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 CO2 kibocsátása?
Válasz: 3,5 t CO2 / 1 t alumínium – 15 t CO2 / 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
Bauxit kinyerés
Tüzelőanyag
bauxit NaOH égetett mész
Alumina előállítás alumina
Energia mix II. Víz
Energia mix I.
Alumínium elektrolízis
Anód előállítás
AlF3 Katód szén
alumínium
Buga öntés alumínium buga
Késztermék előállítás
Ötvöző anyagok klór
rendszerhatár
szurok petrolkoksz
Alumínium elektrolízis Hagyományos szén anóddal: Reakció: Energia igény: CO2 kibocsátás:
1/2 Al2O3 (sz) + 3/4 C (sz) = Al (f) + 3/4 CO2 (g) 4.20 V, 13.2 kWh (47,52 MJ) /kg Al 1,5 kg/kg Al
Inert anóddal: Reakció: Energia igény: CO2 kibocsátás:
1/2 Al2O3 (sz) = Al (f) + 3/4 O2 (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 - CO2 és sok egyéb káros anyag (Fluoridok, PAH, PFCs, CO, SO2, NOx) 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 - CO2 helyett O2-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.+ O2 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 GWP t CO2,eq/t Al
PED GJ/t Al
AP kg SO2,eq/t Al
kg PO43-,eq/t Al
POCP kg C2H4,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
F - I- O
-
-
-
-
-
Emix - anód
M - I- O
EP
* Inert anód előállítás nincs figyelembe véve, elektrolízis emissziói: CO, CO2, SO2, 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 CO2- egyenérték /1 t Al buga
GWP: primer alumínium előállítás elősütött anóddal 20 18,42
megújuló alapú energia mix
18
fosszilis alapú energia mix
16
14,86
14 12 10 8 5,72
6
4
0
0,01
2,16
1,96
1,35
2
0,19
0,05
LCIA: Hatásbecslés kézi számítással Emix - anód M-E M-S M-I-P M - I- O F-E F-S F- I - P F - I- O GaBi M-E M-S M - I- P** F-E F-S F - I- P**
EP
↔ GaBi
GWP t CO2,eq/t Al
PED GJ/t Al
AP kg SO2,eq/t Al
kg PO43-,eq/t Al
POCP kg C2H4,eq/t Al
5,72 6,62 4,30 3,88 18,42 21,10 19,47 16,54
58,63 66,65 74,84 63,47 141,40 160,98 173,65 145,99
23,04 24,03 48, 96 48,84 71,60 79,36 106,90 97,24
0,52 0,60 1,23 1,20 6,28 7,16 8,10 6,94
3,98 4,52 3,39 3,20 59,49 67,78 69,65 58,84
GWP t CO2,eq/t Al
PED GJ/t Al
AP kg SO2,eq/t Al
EP kg PO43-,eq/t Al
POCP kg C2H4,eq/t Al
5,36 6,32 3,75 20,66 23,71 22,11
132,08 145,17 137,83 235,52 262,84 261,97
33,41 31,09 14,54 147,70 161,13 151,75
1,37 1,49 1,33 14,99 17,00 17,86
3,87 3,81 1,12 13,12 14,34 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
[email protected]
www.energia.bme.hu
