Hall-Héroult prosessen er i dag enerådende i produksjon av primæraluminium. Prosessen ble patentert i 1886. Siden da har det selvsagt vært mange forbedringer i ytelse, skala og energiforbruk, men prinsippet er fremdeles det samme. Problemet med prosessen er at den produserer mer CO2 enn den produserer aluminium. Om man klarer å bytte ut karbonanodene med inerte anoder kan man eliminere CO2 fra selve aluminiumsproduksjonen. Men det er bare halve bildet. I dette blogginnlegget forklarer jeg dette nærmere.
- Dette kan også være av interesse: Kan kloridprosessen erstatte Hall-Héroult for aluminiumsproduksjon?
Hall-Héroult prosessen
Hall-Héroult prosessen er en elektrolyseprosess, hvor råstoffet (aluminiumoksid, Al2O3) løses i en elektrolytt bestående av smeltet fluorid ved 960 °C. Elektrodene er horisontale. Aluminium (Al) felles ut på katoden, som er toppen av det produserte flytende metallet. Som anode benyttes karbon (C). Anodene består for det meste av petrolkoks, som er et avfallsprodukt fra oljeraffinering. Karbonet forbrukes ved at det dannes karbondioksid (CO2) i anodereaksjonen. Dette medfører at det dannes mer karbondioksid enn aluminium, om lag 1500 kg CO2/t Al i moderne anlegg.
Det knytter seg stor interesse til utvikling av inerte (ikke-forbrukbare) anoder, hvor det dannes oksygen (O2) i stedet for CO2 ved anoden. En av oppfinnerne av dagens prosess, C.M. Hall, patenterte dette allerede i 1889 (men neppe av klimahensyn). Tross stor innsats har man ennå ikke klart å realisere inerte anoder; problemet er å utvikle et materiale som er «inert nok» – løseligheten av anodematerialet i elektrolytten må være svært lav for å få rent nok metall, siden det i dag ikke finnes noen teknologi som kan rense metallet for alle urenheter på en kostnadseffektiv måte.
Teknologi basert på inerte anoder vil potensielt kunne redusere karbonavtrykket i norske aluminiumverk med 2 mill. tonn CO2 per år.
Men det finnes også noen ulemper med denne teknologien som gjør at en ikke nødvendigvis får ut et slikt potensial globalt sett.
Energiforbruk ved aluminiumsproduksjon, med og uten inerte anoder
Aluminiumelektrolyse er svært energikrevende. I Norge brukes det ca. 18 TWh/år for å produsere 1,282 Mt aluminium (2016) fra syv verk (Mosjøen, Sunndal, Høyanger, Årdal, Husnes, Karmøy og Lista). Kraftforbruket tilsvarer 14 prosent av vannkraftproduksjonen i Norge. I verden er produksjonen av aluminium (2018) 64 Mt. Veksten har vært formidabel i Kina, Asia og Midt-Østen de siste 20-30 år, og produksjonen er basert på fossile energikilder (kull og naturgass).
Teoretisk laveste energiforbruk i en ideell prosess uten varmetap er 6,24 kWh/kg Al, mens det i praksis brukes om lag det dobbelte. Dette skyldes at en ikke kan lede strøm (ofte 300-500 kA) uten ohmske spenningstap. En er også avhengig av å danne et belegg av frosset elektrolytt på innerveggene av cella, fordi kombinasjonen av metall og fluoridsmelte er svært aggressiv mot foringene. Dette krever en stor varmefluks gjennom veggen, og reduksjon av varmetap er et av hovedproblemene ved reduksjon av energiforbruket.
Inerte anoder har høyere teoretisk energiforbruk enn karbonanoder (9,16 kWh/kg Al). Dette skyldes at en ikke lengre har hjelp fra den kjemiske energien i karbon. Det kan her skytes inn at denne energien utnyttes 100 prosent i Hall-Héroult prosessen, mens virkningsgraden er mye lavere i et varmekraftverk. Det er ikke noe som tilsier at det er enklere å redusere varmetapet fra celler med inerte anoder, slik at en må regne med ca. 3 kWh/kg Al høyere energiforbruk enn i dagens prosess. Ettersom kraftproduksjonen gir mye mer CO2 enn elektrolysen – dersom det ikke benyttes fornybar energi – vil det totale karbonavtrykket, kraftproduksjonen medregnet, kunne bli større med inerte anoder. Dette er illustrert i figur 1.
For aluminiumindustrien globalt er dessverre den langsiktige trenden at fornybar energi erstattes av kullkraft. Dette er vist i figur 2. Nå produseres over 60 prosent av verdens aluminium med kullkraft mens mindre enn 30 prosent er basert på vannkraft, og dette var omvendt for 3-4 tiår siden. Verdensproduksjonen av aluminium er også firedoblet siden 1980. Til sammen betyr dette at CO2-utslippet fra kraftproduksjon til aluminiumelektrolyse har økt med en størrelsesorden. Det kan derfor hevdes at CO2 fra kraftproduksjonen er det største miljøproblemet i verdens aluminiumproduksjon, men dette kan ikke løses av aluminiumindustrien alene.
Inerte anoder vs konvensjonell teknologi
Når en fremtidig utbygger eventuelt får valget mellom konvensjonell elektrolyseteknologi og inerte anoder, vil bare de beste teknologiene bli vurdert. Det er derfor også riktig å sammenligne potensialet til celler med inerte anoder med potensialet i Hall-Héroultprosessen, men dette gjøres ikke alltid. En må da også ta i betraktning at nye teknologielementer som er nødvendige for å realisere inerte anoder også vil kunne brukes i celler med karbonanoder. Bygging av et nytt aluminiumverk krever investeringer i multimilliardklassen. Det er ikke mulig å endre teknologien på kort sikt; en elektrolyseteknologi har gjerne en levetid på 50 år, men da med en del justeringer underveis.
Et argument for inerte anoder er at en unngår dannelse av perfluorokarbon (PFC, en gruppe svært kraftige klimagasser). PFC oppstår på karbonanoder når oksidinnholdet i elektrolytten blir for lavt. Inerte anoder krever at elektrolytten har mye høyere oksidinnhold enn i dagens prosess, for å unngå katastrofal korrosjon («autokannibalisme», anoden konsumerer seg selv). Høyt nok oksidinnhold er ikke mulig med dagens materteknologi. Dersom det lykkes å utvikle gode nok matere, vil disse også bli tatt i bruk i konvensjonell elektrolyseteknologi. Logisk sett betyr det at dersom det er mulig å drive en celle med inerte anoder, er det også mulig å eliminere all PFC fra dagens prosess.
Det er flere teknologielementer som må være på plass før elektrolyseteknologi med inerte anoder kan realiseres. Så vidt kjent finnes det ennå ikke et godt nok anodemateriale, og utfordringen med oksidmating er allerede nevnt. Det fulle potensialet til inert-teknologien kan bare realiseres dersom det benyttes vertikale elektroder. Det må da brukes et katodemateriale som fukter aluminium, slik at det dannes en film av metall som renner av. Titandiborid er en mulig (men kostbar) kandidat, men elektrolytten må modifiseres for å unngå utfelling av fast fluorid og oksid på grunn av spesielle forhold rundt katodereaksjonen. Det vil også være nødvendig å finne et inert materiale for sideveggene. Det siste kan også brukes i tradisjonelle celler, hvor det dag benyttes fryseforing.
Det er brukt flere milliarder kroner til utvikling av inerte anoder de siste tiårene. Flere ganger har det vært annonsert at løsningen er klar, og at elektrolyseanlegg vil bli bygd om kort tid. Etter min mening er det all grunn til å være skeptisk både til mulighetene for å finne gode nok materialer, og til at en ny prosess vil løse det egentlige problemet – et altfor stort utslipp av klimagasser knyttet til kraftproduksjon fra fossile energikilder. En foreløpig analyse viser at en modifisert Hall-Héroult prosess med CO2-rensing kan være et bedre alternativ [1].
Når dette er sagt; dersom de nødvendige teknologielementene kan utvikles, er det mulig å bygge et anlegg hvor anodefabrikken er eliminert, sammen med de arbeidsintensive prosessene relatert til utskifting av anoder. Cellene vil ha et mye lavere geometrisk «footprint» enn Hall-Héroult celler med samme kapasitet, noe som er et vesentlig økonomisk argument. Men det spesifikke energiforbruket må altså forventes å bli høyere, noen nødvendige teknologielementer er ennå ikke utviklet, og materialene er ikke på plass.
Arbeid med inerte anoder hos SINTEF og i verden
Det er i dag flere grupper som arbeider med inerte anoder. Det russiske selskapet RUSAL opererer i dag med pilotceller basert på metallanoder. Et kinesisk selskap har pilotceller med cermet-anoder (blanding av keram og metall). Elysis er et relativt nytt konsortium med Alcoa, Rio Tinto, Apple og kanadiske myndigheter, og de planlegger å bruke over en milliard kroner til utvikling av celleteknologi basert på inerte anoder. De hevder å ha en kommersiell prosess i 2024. I Europa driver Arctus Metals i Island med FoU angående inerte anoder. Vi er også kjent med andre initiativer innen EU.
SINTEF hadde for mange år siden et stort prosjekt med utvikling av inerte anoder sammen med en stor norsk aktør, men det er ingen aktivitet i dag. De teknologiske utfordringene er formidable. Vi kan muligens bli involvert i en eller flere av aktivitetene nevnt over dersom vi ser potensial for en løsning.
Det finnes også helt andre prosesser som kan bli konkurrenter til Hall-Héroult prosessen. Alcoa hadde i flere år en satsing på karbotermisk produksjon av aluminium sammen med Elkem, men dette prosjektet er nå lagt på is etter flere år med FoU innsats. Kloridprosessen, som ble utviklet av Alcoa på 1970- og 80-tallet, er også en mulig kandidat. Hvis man kan klorere oksidet til AlCl3 (dette synes å være flaskehalsen) og deretter utføre elektrolyse i en kloridbasert smelte, kan man teoretisk redusere energiforbruket. Konseptet er beskrevet i en annen forskningsblogg i regi av HighEFF.
(1) A. Solheim: Inert Anodes – The Blind Alley to Environmental Friendliness?, Light Metals 2018, 1253-1260.
Er det mulig å erstatte petrokoks med kortreist biocarbon i HH cellen?
(Det vil vel ikke hjelpe så mye på det totale utslippet av CO2 ved produksjon av aluminium).
Det har vært forsket en del på dette, men en har ikke klart å komme opp med en prosess hvor koksen blir tett nok. En for porøs koks vil gi dårlig elektrisk ledningsevne og være for reaktiv (gir økt forbruk ved Boudouard-reaksjon og luftavbrann). Det pågår for tiden arbeid med sikte på å erstatte bindemiddelet i anoden med biomateriale (det benyttes i dag bek basert på steinkull). Riktig som du sier at dette ikke vil bidra all verden i det totale CO2-regnskapet for aluminiumfremstilling, men alle monner drar!
Leste nettopp om status i forskingsfronten på fusjonsenergi, der det siden 1950 alltid har vært 30 år til industriell utrulling. For inerte anoder har jeg opplevd optimismen som litt større, typisk 20 år. Felles for begge er at kjemien og fysikken i selve «reaktoren» er vel forstått, men vi makter ikke å skille prosess og omgivelser.
Den gode nyheten er at når det inerte anodematerialet er utviklet, kjenner vi mest sannsynlig også løsningen på den inerte sideforingen !