OFFENSIVT MÅL: Mellom bratte fjell innerst i Sognefjorden forsker Hydro på aluminiumsceller som skal bruke mindre energi. Målet er å komme helt ned på 10 kWh per kilo aluminium. (Bilde: Hydro/Øyvind Breivik)

Hydro må tenke helt nytt

  • Kraft

Aluminium

Til tross for at aluminium utgjør over åtte prosent av jordskorpa, ble ikke selve grunnmetallet framstilt før dansken H.C. Ørsted fant en metode som var kommersielt anvendbar i 1824. Men på grunn av at aluminium forekommer i svært stabile oksygenbindinger, var produksjonen av metallet komplisert og kostbar. Derfor var aluminium dyrere enn gull gjennom store deler av 1800-tallet. Gjennombruddet kom i 1885 da smelteelektrolyseprosessen ble oppfunnet. Det er fortsatt grunnprinsippene fra denne metoden, den såkalte Hall-Héroult-prosessen, som benyttes i moderne aluminiumproduksjon i dag. Metoden baserer seg på at store mengder strøm kjøres gjennom en elektrolyse som er kraftig nok til å løse opp den kjemiske bindingen mellom oksygen og aluminium i råstoffet aluminiumoksid. Fremstillingen av primæraluminium er energikrevende, men når aluminium først har blitt produsert kan det gjenvinnes uendelig mange ganger uten å miste sine egenskaper, ved bruk av kun fem prosent av den energien som var nødvendig for å fremstille primærmetallet.

Kilde: Hydro

Hydro

Hydro har 23.000 ansatte i mer enn 40 land, vel 4.000 av dem i Norge.

Selskapet produserte 1.415.000 tonn primæraluminium i 2010, 767.000 tonn av dette i Norge.

Dette utgjorde om lag 70 prosent av Norges totale aluminiumsproduksjon.

Til sammen brukte selskapet 19 TWh kraft til produksjon av primæraluminium i 2010, hvorav litt over halvparten i Norge.

Kilde: Hydro

Innerst i Sognefjorden, omgitt av stupbratte fjell, ligger Årdal. Her utvikler og tester Hydro aluminiumscellene selskapet skal bruke i fremtiden.

– Verdensledende

Siden 2008 har seks såkalte Hal 4e-celler vært i drift i Årdal. Hydro er svært fornøyd med resultatet.

– I to år har vi hatt et konsistent energiforbruk på 12,5 kWh per kilo, noe som er verdensledende, sier Asgeir Bardal, som er ansvarlig for Hydros HAL4e industrialiseringsprogram.





Framgang

Det har med andre ord gått fremover siden man for hundre år siden trengte hele 40 kWh for å fremstille et kilo aluminium. I dag ligger mange aluminiumsprodusenter på rundt 14,5 kWh/kilo.

Hydro ønsker ikke at for mye detaljer om cellene, som til sammen kostet 300 millioner kroner, skal bli kjent. I alle fall får ikke Teknisk Ukeblad lov til å ta bilde av cellene annet enn på avstand.

Men målene er ikke hemmelige.

BESKYTTER HEMMELIGHETER: Teknisk Ukeblad må holde seg bak sperrebåndet når vi tar bilder av Hydros Hal 4e-celler i Årdal. Etterpå får vi grundig omvisning på nært hold, men uten kamera. Og leder av driftsorganisasjonen på Hydros referansesenter i Årdal, Marit Stangeland Aalbu, forteller mer enn gjerne om utprøvingen cellene. Øyvind Lie

Magneter

De er 16 meter lange og fire meter brede, og inne i cellene er det om lag 20 cm flytende metall (til sammen 30 tonn) som holder 960 grader.

Metallet settes i bevegelse av magnetkreftene. Hvordan dette kontrolleres, er helt essensielt. Akkurat der hvor elektrolyseprosessen foregår, er det et tynt sjikt på bare om lag 3 cm.

– Hvis du får bølgebevegelser i metallet, får man fort forstyrrelser og dårlig effektivitet, sier Bardal.

Les også: Smelter nabohjertene med fjernvarme

Økt strømstyrke

Strømstyrken i cellene er økt fra ca. 300 kiloampere på dagens celler til over 400. I det siste har den ligget på 426 kiloampere.

Men økningen kommer rett og slett av at cellene er større enn før, for strømtettheten er omtrent den samme.

– Den økte størrelsen gir bedre produktivitet. Det blir mye billigere å bygge en elektrolyseserie med store celler enn med små. Her er det snakk om storskalaeffekter. Det blir også mye billigere drift fordi man med samme bemanning og samme antall celler får større produksjon, sier Bardal.





Utfordringer

Han sier at produktivitetsøkningen per celle har økt med hele 40 prosent sammenlignet med det beste selskapet har hatt før. Men størrelsen har gitt utfordringer.

– Her er det store konstruksjoner, store varmebelastninger og et sterkt magnetfelt som gir interessante fysikkutfordringer. Når man tar et så stort sprang som fra 300 kiloampere til opp mot 450, beveger du deg i ytterkant av hva modellene er verifisert for. Man beveger seg fra kjent til ukjent og mangler erfaringsdata, sier Bardal.

Temperaturen på nesten 1000 grader kan være krevende.

– Elektrolytten er veldig korrosiv. Vi må sikre at vi har en størkningssone mellom den korrosive, flytende elektrolytten på 1000 grader og stålkassen som det er inne i, slik at det ikke tæres hull på hele ovnen. Man må balansere slik at man har akkurat passe mye størknet elektrolytt langs veggen der det hele foregår, sier Bardal.

Les også: Vil ha strengere krav til energieffektivisering

Forskningsdirektør i Hydro, Johannes Aalbu. I Årdal.
MÅ TENKE NYTT: Forskningsdirektør Johannes Aalbu sier Hydro og deres samarbeidspartnere må tenke helt nytt for å nå energimålet på 10 kWh per kilo aluminium. FOTO: Hydro/Øyvind Breivik Hydro/Øyvind Breivik

Testes grundig

Det er mange hensyn å ta.

– Man har både de termiske, magnetiske, elektriske og mekaniske effektene koblet til hverandre, noe som gjøre det krevende å modellere. Derfor er det helt nødvendig å demonstrere med virkelige celler over lang tid, slik at man vet at cellene får lang nok levealder. Nå har vi hatt nesten tre og et halvt års drift, og vi kjører et industrialiseringsprogram hvor validering av teknologien er viktig. Der tenker vi oppskalering, hvordan vi kan bygge billig i stor skala, sier Bardal.





Verdifulle modeller

Han mener modellene Hydro bruker er i verdensklasse.

– I Kina bygger de veldig mye og kan i litt større grad tillate seg å prøve og feile. Modellene deres er nok ikke blitt utviklet over like lang tid som våre.

– Hvor hemmelige er disse modellene?

– Dette beskytter vi, det er veldig inhouse. Modellene er kjernen for at vi kan gjøre det vi gjør. Vi samarbeider med IFE og SINTEF/NTNU under gode konfidensialitetsregimer, sier Bardal.

Hal 4e-cellene skal bli billigere å produsere, tåle mye og skal kunne bygges hvor som helst i verden. Det er ennå uklart hvor det vil skje.

Små marginer

Hvordan man tror strømprisen vil utvikle seg de neste tiårene, er en viktig faktor.

Strømkostnaden utgjør hele 30 prosent av kostnaden ved aluminiumsproduksjon, og da blir fort noen øre fra eller til per kilowatt veldig viktig for lønnsomheten.

– Vi som jobber her, ønsker at de nye cellene blir bygget i Norge. Men det vet vi jo ikke, sier Marit Stangeland Aalbu. Hun leder driftsorganisasjonen på Hydros referansesenter i Årdal.

Les også: SV vil gi gratis enøk-hjelp

Vil ha skattelette for strømsparing

Telefoner om natta

Til sammen jobber 22 personer med å drive de seks Hal 4e-enhetene, som går døgnet rundt. Alle har fagbrev i prosesskjemi.

– Det er mye plunder og heft med prototyper. Både når vi har det på tegnebrettet og når vi bygger det ut, ser det utrolig flott ut. Men når vi overlater det til operatørene som skal drifte det døgnet rundt, har det hendt at vi får en telefon om natta noen ganger, ler forskningsdirektør i Hydro, Johannes Aalbu.

– Men vi tror også at det er derfor Hydros ingeniører blir så gode, at de blir ringt til klokka to om natta når noe ikke funker. Da må de jo ut for å hjelpe til, og tilbake på tegnebrettet dagen etter for å se hva de har gjort feil. Dermed blir det en veldig god og tett dialog og raske løsninger på problemer. For en har jo ikke lyst til å bli vekket klokka to hver natt, sier Aalbu.





Robotarmer

Han understreker at modeller bare er en grov tilnærming av virkeligheten.

– Så vi må gjøre nye forsøk og sammenligne og korrigere. Vi vil ha så flinke ingeniører at de skjønner de fundamentale prinsipper, sier Aalbu.

– Kan man komme så langt at det ikke trengs operatører i det hele tatt?

– Ja, det kan godt hende. Men da vil det bli mer kraner etc. Og det har ofte vært et problem på grunn av magnetfeltene og støv og varme. Men nå har vi et program med NTNU som heter NextGenRob, hvor vi ser på robotarmer i omgivelser med varme og støv og magnetfelt, sier Aalbu.

HALVPARTEN I NORGE: Hydro produserte 1415000 tonn primæraluminium i 2010, 767000 tonn av dette i Norge. Øyvind Lie

Kraftige magneter

Strømmen lager svært kraftige magnetfelt, noe Teknisk Ukeblads journalist fikk merke ved at halvparten av bildene tatt inne i produksjonshallen ble uskarpe fordi magnetfeltet forstyrret kameraets autofokus.

Aalbu sier de har laget prosesstyringsalgoritmer som er unike for Hydro.

Til det har de samarbeidet med ledende teknologiske miljø i Norge som IFE, SINTEF og Cybernetica.

– Vi kjører en matematisk modell parallelt med cellen. Operatørene kan gå inn og hente data fra modellen, ikke bare fra cella, og sammenligne. Når de får tillit til modellen, kan de bruke det til å hjelpe seg til å finne ut konsekvensene av mulige valg. Her er vi helt i front, sier Aalbu.

– Nå er jobben å få det over fra prototyp til større skala, og gjøre det så robust at operatørene tør å bruke det.





Revurderer gamle sannheter

Hydro bruker 550 millioner kroner i året på forskning og utvikling. Nå vil Hydro ta neste forskningsmessige skritt, med prosjektet Hal Ultra. Visjonen er at energiforbruket skal helt ned mot 10 kWh/kilo aluminium.

– Teoretisk er det mulig, men det er ingen som tror det er mulig å gjennomføre i praksis. Det gir imidlertid en veldig inspirasjon når vi går til universitetene og snakker med studenter og professorer om de har lyst til å være med på reisen som Hydro ønsker å legge ut på. Dette er kjempeviktig for rekruttering og teknologiutvikling, sier Johannes Aalbu.

Men for å nå målet, må Hydro og deres samarbeidspartnere stille spørsmål ved etablerte sannheter.

– Vårt neste teknologiskritt er å utfordre om denne konstruksjonen sånn som den er laget er fornuftig lenger. Den har gjennom nesten 50 år sett sånn ut. Vi skal prøve å tenke helt nytt, for å fange mest mulig varme. Det gjelder å bruke minst mulig av de dyre materialene for å isolere.

– Hvordan skal den da se ut? Dobbelt så høy?

– Kanskje, sier Aalbu hemmelighetsfullt.