AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA

Átírás

1 AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA - a modellalkotás nehézségei - Dr. Kovács Viktória Barbara

2 Világ primer alumínium előállítása Rio Tinto Alcan, Aluette, ALCOLA, RUSAL, CHALCO ,6 Mt ( Mt): EU: 6 Mt Al US: 5 Mt Al CN: 21 Mt Al Alumínium elektrolízis energia fogyasztása ,85 TWh EU: 115 TWh US: 67,5 TWh CN: 303 TWh Alumínium elektrolízis energia intenzitása ,64 kwh/kg Al EU: 15,52 kwh/kg Al US: 15,58 kwh/kg Al CN: 13,74 kwh/kg Al

3 Problémafelvetés Kérdés: Mekkora a primer alumínium előállítás CO 2 kibocsátása? Válasz: 3,5 t CO 2 / 1 t alumínium 15 t CO 2 / 1 t alumínium Kérdés: Melyik a valós, esetleg mindegyik előfordul(hat)? Ha igen, mitől függ, hogyan javítható? Válasz: Mindegyik előfordulhat, de javítható technológia módosítással: Energiamix helyes megválasztása, inert anódra váltás Kérdés: Inert anódok használata minden szempontból kedvezőbb? Válasz

4 Vizsgálat célja Meghatározni a hagyományos anódos primer alumínium előállítás primerenergia-igényét és környezetterhelését, majd megbecsülni az inert anódok bevezetésének hatását 1 tonna primer alumínium buga előállításának primerenergia-igényére és környezetterhelésére. Funkcionális egység: 1 tonna primer alumínium buga Alkalmazott hatásértékelő módszer: CML 2001 Vizsgált hatáskategóriák: PED, GWP, AP, EP, POCP

5 Rendszerhatár kijelölése alapanyag előállítás Tüzelőanyag Víz Energia mix II. NaOH égetett mész Bauxit kinyerés bauxit Alumina előállítás alumina Alumínium elektrolízis alumínium AlF 3 Katód szén Energia mix I. Anód előállítás szurok petrolkoksz alumínium buga Buga öntés Ötvöző anyagok klór rendszerhatár Késztermék előállítás

6 Alumínium elektrolízis Hagyományos szén anóddal: Reakció: Energia igény: CO 2 kibocsátás: 1/2 Al 2 O 3 (sz) + 3/4 C (sz) = Al (f) + 3/4 CO 2 (g) 4.20 V, 13.2 kwh (47,52 MJ) /kg Al 1,5 kg/kg Al Inert anóddal: Reakció: Energia igény: CO 2 kibocsátás: 1/2 Al 2 O 3 (sz) = Al (f) + 3/4 O 2 (g) 5,11 V, kwh (57,71 MJ) /kg Al 0kg/kg Al Forrás: Halvor Kvande and Warren Haupin, Inert Anodes for Al Smelters: Energy, Balances and Environmental Impact, JOM 53 (2001) 5, 29-33

7 Hagyományos szén anód típusok - Csökkentik az elektrolízis energia igényét - CO 2 és sok egyéb káros anyag (Fluoridok, PAH, PFCs, CO, SO 2, NO x ) keletkezik használatukkor - Cseréjük a legnagyobb zavaró elem az elektrolizáló cella működésében - Petrolkokszból és kátrányból állnak - Típusaik: - Søderberg: anód paszta folyamatos juttatják a cellába, ott ég ki primer alumínium előállítás 11%-ánál - Elősütött anód: előre kiégetett anód tömböket helyeznek a cellába primer alumínium előállítás 89%-ánál

8 Inert anód típusok - Nem fogynak az elektrolízis során - Magasabb energiaigényű lehet a cella - CO 2 helyett O 2 -t bocsát ki az elektrolizáló cella, és a legtöbb károsanyag kibocsátás elkerülhető - Tervezett típusaik: - Kerámia: jó kémiai stabilitás, gyenge vezetőképesség, rossz hősokk tűrés - Cermet: kerámia (kémiai stabilitás) és fém (jó vezetőképesség, mechanikai stabilitás) Alcoa és Kína - Fém ötvözetek: nem rideg, jó vezető, jó elektromos csatlakozás, kémiailag instabil magas hőm.+ O 2 mellett stabil oxidréteg kell rá 55% Cu 20% Ni 20% Fe Rusal 100kA ipari cella 2017-re üzemben D. A. Simoylov et al., Progress in the development of reduction technology with inert anodes, Proc. Non-Ferr. Metals 2012, ed. G. L. Pashkov and P. V. Polyakov (Krasnoyarsk 5-7 Sept. 2012),

9 LCI: Leltár analízis források LCI Alumínium előállítás hagyományos anóddal: Anód előállítás és elektrolízis: IAI és EAA LCI adatok 2010 Bauxit kinyerés alumina előállítás, buga öntés, katód előállítás: GaBi LCI Energia mix: Statistic Canada IAI Statistics GaBi LCI Inert anódok: H. Kvande and W. Haupin, Inert Anodes for Al Smelters: Energy, Balances and Environmental Impact, JOM 53 (2001) 5, Rudolf. P. Pawlek: Inert anodes: an update, Light Metals

10 Energiamixek összetétel megújuló alapú* Mix I. Mix II. fosszilis alapú** Mix I. Mix II. HFO 0,2% - 0,7% - földgáz 0,18% - 0,9% - atom 1,79% - 2,06% - biomassza 0,47% - 0,07% - szél 0,2% - 0,42% - víz 97,16% 100% 18,6% 10% szén ,7% 90% széngáz - - 0,61% - PV - - 0,07% - * Forrás: Statistics Canada: Quebec ** Forrás: IEA statistics: Kína 2010

11 GaBi modell: bauxit bányászattól a buga öntésig

12 GaBi modell: alumina előállítás Gabi beépített folyamatok

13 GaBi modell: alumínium elektrolízis IAI LCI adatokból felépített modell Gabi beépített folyamatokkal

14 GaBi modell: buga öntés Gabi beépített folyamatok

15 GaBi modell: anód és katód előállítás IAI LCI adatokból felépített modell Gabi beépített folyamatokkal

16 Szcenárió elemzés

17 LCIA: Hatásbecslés GaBi E mix - anód GWP t CO 2,eq /t Al PED GJ/t Al AP kg SO 2,eq /t Al EP kg PO 4 3-,eq /t Al POCP kg C 2 H 4,eq /t Al M - E 5,36 132,08 33,41 1,37 3,87 M - S 6,32 145,17 31,09 1,49 3,81 M - I P* 3,75 137,83 14,54 1,33 1,12 M - I- O F - E 20,66 235,52 147,70 14,99 13,12 F - S 23,71 262,84 161,13 17,00 14,34 F- I P* 22,11 261,97 151,75 17,86 12,23 F - I- O * Inert anód előállítás nincs figyelembe véve, elektrolízis emissziói: CO, CO 2, SO 2, PAH, b-a-p, PFCs eliminálva, NOx, fluorid emissziók csökkentve Elfogadhatók összevetve IAI és AEE eredményekkel MÉGSEM HASZNÁLHATÓ!

18 GaBi modell kiváltása

19 GaBi helyett kézi számítás LCI adat forrásai LCI Alumínium előállítás hagyományos anóddal: Teljes folyamatlánc IAI és EAA LCI adatok 2010 LCI Energia mix: Statistic Canada IAI Statistics Probas LCI Inert anód: 55% Cu 20% Ni 20% Fe: H. Kvande and W. Haupin, Inert Anodes for Al Smelters: Energy, Balances and Environmental Impact, JOM 53 (2001) 5, Rudolf. P. Pawlek: Inert anodes: an update, Light Metals D. A. Simoylov et al.: Progress in the development of reduction technology with inert anodes, 2012 Probas ( ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg

20 LCI: Kézi számítás szcenáriók kiemelt adatai Elektrolízis bemenő áramai Elősütött anóddal* Søderberg anóddal* Inert anóddal** Anód [kg/t Al] 428,59 527,24 77,48 AlF3 [kg/t Al] 15,64 20,60 20,60 Elektromos áram [kwh/t Al] / * IAI LCI for Primary aluminium production 2010 ** irodalmi források alapján becsült értékek Leltár és Hatásbecslés

21 GWP [t CO 2 - egyenérték /1 t Al buga GWP: primer alumínium előállítás elősütött anóddal megújuló alapú energia mix fosszilis alapú energia mix 14,86 18, , ,01 1,35 0,19 1,96 0,05 2,16

22 LCIA: Hatásbecslés kézi számítással GaBi E mix - anód GWP t CO 2,eq /t Al PED GJ/t Al AP kg SO 2,eq /t Al EP kg PO 4 3-,eq /t Al POCP kg C 2 H 4,eq /t Al M - E 5,72 58,63 23,04 0,52 3,98 M - S 6,62 66,65 24,03 0,60 4,52 M - I - P 4,30 74,84 48, 96 1,23 3,39 M - I- O 3,88 63,47 48,84 1,20 3,20 F - E 18,42 141,40 71,60 6,28 59,49 F - S 21,10 160,98 79,36 7,16 67,78 F- I - P 19,47 173,65 106,90 8,10 69,65 F - I- O 16,54 145,99 97,24 6,94 58,84 GaBi GWP t CO 2,eq /t Al PED GJ/t Al AP kg SO 2,eq /t Al EP kg PO 4 3-,eq /t Al POCP kg C 2 H 4,eq /t Al M - E 5,36 132,08 33,41 1,37 3,87 M - S 6,32 145,17 31,09 1,49 3,81 M - I- P** 3,75 137,83 14,54 1,33 1,12 F - E 20,66 235,52 147,70 14,99 13,12 F - S 23,71 262,84 161,13 17,00 14,34 F - I- P** 22,11 261,97 151,75 17,86 12,23

23 Következtetések, tanulságok Egyik modell sem teljes: Gabi: Hiányzik az inert anódok előállítása A kézi számítás inert anód előállítás becsülve az elhanyagolt folyamatok, áramok miatt pontatlan összehasonlító elemzésre alkalmasnak mondható Továbbfejlesztési lehetőségek: GaBi modell kiegészítése a becsült inert anód előállítás folyamatokkal Inert anódokra vonatkozó pontosabb anyag/energiaáram adatok HTP becslése Amíg nem lesz működő inert anódos cella minden eredmény csak közelítő lehet.

24 Köszönöm a Figyelmet! Dr. Kovács Viktória Barbara kovacs@energia.bme.hu