Batterieenergie, Emissionen und Einsparungen bei der Reichweite von Elektrofahrzeugen – Die Kraft von recyceltem Aluminium

Die Automobilindustrie, genauer gesagt die Produktion von Elektrofahrzeugen, ist Vorreiter bei einem innovativen Verfahren zur Sammlung und Verarbeitung von Aluminiumschrott für neue Fahrzeugteile. Das Pacific Northwest National Laboratory des DOE hat in Zusammenarbeit mit dem Mobilitätstechnologieunternehmen Magna gerade eine neue Produktionsmethode vorgestellt, die den Energieeinsatz um mehr als 50 % und die Kohlendioxidemissionen um mehr als 90 % reduziert, indem die Notwendigkeit entfällt, die gleiche Menge zu extrahieren und zu verarbeiten rohe Aluminiumerze. Darüber hinaus kann durch den Einsatz von leichtem Aluminium auch die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht werden.

Dieses patentierte und preisgekrönte ShAPE™-Verfahren (Shear Assisted Machining and Extrusion) sammelt Schrottteile und Reste von Aluminiumverkleidungen aus der Automobilherstellung und wandelt sie direkt in geeignetes Material für neue Fahrzeugteile um. Bald werden sie auch bereit sein, leichte Aluminiumteile für Elektrofahrzeuge zu produzieren.

Die neuesten Fortschritte, die in einem neuen Bericht und einem Forschungspapier in Manufacturing Letters detailliert beschrieben werden, machen die Zugabe von frisch gefördertem Aluminium zu Materialien, die in der Fertigung verwendet werden, überflüssig. Durch die Reduzierung der Kosten für das Aluminiumrecycling können Hersteller die Gesamtkosten für Aluminiumkomponenten senken und ihnen bessere Alternativen zum Ersatz von Stahl in der Fertigung bieten.

„Wir haben gezeigt, dass mit dem ShAPE-Verfahren hergestellte Aluminiumteile den Standards der Automobilindustrie hinsichtlich Festigkeit und Energieabsorption entsprechen“, sagte Scott Whalen, PNNL-Materialwissenschaftler und leitender Forscher. „Entscheidend ist, dass der ShAPE-Prozess metallische Verunreinigungen im Abfall zersetzt, ohne dass ein energieintensiver Wärmebehandlungsschritt erforderlich ist. Dies allein spart erheblich Zeit und führt zu neuen Effizienzsteigerungen.“

Der neue Bericht und die Forschungspublikationen sind der Höhepunkt einer vierjährigen Partnerschaft mit Magna, dem größten Automobilteilehersteller in Nordamerika.

„Nachhaltigkeit steht bei allem, was wir tun, im Vordergrund“, sagte Massimo DiCiano, Leiter Materialwissenschaft bei Magna. „Von unseren Produktionsprozessen über die von uns verwendeten Materialien bis hin zum ShAPE-Prozess ist ein hervorragender Beweis für die Richtung, in die wir neue nachhaltige Lösungen für unsere Kunden entwickeln und schaffen wollen.“

Vorteile von Aluminium

Aluminium ist neben Stahl das am häufigsten verwendete Material in der Automobilindustrie. Leichteres und stärkeres Aluminium ist ein Schlüsselmaterial in der Strategie, Leichtbaufahrzeuge für eine verbesserte Effizienz herzustellen, sei es zur Erhöhung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs oder zur Reduzierung der Batteriekapazität. Während die Automobilindustrie derzeit den Großteil ihres Aluminiums recycelt, fügt sie diesem vor der Wiederverwendung regelmäßig neu gewonnenes Primäraluminium hinzu, um Verunreinigungen zu verdünnen.

Metallverarbeiter verlassen sich auch auf das jahrhundertealte Verfahren, bei dem Ziegel, oder „Bills“, wie sie in der Branche genannt werden, mehrere Stunden lang auf Temperaturen über 550 °C vorgewärmt werden. Der Vorwärmschritt löst Ansammlungen von Verunreinigungen wie Silizium, Magnesium oder Eisen im Rohmetall auf und verteilt sie durch einen als Homogenisierung bezeichneten Prozess gleichmäßig im Barren.

Im Gegensatz dazu führt das ShAPE-Verfahren den gleichen Homogenisierungsschritt in weniger als einer Sekunde durch und wandelt dann, ohne Vorwärmen, innerhalb von Minuten festes Aluminium in ein fertiges Produkt um.

„Mit unseren Partnern bei Magna haben wir einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung des ShAPE-Prozesses erreicht“, sagte Whalen. „Wir haben seine Vielseitigkeit durch die Herstellung quadratischer, trapezförmiger und mehrzelliger Teile unter Beweis gestellt, die alle Qualitätskriterien für Festigkeit und ‚Duktilität‘ bzw. die Fähigkeit zur Verformung erfüllen.“

Für diese Experimente arbeitete das Forscherteam mit einer Aluminiumlegierung namens 6063, auch Architekturaluminium genannt. Diese Legierung wird für eine Vielzahl von Automobilkomponenten wie Motorhalterungen, Stoßfängerbaugruppen, Rahmenträger und Außenverkleidungen verwendet.

Das PNNL-Forschungsteam untersuchte die extrudierten Formen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Elektronenrückstreubeugung, wodurch ein Bild der Anordnung und Mikrostruktur jedes Metallpartikels im Endprodukt erstellt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass ShAPE-Produkte gleichermaßen stabil und frei von Herstellungsfehlern sind, die zum Ausfall von Teilen führen könnten. Die Produkte wiesen keine Anzeichen großer Gruppen von Metallverunreinigungen auf, die zu einer Materialverschlechterung führen und Bemühungen zur Verwendung von sekundärem recyceltem Aluminium zur Herstellung neuer Produkte behindern könnten.

Jetzt untersucht das Forscherteam noch stärkere Aluminiumlegierungen, die üblicherweise in Batteriegehäusen für Elektrofahrzeuge verwendet werden.

„Diese Innovation ist nur der erste Schritt zur Schaffung einer Kreislaufwirtschaft für recyceltes Aluminium in der Fertigung“, sagte Whalen. „Wir arbeiten derzeit an der Einbeziehung von Post-Use-Abfallströmen, wodurch ein völlig neuer Markt für Sekundäraluminiumschrott entstehen könnte.“