Elektrolyse kan gjøre energikrevende metallindustri grønnere. I et felles prosjekt med NTNU erstatter vi karbon med elektroner i produksjonen av mangan og silisium – og produserer oksygengass i stedenfor CO₂.
Metallindustrien som produserer mangan, silisium og legeringer der disse metallene blir produsert sammen med jern, også kjent som ferrolegeringsindustrien, kjennetegnes ved at de er svært energikrevende. I dag blir metallene laget i en prosess som krever karbon og dermed gir stort CO2-utslipp. Siden karbonet tradisjonelt har vært fossilt karbon, har prosessen vært en betydelig miljøsynder.
Mangan og silisium er viktige legeringselementer i stål og aluminium, med det aller meste som går til den enorme stålindustrien. Siden det uansett skal legeres med jern er det ikke noe problem å produsere mangan og silisium samtidig som jern, i ferrolegeringer. Videre blir mangan-metall også brukt til batterier, gjødsel og vannrensing, og silisium-metall brukes blant annet til elektronikk og solceller. På verdensbasis blir mer enn 50 millioner tonn ferrolegeringer produsert hvert år. Norge produserer for det meste ferrosilisium og ferromangan, og er en av de viktigste produsentene av disse i Europa. Utslippene fra industrien er per i dag 1.3-5 kg CO2/kg metall, avhengig av hvilket metall/legering det er snakk om.
For å kutte utslipp er dagens ferrolegeringsprodusenter på jakt etter nye teknologier som gjør det mulig å produsere metaller på en mer miljøvennlig måte. Biokarbon har blitt sett på som en høyaktuell erstatter for det fossile karbonet i dagens produksjonsprosesser, men for å eliminere CO2-utslippet må et mer drastisk teknologiskifte til.
Elektrolyse kan være svaret på problemet. Ved hjelp av denne helelektriske prosessen kan en fjerne alle CO2-utslipp fra dagens prosesser fullstendig, både direkte fra dagens prosess og indirekte fra fossile energikilder ved bruk av fornybar energi. Norge produserer fornybar energi i store mengder, som er viktig når karbon skal byttes ut med elektrisitet.
Elektrolyse som alternativ – to ulike tilnærminger
Vi ved Avdeling for metallproduksjon og prosessering ved SINTEF søker gjennom et felles prosjekt med NTNU å løse utfordringen ved å bruke elektrolyse for å produsere ferrolegeringer, nærmere bestemt silisium, mangan og ferromangan.
I jordskorpa finner vi metaller bundet til oksygen, oftest kalt mineraler. For å spalte silisium og mangan fra oksygenet det er bundet til, bruker vi i dag karbon. Karbon har mye energi som brukes i prosessen, og hjelper til med å binde oksygenet og danne CO2, samtidig som metallene blir produsert.
I forskningen vår bytter vi rett og slett ut karbonet med elektroner i en elektrolyseprosess og produserer oksygengass i istedenfor CO2! Vi arbeider med to ulike teknologiske tilnærminger, en for produksjon av mangan og ferromangan, og en for silisium. I begge tilnærmingene har vi brukt metalloksidene som råmateriale, fornybar strøm, og en elektrolyseprosess på høye temperaturer.
I en elektrolyseprosess brukes strøm for å drive reaksjoner på to elektroder for å få ikke-spontane reaksjoner til å gå. En elektrolyseprosess har to elektroder, og reaksjoner vil alltid skje på begge. Disse elektrodene er plassert i en elektrolytt. En elektrolytt har to hovedfunksjoner i en elektrolyseprosess: den må løse opp råmaterialet, og den må ha ionisk konduktivitet og rask massetransport slik at ioner kan gå mellom elektrodene dit hver enkelt reaksjon vil skje. I tillegg må elektrolytten være kjemisk og termisk stabil under prosessen.
I begge tilnærmingene har vi undersøkt elektrokjemiske reaksjoner som kan skje i elektrolyseprosessene. På denne måten kan vi få en forståelse for hvordan vi kan kjøre en kontinuerlig elektrolyseprosess så energieffektivt som mulig.
I den første tilnærmingen har vi valgt en smelte av oksider som elektrolytt for å produsere flytende mangan og ferromangan, mens i den andre tilnærmingen jobber vi med å bruke en saltsmelte-elektrolytt for å lage silisium i fast form.
Oksider i sentrum for ny, elektrisk metallproduksjon
I dag produserer Norge metallene sink, kobber og nikkel elektrolytisk med elektrolytter basert på vann og relativt lave temperaturer på 30-70 °C, mens aluminium blir produsert i en elektrolytt basert på smeltede fluorsalter på ca. 950-960 °C. Både industrien og forskningsmiljøene ved SINTEF og NTNU har mye kunnskap om elektrolyse som kan overføres til nye prosesser, nye elektrolytter, og metaller som før ikke har blitt produsert med elektrolyse på stor skala.
Oksider er vanligvis ikke et godt valg som elektrolytt da de har relativt dårlig ledningsevne, og metalloksidene er vanligvis en metall-kilde i elektrolytiske prosesser. Samtidig er det mange fordeler ved å kunne produsere metall i flytende form, men temperaturene som kreves for flytende mangan og silisium, henholdsvis 1250 og 1450 °C, er for høye for de «klassiske» saltsmelteelektrolyttene. På disse høye temperaturene er derimot smeltede oksider mer stabile, og vi har i prosjektet valgt å undersøke oksid både som elektrolytt og metall-kilde for manganelektrolyse.
Selv om oksidsmelter også kunne vært undersøkt for å produsere flytende silisium, har vi heller valgt å se på produksjon av fast silisium som et nytt og unikt produkt, nemlig silisiumplater. Da kan vi være på lavere temperaturer, og benytte en vanligere type elektrolytt basert på klor- og fluorsalter. Silisiumoksid, eller kvarts som det også kalles, brukes da kun som kilden til silisium. Bruk av kvarts i slike elektrolytter er det gjort lite forskning på tidligere, men for nye prosesser er dette det mest interessante råmaterialet siden dette allerede brukes i dagens prosess.
Fra eksperiment til prosessforståelse
I prosjektet har vi først og fremst hatt oppmerksomhet på metallproduktet og elektrokjemien i produksjonen av mangan og silisium. Gjennom laboratorie-eksperimenter har vi søkt etter svar på hva som skjer i elektrolyseprosessen og kombinert dette med teoretisk kunnskap. Vi har variert elektrolyttkjemi, temperatur og produksjonshastighet, og får svar angående stabilitet av materialer vi benytter, metallkvalitet og energieffektivitet til prosessene. Denne forståelsen er grunnleggende før en gjør videre optimaliseringer.
I en prosess med smeltet oksid er temperaturen høy og de kjemiske omgivelsene veldig korrosive, noe som fører til mye slitasje på alle materialer involvert i prosessen. Derfor må mange hindringer og materialtekniske problemer overvinnes for å kunne etablere en prosess, selv i småskala laboratorieforsøk. I forsøkene hvor vi produserer mangan har vi hatt suksess med å produsere ferromangan, og vi er nå i en prosess med å teste ut et nytt forsøksoppsett som vil kunne produsere mangan uten å legere det jern. For silisium er vi fortsatt i oppstartsfasen, og studerer nå elektrodereaksjonen for dannelse av silisium. Vi undersøker også hvor mye og hvor rask kvarts løser seg opp i aktuelle elektrolytter, da dette vil være begrensende for en industriell prosess.
ZeSiM – Zero emission Manganese and Silicon through electrowinning er et kompetanse- og samarbeidsprosjekt (KSP, NFR) med SINTEF og NTNU som forskningspartnere, som pågår mellom 2023-2028. Prosjektet fokuserer på kompetansebygging rundt selve elektrolyseprosessene for å finne ut hva som skjer av reaksjoner ved produksjon av metall under ulike omstendigheter. Dette gjør vi i samarbeid med våre nasjonale industrielle partnere som har høy interesse av resultatene: Elkem ASA, Eramet Norway AS, Finnfjord AS, Wacker Chemicals Norway AS.
Selv om en viktig del av prosessen er dannelsen av oksygengass, har vi valgt å ikke sette mye søkelys på optimalisering av denne reaksjonen i dette prosjektet. Men vi kan bekrefte at det er oksygengass vi utvikler! Dette kan vi til og med se med det blotte øye i en av spesialovnene som er gjennomsiktige, da det dannes gassbobler samtidig som det produseres metall. Denne reaksjonen, og spesielt materialene til den inerte elektroden som denne reaksjonen skjer på, skal NTNU forske videre på i et nytt, tildelt FRIPRO-prosjekt for forskere i tidlig karriere.
Kommentarer
Ingen kommentarer enda. Vær den første til å kommentere!