AZ INERT ANÓDOK HATÁSA AZ ELSŐDLEGES ALUMÍNIUM ELŐÁLLÍTÁS ENERGIAIGÉNYÉRE ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAIRA - a modellalkotás nehézségei - Dr. Kovács Viktória Barbara
Világ primer 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 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
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
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 GaBi 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 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 - - 76,7% 90% széngáz - - 0,61% - PV - - 0,07% - * Forrás: Statistics Canada: Quebec 2010-2011 ** Forrás: IEA statistics: Kína 2010
GaBi modell: bauxit bányászattól a buga öntésig
GaBi modell: alumina előállítás Gabi beépített folyamatok
GaBi modell: alumínium elektrolízis IAI LCI adatokból felépített modell Gabi beépített folyamatokkal
GaBi modell: buga öntés Gabi beépített folyamatok
GaBi modell: anód és katód előállítás IAI LCI adatokból felépített modell Gabi beépített folyamatokkal
Szcenárió elemzés
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!
GaBi modell kiváltása
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
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] 15044 17209 15044 / 18053 * IAI LCI for Primary aluminium production 2010 ** irodalmi források alapján becsült értékek Leltár és Hatásbecslés
GWP [t CO 2 - egyenérték /1 t Al buga GWP: primer alumínium előállítás elősütött anóddal 20 18 16 megújuló alapú energia mix fosszilis alapú energia mix 14,86 18,42 14 12 10 8 6 5,72 4 2 0 0,01 1,35 0,19 1,96 0,05 2,16
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
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.
Köszönöm a Figyelmet! Dr. Kovács Viktória Barbara kovacs@energia.bme.hu www.energia.bme.hu