Metallen und Metallwerkstoffen wird oftmals eine geringe Nachhaltigkeit attestiert. Dabei wird jedoch meist nur ein kleiner und zudem konventioneller Teil einer sehr langen Prozess- und Nutzungskette betrachtet. Die Rohstoffgewinnung und verschiedene Verarbeitungsprozesse sind aufwendig oder energieintensiv.

Neue Entwicklungen bieten hier jedoch auch Potential zur Verbesserung und mehr Nachhaltigkeit.

Der Grund, warum Stahl, Aluminium und andere typische Industriemetalle häufig als wenig nachhaltig angesehen werden, findet sich primär in den ersten Phasen der Herstellungskette:

• Die Erze, in denen sich die Metalle bzw. ihre Ausgangsverbindungen befinden, müssen abgebaut werden. In vielen Fällen geschieht das im Tagebau. Tiefe landschaftliche Eingriffe lassen sich dabei nicht vermeiden – vor allem in Anbetracht der gigantischen Mengen.China allein etwa baute 2023 in einem durchschnittlichen Monat gut 85 Millionen Tonnen Eisenerz ab, wobei selbst sehr eisenhaltiges Gestein höchstens 72 Prozent des gewünschten Materials enthält. Der Rest ist taubes Gestein, in der Geologie auch Gangart genannt. Diese Werte können bei anderen Metallen noch geringer sein.

• Auf dem Weg zum nutzbaren Rohstoff oder Halbzeug ist bei Metallen meist ein thermischer Prozess Je nach Material sind einige hundert bis deutlich über tausend Grad Celsius dafür notwendig. Zusammen mit den großen Fertigungsmengen werden daher enorme Mengen Energie eingesetzt.Zum Einschmelzen einer Tonne Stahl sind rund 500 Kilowattstunden nötig – das entspricht etwa einem Viertel des Jahres-Stromverbrauchs eines Single-Haushalts. Zur Einordnung der Größenmengen: 2022 wurden in Deutschland täglich über 101.000 Tonnen (Roh-)Stahl produziert.

• Bei der Metallherstellung sind zudem verschiedene chemische Schritte nötig, die teilweise hohe CO₂-Emissionen zur Folge haben. Bei den gängigen Stahlproduktionsverfahren etwa wird durch die Verwendung von Kokskohle (= Kohlenstoff, C) der Sauerstoff (O₂) im Eisenoxid reduziert – dieser Schritt ist zwingend nötig. Dabei verbinden sich C und O₂ zu CO₂. Bei der Herstellung einer Tonne Stahl entsteht hierzulande etwa die anderthalbfache Menge CO₂. In Ländern mit weniger sauberen Produktionsverfahren sind es noch deutlich mehr.

Diese drei Punkte sind für einen erheblichen Anteil des gesamtmetallischen Fußabdrucks verantwortlich – selbst wenn noch weitere Fertigungsschritte erforderlich sind, die beispielsweise ebenfalls große Energiemengen erfordern.

Doch es wäre falsch, Metallwerkstoffe nur auf diesen Teil der gesamten Prozess- und Verwendungskette zu reduzieren. Vieles trägt schon heute oder zukünftig dazu bei, Metalle in der Betrachtung über den gesamten Nutzungszeitraum hinweg viel nachhaltiger zu machen – und obendrein alternativlos und systemrelevant.

Metallwerkstoffe lassen sich immer wieder und wieder einschmelzen und so in ihre Legierungsbestandteile auftrennen. Dabei entstehen keinerlei Qualitätsverluste, weil sich durch unterschiedliche Schmelztemperaturen stets wieder die chemisch reinen Bestandteile abspalten lassen.

Das Recycling spielt deshalb bei Metallen eine wichtige Rolle und wirkt sich auf den ökologischen Fußabdruck im Laufe der Nutzungsdauer aus.

Selbst die Materialverluste sind, wenigstens bei den Industriemetallen, vernachlässigbar. Nur geringe Anteile werden in der beim Schmelzen entstehenden Schlacke gebunden und werden so dem neuen Rohmetall entzogen.

Verschiedene Metalle gehören deshalb zu den Werkstoffen mit den weltweit höchsten Recyclingquoten überhaupt. Jede Tonne recyceltes Material (Fachbegriff: Sekundärmetall) macht nicht nur Abbau und Herstellung einer Tonne Primärmetall überflüssig, sondern bietet zudem einen weiteren Vorteil:

Wurde ein Metall einmal aus dem Erz extrahiert und von unerwünschten chemischen Bestandteilen gereinigt, dann ist ein erheblicher Teil des CO₂-Ausstoßes beendet. Wird also beispielsweise (reiner) Stahlschrott eingeschmolzen, ist es kaum noch nötig, erneut Sauerstoff aus dem Material heraus zu reduzieren.

Selbst wenn dies mit Kokskohle geschieht, entfällt daher die große CO₂-Menge, die bei der Eisenoxidreduktion anfällt. Es verbleibt nur das, was bei der Reinigung mancher Legierungen durch die Reduktion ihres Kohlenstoffanteils anfällt.

Das hat mehrere signifikante Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit:

1. Metallschrott kann auf unterschiedlichste Weisen eingeschmolzen werden. Im Vergleich zur konventionellen Stahlerzeugung aus Eisenerz lässt sich dabei über die Hälfte an Energie einsparen. Häufig werden dafür rein elektrisch betriebene Lichtbogenöfen Zudem kann dieser Strom aus vollkommen regenerativen Quellen stammen.
2. Schrott kann ebenfalls bei der Rohmaterialproduktion hinzugegeben werden und so die Menge der zu reduzierenden Stoffe deutlich verringern. Laut dem Bundesverband Sekundärrohstoffe und Entsorgung wirkt sich dies deutlich auf die Nachhaltigkeit aus: Bei der Stahlproduktion in Deutschland können 58 Prozent der CO₂-Emissionen und sogar 72 Prozent der Energiemenge eingespart werden. Auch hier sorgen die enormen Produktionsmengen für mengenmäßig sehr große Einsparungen.

Auch die Primärstahlproduktion kann noch deutlich nachhaltiger ausgerichtet werden – bezogen auf Energieträger und CO₂ sowie gänzlich ohne Schrottzugabe.

Kokskohle wird deshalb seit Jahrhunderten bei der Stahlproduktion genutzt, weil der Brennstoff gleichzeitig die nötige Hitze liefert und den Sauerstoff aus dem Eisen reduziert. Allerdings haben die damit verbundenen Prozesse in den Hochöfen noch einige weitere Nachteile neben dem hohen CO₂-Ausstoß.

Seit einigen Jahren wird deshalb (insbesondere in Europa) stark an der industriell tauglichen Verwirklichung eines anderen Weges gearbeitet: Die Direktreduktion auf der sogenannten Wasserstoffroute.

Bei der Direktreduktion (für sich allein kein neues Verfahren) wird das Eisenerz in Form von Pellets nicht auf konventionelle Weise in einem Hochofen verflüssigt. Stattdessen wird ein Schachtofen eingesetzt, der die Form eines Hohlzylinders oder -quaders hat. Von oben zugeführte Pellets werden auf ihrem Weg nach unten einerseits erhitzt (jedoch nicht so hoch wie in Hochöfen) und zudem mit einem Gas umströmt, das die Sauerstoffatome sozusagen „herausspült“.

Dabei entsteht sogenannter Eisenschwamm, ein relativ poröses Material mit hohem Eisenanteil. In einem weiteren Schritt wird dies zu Roheisen oder Rohstahl aufgeschmolzen. Das Prinzip ist wichtig, um die Zukunft der Stahlfertigung zu erläutern.

Bereits bei traditionellen (= nicht nachhaltigen) Direktreduktionsverfahren (etwa das derzeit wichtigste Midrex-Verfahren) wird für diesen Prozess wasserstoffhaltiges Erdgas genutzt. Schon das reduziert die CO₂-Emissionen ganz beträchtlich. Die heutigen Bestrebungen zielen jedoch darauf ab, die Reduktion komplett mit gasförmigem Wasserstoff (H bzw. H₂) durchzuführen.

Warum die Wasserstoff-Direktreduktion so immens wichtig für nachhaltigen Stahl ist, hat gleich mehrere Gründe:

1. Bei der Reduktion wird kein nennenswertes CO₂ freigesetzt, sondern reines Wasser.
2. Das Wasser hat keine klimatisch oder anderweitig negativen Auswirkungen. Sorgfältig filtriert kann es dem Nutzwasserkreislauf zugeführt werden.
3. Das entstehende Wasser lässt sich chemisch zu Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Der „recycelte“ Wasserstoff könnte bei einer weiteren Direktreduktion genutzt werden.
4. Extern zugeführter und recycelter Wasserstoff kann ebenfalls auf elektrochemischen Weg mit regenerativ produzierter Elektrizität aus Wasser gewonnen werden.
5. Auch die nötige Hitze der Direktreduktion lässt sich mit Strom aus erneuerbaren Quellen oder durch Nutzung von deutlich weniger Schadstoff-emittierendem Erdgas bereitstellen. Der gesamte industrielle Prozess des Kohleabbaus und der Umwandlung zu Kokskohle entfällt dabei ersatzlos.

Die Wasserstoffroute gestattet eine je nach Energieträger deutlich CO₂-reduzierte oder sogar völlig CO₂-neutrale Primärstahlproduktion. Zudem kann sie einen der bis heute global wichtigsten Gründe für den Abbau, die Bearbeitung und den Einsatz von Steinkohle eliminieren.

In modernen Werken in Europa sind rund fünf Tonnen Kohle zur Herstellung von elf Tonnen Rohstahl nötig – in älteren Anlagen deutlich mehr. Insgesamt erfolgen heutzutage noch 70 Prozent der Weltstahlproduktion im „Kohlebetrieb“. Nach der Stromerzeugung ist daher die Metall- und insbesondere Stahlproduktion global für den größten Kohleverbrauch verantwortlich. Hinzu kommen der enorme Energieverbrauch und Schadstoffausstoß, um Kohle zu Koks zu verarbeiten.

Der positive Effekt, wenn allein die Mehrheit des Stahls über die Wasserstoffroute produziert würde, wäre gigantisch. Millionen Tonnen Kohle jährlich könnten dabei eingespart werden. Diese Tatsache muss ebenfalls als Teil eines größeren Gesamtbildes betrachtet werden. Es zeigt, warum Metall so wichtig für die globalen Nachhaltigkeitsbestrebungen ist.

Beim Einsatz langlebigen Materialien mit hoher Recyclingfähigkeit verteilt sich der negative ökologische Fußabdruck auf eine lange Lebens- und Nutzungsdauer. Metalle und Metallwerkstoffe können hier punkten. Doch auch Maßnahmen etwa zum Schutz vor Korrosion sowie nachhaltige Konstruktionen spielen dabei eine wichtige Rolle.

Bereits beim Design von Produkten kann der Recyclingaspekt in den Fokus gerückt werden. Je besser sich verschiedene verwendete Materialien nach der Nutzungsdauer wieder möglichst sortenrein voneinander trennen lassen, desto geringer ist der Aufwand bei der Wiederaufbereitung.

Ein weiterer notwendiger Schritt ist dann der Aufbau eines möglichst lückenlosen Materialkreislaufs. Zum einen betrifft dies direkt den Umfang des Materials, der weiterhin zur Verfügung steht. Zum anderen lassen sich damit die Abfallmengen reduzieren – zusammen mit dem dafür notwendigen Aufwand.

Nicht nur – aber vor allem bei kostenintensiven Gütern ist die Möglichkeit einer Reparatur oder eines Austauschs einzelner Teile zu berücksichtigen. Auch dies trägt dazu bei, Ressourcen zu sparen und eine möglichst lange Nutzungsdauer zu gewährleisten.

Schließlich muss hier noch der Schutz der Materialien vor Zerstörung genannt werden. Ungünstige Witterung oder Abrasion wirken sich negativ auf die Haltbarkeit von Metallen aus. Die verschiedensten Verfahren können hier für einen Schutz sorgen:

• Oberflächenschutz durch Eloxieren, Galvanisieren, Verchromen, Verzinken
• weitere schützende Beschichtungen etwa durch Anstriche, eine Ummantelung durch Kunststoff etc.
• Pflegemaßnahmen wie Schmieren oder Ölen von beweglichen Teilen

Gerade die verschiedenen energieintensiven Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse bei Metallen bieten viel Potential zur nachhaltigeren Gestaltung. Gleichzeitig ist dies mit großen Investitionen verbunden. Gelingt es, diesen Industriezweig global nachhaltiger aufzustellen, wird dies einen massiven Einfluss auf die Reduktion von CO₂-Emissionen sowie für die Einsparung fossiler Energieträger mit sich bringen.

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