AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA - a modellalkotás nehézségei - Dr. Kovács Viktória Barbara
Világ elsődleges alumínium előállítása Rio Tinto Alcan, Aluette, ALCOLA, RUSAL, CHALCO 2013 50,6 Mt (1973 12 Mt): EU: 6 Mt Al US: 5 Mt Al CN: 21 Mt Al Alumínium elektrolízis energia fogyasztása 2013 611,85 TWh EU: 115 TWh US: 67,5 TWh CN: 303 TWh Alumínium elektrolízis energia intenzitása 2013 14,64 kwh/kg Al EU: 15,52 kwh/kg Al US: 15,58 kwh/kg Al CN: 13,74 kwh/kg Al
Problémafelvetés Kérdés: Mekkora az elsődleges 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
Vizsgálat célja Meghatározni a hagyományos anódos elsődleges alumínium előállítás primerenergia-igényét és környezetterhelését, majd megbecsülni az inert anódok bevezetésének hatását 1 tonna 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
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
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, 16.03 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
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
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), 363-369
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 LCI Inert anódok: H. Kvande and W. Haupin, Inert Anodes for Al Smelters: Energy, Balances and Environmental Impact, JOM 53 (2001) 5, 29-33 Rudolf. P. Pawlek: Inert anodes: an update, Light Metals 2004-2008-2014
Energiamixek Megújuló alapú*: Mix I: ~97% víz + (HFO, földgáz, atom, biomassza, szél) Mix II: 100% víz Fosszilis alapú **: Mix I: ~77% szén + (HFO, földgáz, atom, biomassza, szél, széngát, PV) Mix II: 90% szén + 10% víz * Forrás: Statistics Canada: Quebec 2010-2011 ** Forrás: IEA statistics: Kína 2010
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, 29-33 Rudolf. P. Pawlek: Inert anodes: an update, Light Metals 2004-2008-2014 D. A. Simoylov et al.: Progress in the development of reduction technology with inert anodes, 2012 Probas (http://www.probas.umweltbundesamt.de) ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg
GWP [t CO 2 - egyenérték /1 t Al buga GWP: primer alumínium előállítás elősütött anóddal 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 megújuló alapú energia mix fosszilis alapú energia mix
LCIA: Hatásbecslés kézi számítással 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 5,7 58,6 23,0 0,5 4,0 M - S M - I - P M - I- O F - E 18,4 141,4 71,6 6,3 59,5 F - S F- I - P F - I- O
Következtetések, tanulságok Egyik modell sem teljes: A kézi számítás inert anód előállítás becsülve az elhanyagolt folyamatok, áramok miatt pontatlan összehasonlító elemzésre alkalmasnak mondható Továbbfejlesztési lehetőségek: Inert anódokra vonatkozó pontosabb anyag/energiaáram adatok HTP becslése Amíg nem lesz működő inert anódos cella minden eredmény csak közelítő lehet.
Köszönöm a Figyelmet! Dr. Kovács Viktória Barbara kovacs@energia.bme.hu www.energia.bme.hu