher die dringlichste Aufgabe auf dem Weg zur klimaneutralen Aluminiumproduktion. Deswegen muss die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen massiv ausgebaut und diese Energie vor allem zu international wettbewerbsfähigen Preisen bereitgestellt werden.

Erst auf dieser Grundlage greifen die geplanten Transformationsmaßnahmen der Aluminiumwirtschaft zur Minderung und Vermeidung der direkten, beim Produktionsprozess anfallenden CO2-Emissionen. Die Forschung an einer Ofentechnologie, die die Metallerzeugung ohne die Freisetzung von Treibhausgasen erlaubt, hat bereits begonnen. Die Industrie entwickelt derzeit einen Demonstrator, mit dem das Verfahren im Produktionsumfeld erprobt werden kann. Die für die Markteinführung nötigen Investitionen kann die Industrie jedoch erst tätigen, wenn die zentralen gesellschaftlichen Aufgaben gelöst sind: die konsequente Umsetzung der Energiewende und die Sicherstellung ihrer Marktfähigkeit.

Der Ausbau erneuerbarer Energien muss Geschäftsmodell werden

Der Transformationsprozess zur klimaneutralen Erzeugung von Aluminium verlangt den zügigen Ausbau erneuerbarer Energien. Dafür ist es notwendig, die Investitionen für Betreiber wirtschaftlich attraktiv zu machen. Attraktiv ist es nur dann, wenn die Aussicht besteht, dass sich die Kapitalkosten refinanzieren lassen, dass die laufenden Betriebskosten gedeckt sind und dass sich Gewinne erzielen lassen. Die gegenwärtigen Rahmenbedingungen erfüllen diese Bedingungen nicht. Sie wirken vielmehr als Hindernis auf dem Weg zum Ziel, der Industrie für ihre Stromversorgung erneuerbare Energie zu wettbewerbsfähigen Preisen bereitzustellen.

Mit der neuen Verfahrenstechnik der inerten Ofentechnologie wird der CO2-Fußabdruck von Primäraluminium bei nahezu null liegen.

Gefragt sind deshalb geeignete Absicherungsinstrumente gegen unvorhersehbare regulatorische Risiken – und zwar sowohl für Bau und Betrieb von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus regenerativen Energien als auch für die Industrie, die von diesen Anlagen versorgt werden soll. Beide Seiten brauchen möglichst lange Planungshorizonte mit verlässlichen und investitionsfreundlichen Rahmenbedingungen, um die notwendigen Investitionen stemmen zu können. Es geht dabei ausdrücklich nicht um die Absicherung gegen klassische unternehmerische Risiken, die jedes Unternehmen selbst zu tragen hat. Für die Abfederung regulatorischer Unwägbarkeiten gibt es jedoch auf privatwirtschaftlicher Seite kein entsprechendes Instrument. Der Staat ist der Urheber der regulatorischen Unwägbarkeiten. Es ist folglich seine Aufgabe, diese Absicherung anzubieten.

Absicherungsinstrumente für wettbewerbsfähige Strompreise

Ein wirksames Absicherungsinstrument sind sogenannte Differenzkontrakte (englisch: contracts for difference, CfD). Sie werden bereits in einigen Ländern angewendet, um Anreize für gesellschaftlich wünschenswerte Investitionen zu schaffen. CfD sorgen dafür, dass die betriebswirtschaftlichen Grundlagen von Investitionen gegen unvorhersehbare regulatorische Eingriffe und ihre Folgen geschützt werden. Der Betreiber einer Windkraft- oder Photovoltaikanlage refinanziert seine Investitionen über den Preis des erzeugten Stroms. Er muss dazu einen festen Strompreis zugrunde legen können, der gleichzeitig in einem Bieterwettbewerb erfolgreich und damit konkurrenzfähig ist.

Die Aluminiumindustrie leistet mit der Flexibilisierung des stromintensiven Elektrolyseprozesses einen wichtigen Lösungsbeitrag.

Mithilfe eines Ausgleichsfonds sorgt der CfD dafür, dass der am regulatorisch beeinflussten Strommarkt tatsächlich erzielte Strompreis gegen den Festpreis ausgeglichen wird. Ist der Marktpreis niedriger, bekommt der Betreiber den Differenzbetrag, ist der Marktpreis höher, zahlt der Betreiber die Differenz in den Ausgleichsfonds. Der Industriekunde braucht als Abnehmer eine Absicherung dieses festen Strompreises gegen das internationale Strompreisniveau, das für seine Wettbewerbsfähigkeit maßgeblich ist. Hier gilt dasselbe Prinzip: Ist der internationale Referenzpreis höher, zahlt der Industriekunde in einen Fonds ein, ist der Referenzpreis niedriger, erhält er die Differenz aus dem Fonds.

Die Kombination dieser beiden Absicherungsmechanismen gewährleistet beiden Seiten Planungssicherheit für die notwendigen Transformationspfade zur Umstellung auf erneuerbare Energien. Dabei wahrt dieser »Doppel-CfD« eine faire Balance von Chancen und Lasten für die Unternehmen, die dieses Instrument in Anspruch nehmen. Unter diesen Voraussetzungen können und werden sich die für die Transformation erforderlichen Akteure auf den Weg machen in die Umsetzung einer konsequenten Energiewende, die auch betriebswirtschaftlich attraktiv ist.

Aluminiumhütten helfen, schwankende Strommengen zu integrieren

Erneuerbare Energiequellen sind vor allem Wind- und Solaranlagen, die keine Grundlastversorgung sicherstellen können. Deren volatile Erzeugung muss unser Energieversorgungssystem jedoch integrieren. Die bestehende Infrastruktur kann das nicht leisten. Gefordert sind der Aufbau und Betrieb eines umfassenden Systems von Komplementärmaßnahmen, das die schwankende Energieerzeugung ausgleicht, die Stromnetze stabilisiert und eine sichere und bedarfsgerechte Versorgung von Industrie und privaten Haushalten gewährleistet.

Vor zehn Jahren begann der Umbau der Energieversorgung. Seitdem begleitet die Aluminiumindustrie konstruktiv diesen Wandel. Innovative Verfahren bieten Lösungen für zentrale Herausforderungen der Stromversorgung aus erneuerbaren Energiequellen. Der Rückzug aus der Kernenergie und die bereits erfolgte sowie für die kommenden Jahre geplante Abschaltung von Braun- und Steinkohlekraftwerken bilden eine Herausforderung für die Übertragungsnetze. Die schwankende Einspeisung von Strom aus Wind- und Solaranlagen macht es immer schwieriger, die Übertragungsnetze stabil zu halten. Die Aluminiumhersteller beteiligen sich mit dem bestehenden Potenzial zum Lastmanagement am Regelenergiemarkt. Mit der Möglichkeit, die Elektrolyseanlagen kurzfristig vollständig abzuschalten, tragen sie in akuten Notsituationen zur Netzstabilisierung bei.

Flexibilitätsleistungen brauchen eine angemessene Vergütung

Die Aluminiumindustrie leistet mit der Flexibilisierung des stromintensiven Elektrolyseprozesses einen wichtigen Lösungsbeitrag. Ausgehend von der konstanten Leistungsaufnahme der Elektrolysezellen wurden technische Möglichkeiten geschaffen, die Produktionsleistung und damit den aktuellen Strombedarf sekundenscharf an die Erzeugungsleistung der Erneuerbaren anzupassen – je nach Versorgungssituation im Netz. Wenn der Wind kräftig weht und die Sonne intensiv scheint, wird mehr Strom erzeugt, als aktuell benötigt wird. In diesem Fall nutzt das flexible System den Überschussstrom, um zusätzliches Aluminium zu erzeugen. Bei Windstille ohne Sonnenschein drosselt das System die Produktion und zehrt in der Weiterverarbeitung vom vorproduzierten Aluminiumvorrat. Der Strommangel an einem Tag wird also durch Stromüberschüsse an einem anderen Tag ausgeglichen. Damit trägt die Aluminiumindustrie dazu bei, Strommengen im Netz zu integrieren, die ansonsten ungenutzt abgeregelt werden müssten. Vor allem sorgt diese Form des flexiblen Lastmanagements für Netzstabilität. Ein stabiles Netz ist die Voraussetzung einer sicheren Stromversorgung für private Haushalte, Gewerbe und Industrie. Das ist systemdienliches Verhalten, welches ein Stromsystem braucht, das in erster Linie auf erneuerbare, aber schwankende Erzeugung setzt.

Die ökologische Qualität der bei der Aluminiumproduktion eingesetzten Energie beeinflusst mit Abstand am stärksten den CO2-Fußabdruck des erzeugten Metalls.

Die bestehenden Regeln des Energiemarktes verhindern jedoch, dass diese so dringend nötigen Potenziale dafür genutzt werden, volatile Strommengen zu integrieren und die Stromnetze zu stabilisieren. Die aktuelle Systematik des Netzentgelts bestraft derartige systemdienliche Leistungen sogar durch einen hohen Anstieg der Netzkosten bis hin zum Verlust des individuellen Netzentgelts. Die vollständige Nutzung der möglichen Flexibilität würde hohe Mehrkosten im Millionenbereich verursachen. Dieses Hemmnis muss dringend beseitigt werden. Die Systematik zur Berechnung der Netzentgelte ist so weiterzuentwickeln, dass industrielle Flexibilitäten als systemdienliche Beiträge zur Sicherung eines stabilen Netzbetriebs nicht die Art und Höhe des zu entrichtenden Netzentgelts beeinflussen.

Für die Umsetzung ihres Transformationsprozesses braucht die Aluminiumindustrie auch beim CO2-Emissionshandel Verlässlichkeit und langfristige Perspektiven. Die bestehenden Carbon-Leakage-Maßnahmen des EU-Emissionshandelssystems (ETS) sind dafür eine angemessene Basis, die es auszubauen und weiterzuentwickeln gilt. Die Zuteilungen sowie die Kompensationen der indirekten CO2-Kosten im Strompreis sind auch in der vierten Handelsphase des ETS der richtige Weg. Sie verhindern, dass CO2-Emissionen in Länder verlagert werden, in denen der Strompreis nicht durch ein Emissionshandelssystem belastet ist. Keinesfalls sollte das ETS zugunsten einer Regelung aufgegeben werden, wie sie die Europäische Kommission derzeit mit dem Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) für die direkten CO2-Emissionen erprobt. Eine Anwendung des CBAM auf indirekte CO2-Emissionen würde die Industrie unabsehbaren Risiken aussetzen und zudem das Erreichen der globalen Klimaschutzziele gefährden. Eine solche Regelung könnte die Aluminiumbranche und ihre Arbeitsplätze nicht vor einem Carbon-Leakage schützen. Sollte sich der bestehende Regulierungsrahmen in den nächsten Jahren erneut ändern, werden zunehmendes Carbon-Leakage und sofortige Investitionszurückhaltung die Folge sein.

Auf dem Weg zur klimaneutralen Aluminiumproduktion

Ein klimaneutraler Elektrolyseprozess, gepaart mit verbesserten Flexibilitätsoptionen – dies sind die Ziele eines Forschungsprojekts zur sogenannten inerten Ofentechnologie, die den Einsatz von Kohlenstoffanoden bei der Aluminiumerzeugung durch emissionsfreie Materialien und Verfahren ersetzt. Ausgehend von verlässlichen Rahmenbedingungen und einer langfristigen Sicherung der Versorgung mit grünem Strom verfolgt die Aluminiumindustrie das Ziel, bis 2045 Primäraluminium in Deutschland klimaneutral herzustellen. Die Nutzung CO2-freien Stroms aus erneuerbaren Energiequellen für den Elektrolyseprozess, unterstützt durch die vermehrte Integration volatiler Strommengen durch flexibles Lastmanagement, wird den CO2-Fußabdruck von Primäraluminium von derzeit rund acht Tonnen auf weniger als zwei Tonnen je Tonne Aluminium verringern. Mit dem Einsatz der neuen Verfahrenstechnik der inerten Ofentechnologie wird dieser Wert bei nahezu null liegen.

Für die Abfederung regulatorischer Unwägbarkeiten gibt es auf privatwirtschaftlicher Seite kein entsprechendes Instrument.

Die direkten CO2-Emissionen bei der Aluminiumproduktion entstehen durch die Herstellung und den Einsatz von Kohlenstoffanoden, die bei der Schmelzflusselektrolyse für die Einleitung des Stroms erforderlich sind. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird eine neue Elektrolysezelle entwickelt, die im Betrieb kein Kohlendioxid emittiert, sondern stattdessen Sauerstoff freisetzt und gleichzeitig flexibel die schwankende Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Quellen aufnehmen und verarbeiten kann. Voraussichtlich 2024 wird die neue Technologie so ausgereift sein, dass ein verfahrenstechnisch repräsentativer Prototyp getestet werden kann. In mehreren Stufen wird das System dann in den Folgejahren im industriellen Maßstab erprobt, sodass die Technologie im Jahr 2035 für die Umrüstung der Aluminiumhütten bereitsteht.

Gleichzeitig treibt die Aluminiumindustrie die Defossilisierung der Schmelz- und Wärmeaggregate in den Gießereien voran. Dort wird das in den Aluminiumhütten erzeugte und in Recyclinganlagen wiedergewonnene Metall für die Weiterverarbeitung in geeignete Formate abgegossen. Bestehende Konzepte sehen vor, diese bislang mit Erdgas betriebenen Aggregate auf bivalenten Betrieb umzustellen, der wahlweise und im schnellen Wechsel den Einsatz klimaneutraler Gase und klimaneutralen Stroms erlaubt. Wie bei der Primärherstellung des Werkstoffs ergibt sich dadurch die Möglichkeit, volatile Strommengen aus regenerativen Energiequellen flexibel zu integrieren: Bei Stromüberschuss heizen die Anlagen mit Strom, bei Stromknappheit liefert beispielsweise Biogas oder Wasserstoff die benötigte Energie.

Die Umrüstung der Produktionsanlagen erfordert hohe Investitionen. Die Aluminiumindustrie ist dazu bereit. Voraussetzung sind verlässliche Rahmenbedingungen und die langfristige Sicherung der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien zu international wettbewerbsfähigen Preisen.