Pål Runde (til v.) og Harry Salvesen inne i Elkems forskningsstasjon. Her har det vært prøveproduksjon av karbotermisk aluminum. Forsøkene skal fortsette parallelt med piloten som bygges på Lista. (Bilde: CAMILLA AADLAND)

Tetter energisluk med ny teknologi

  • Industri

Karbotermisk produksjon

  • Den karbotermiske prosessen foregår ved mer enn 2 000 grader. Med bruk av karbon som reduksjonsmiddel fjernes oksygenet fra aluminiumoksid ved at det bindes til kullet. Resultatet er at aluminiumet blir igjen i reaktoren. Den lukkede prosessen gir mindre forurensing, blant annet ingen fluorutslipp. Røykgassene består hovedsakelig av partikler og CO.
  • CO-gassen som dannes som biprodukt i prosessen kan nyttiggjøres i flere kjemiske prosesser. Dette gjør at det er et potensial for å skape en utslippsfri aluminiumsproduksjon.
  • Karbotermisk produksjon skal gi lavere investeringskostnader, lavere driftskostnader og mindre plassbehov.
  • Det har vært forsket på realisering av en karbotermisk produksjonsprosess for aluminium siden 1950-tallet, men ingen har klart å løse utfordringen.
  • De teknologiske utfordringene har spesielt vært knyttet til den høye driftstemperaturen og gjenvinning av aluminiumholdig gass.
  • Det karbotermiske utviklingsarbeidet har foregått i tett samarbeid mellom Elkem og Alcoa gjennom 10 år, hovedsakelig ved Elkem Fiskaa Teknologipark i Kristiansand.

Kilde: Enova

Elektrolyse

  • Aluminiumoksid er den viktigste råvaren som i dag brukes i produksjon av aluminium. Det raffineres fra bauksitt. Det går med to kg aluminiumoksid til å produsere ett kg aluminium.
  • Primæraluminium produseres ved hjelp av en elektrolyseprosess, som oppstår ved spalting av kjemiske forbindelser ved hjelp av likestrøm.
  • I prosessen benyttes en såkalt anode, som består av petroleumskoks og bek, som bakes i temperaturer opp til 1250 grader.

Kristiansand: Snøen ligger tungt over Elkems store fabrikkområde i Kristiansand. Her holder Elkems forskningsavdeling til, den samme som har utviklet både Søderberg-teknologien og Elkem Solar. Nå håper forskerne på å revolusjonere aluminiumsproduksjonen, selv om Elkem for lengst har solgt sine aluminiumsverk til Alcoa.

– Energiforbedring er den store driveren. Målet er å produsere aluminium ved mindre bruk av energi, sier teknisk ansvarlig for Elkem og Alcoas karbotermiske prosjekt, Pål Runde.

1,2 millioner tonn aluminium ble produsert i Norge i 2008, noe som krevde 18 TWh energi. På verdensbasis ble det produsert 35 millioner tonn, noe som krevde 525 TWh energi. Lykkes forskerne å få ned energibruken er miljøgevinsten stor.





Mange har prøvd

Det var Alcoa som i 1998 tok initiativet til et prosjekt for å utvikle karbotermisk produksjon av aluminium. Fremstillingsmåten har vært en drøm for forskere i hundre år, men så langt har ingen lykkes i å få det til i stor skala.

Alcoa endte opp med å velge Elkem som samarbeidspartner.

– Mange har prøvd seg med karbotermisk produksjon, men forsøkene har strandet av forskjellige grunner. Noen har manglet økonomisk stayerevne, andre var for tidlig ute og manglet nødvendig teknologi, sier prosjektleder Harry Salvesen i Elkem.

FORSKNING: Harry Salvesen (til v.) og Pål Runde ved renseanlegget inne på Elkems forskningsstasjon. Her blir også karbotermisk produksjon av aluminium testet ut. CAMILLA AADLAND

Store fordeler

Fordelene ved karbotermisk produksjon er mange:

Mindre energibruk, mindre plasskrevende smelteverk og et stort potensial for reduksjon av klimagassutslipp.

Mindre energibruk, mindre plasskrevende smelteverk og et stort potensial for reduksjon av klimagassutslipp. Her er en av forsøksreaktorene for karbotermisk produksjon. Den er nå demontert og videreutviklet og vil bli satt opp igjen til sommeren. ELKEM

Men produksjonsformen krever en helt ny tankegang og helt nytt utstyr. Tradisjonell smelteovnstekologi fungerer ikke, ettersom karbotermisk produksjon krever over dobbelt så høy temperatur som dagens produksjonsmåte.

– Å utvikle en prosess som dette tar mange år, det gjøres ikke over natten, sier Salvesen.

Etter 10 års arbeid, ble det i fjor gitt klarsignal for bygging av en fullskala pilot. Den skal bygges ved Alcoas verk på Lista og skal etter planen stå ferdig i løpet av første kvartal i 2012. Elkems forskere skal fremdeles være med, selv om Elkem ikke lenger produserer aluminium.

– Elkem var klar på at vi ønsket å fortsette samarbeidet. Det var også et sterkt ønske fra Alcoa om at Elkem skulle være med. Vi kommer ikke i mål om vi ikke gjør dette sammen. Prosjektet er avhengig av forskningsmiljøet i Kristiansand, sier Salvesen.

Forskernes erfaring med andre høytemperaturprosesser er nemlig gull verdt for prosjektet, selv om den karbotermiske prosessen for produksjon av aluminium er spesielt utfordrende å utvikle.

TÅLMODIGHET: Pål Runde (til v.) og Harry Salvesen har stor tro på karbotermisk produksjon av aluminium. Men de er klar over at det er viktig å være tålmodig. CAMILLA AADLAND

Mindre areal

Totalt jobber ca 25 personer med prosjektet, fordelt mellom Lista, Kristiansand og Pittsburgh. Så langt har de kjørt 3-4 store forsøk i året, med kontinuerlig produksjon av karbotermisk aluminium. Da jobber 70-80 personer med forsøket og doktorander jobber side om side med operatørene. Forsøkene har vist at det er fullt mulig å lage karbotermisk aluminium ved hjelp av den nye teknologien, men det mangler ikke på utfordringer:

– Aluminium flyter i stedet for å synke til bunn, det kreves en temperatur på over 2000 grader, det er en komplisert kjemisk prosess og det kreves et eget rensetrinn til slutt. Dermed er vanlige smelteovner ikke egnet og vi holder på å utvikle neste generasjons ovns- og reaktorteknologi, sier Runde.

Med karbotermisk produksjon unngår man de lange hallene med elektrolyseovner som er vanlig i dag. I stedet kan man bygge mer kompakte, tradisjonelle smelteverk som tar mye mindre plass. Aluminiumsproduksjonen kan også lettere plasseres i nærheten av fabrikker med behov for varen.

– Fordelen er at det ikke vil være nødvendig med store verk. I dag bør nye verk være på over 500 000 tonn aluminium for å kunne drives kommersielt, sier Salvesen.





Krevende finansiering

Pilotanlegget vil koste rundt 250 millioner kroner. Det har ikke vært enkelt å få det offentlige med på å finansiere prosjektet.

– Vi har jobbet mye med Innovasjon Norge og har fått et tilsagn på finansiering på 30 millioner kroner i form av lån. Men det vil vi trolig si nei til, for betingelsene er for dårlige, sier Salvesen.

– Av forskjellige grunner faller denne type prosjekter utenfor eksisterende støtteordninger, det finnes ingen ordninger som passer, sier Runde.

De er begge glade for at Enova bidrar med 35 millioner kroner, men de skulle ønske det var rom for å støtte større miljøteknologiprosjekter.

– Forum for miljøteknologi jobber for å få nye ordninger for å støtte prosjekter som handler om å forbedre produksjon, som igjen vil gi en miljøbedring. I dag finnes det ikke slike ordninger, sier Salvesen.

FORSKERE: Johannes Aalbu, forskningsdirektør i Hydro, og prosjektleder Asgeir Bardal har jobbet med HAL4e siden 2004. Nå er de klar til å industrialisere smelteovnen. Trond Gram

Hydro kommer med HAL4

Også i Hydro går det enorme beløp når selskapet planlegger smelteverkteknologi for det neste tiåret. Ved Hydro sitt teknologisenter i Årdal har de i årevis jobbet med forsøksprosjektet HAL4e, en smelteovn som skal gi lavere CO2-utslipp, mindre strømkostnader og lavere etableringskostnader.

– Vi startet byggingen av den nye smeltehallen Sunndal 4 på Sunndalsøra for en del år siden. Det var det største landbaserte prosjektet i Norge etter OL, forteller Johannes Aalbu, leder for Hydros teknologidivisjon.

Der installerte selskapet sin egenutviklede elektrolyseteknologi HAL250, som i Hydros nyåpnede smelteverket Qatalum i Qatar har blitt videreført som HAL300 med høyere strøm enn i Sunndal.

– Mens vi holdt på med disse prosjektene så vi at det var nødvendig å ta frem neste generasjons elektrolyseteknologi. Nå har vi brukt 250 til 300 millioner kroner på å lage prototyper for HAL4e, sier Aalbu.

Dagens elektrolyseceller for framstilling av aluminium kjører på 200-300 kiloampere (kA). HAL4e kjører på opptil 426 kA. Vanlig energimengde til å produsere en kilo aluminium er om lag 14,5 kWh, mens målet for HAL4e er mindre enn 12,9 kWh per kilo aluminium.

– Dette er smelteovner som i dag kjøres på 426 kA, som er et veldig løft, og gir en produktivitetsøkning på 40 prosent i forhold til HAL250. Vi har lagd den elektrolyseovnen i verden med størst ytelse. Nå er vi klar til å ta dette i bruk industrielt, forteller Johannes Aalbu.





Samarbeid med NTNU

Han mener det gode materialtekniske miljøet i Norge, et godt samarbeid med NTNU og SINTEF, og hjelp fra Institutt for energiteknikk til å løse komplekse matematiske stabilitetsproblemer skal ha mye av æren for at Hydro har kommet så langt som de har gjort med HAL4e.

Miljøforbedringene i HAL4e er knyttet til karbonutslipp og utslipp av fluorider, mens energisparing er knyttet til nye designløsninger i cellene. Dette er teknologi som Hydro-forskerne jobber videre med. Snart skal neste generasjons smelteovn på tegnebrettet.

– Med HAL Ultra ser vi på hva elektrolysen må yte, og hvilke parametre den må ha for at vi som industri skal overleve. Vi er opptatt av to ting. Energiforbruk og CO2-fotavtrykk, sier Aalbu.

HAL4: Dette er Hydros smelteovner som kjøres på 426 kA og som gir en produktivitetsøkning på 40 prosent i forhold til HAL250. HYDRO

CO2-fri smelteteknologi

Han viser til at selve smelteprosessen frigjør karbon som går over til CO2. Hydro ønsker å finne ut om det er mulig å fange denne gassen.

– Vi ønsker å senke vårt CO2-fotavtrykk. Det gjør vi på to måter, med lavere energiforbruk og å utvikle en fangstmetodikk som gjør at vi fra elektrolyseprosessen kan gjøre CO2-fangst mulig. Det har ikke blitt gjort tidligere. Vi har laget en prototyp på det som vi nå tester ut, sier Aalbu.

Også dette ønsker Hydro å få med seg kompetansemiljøene på NTNU og hos Sintef på, samtidig som selskapet har snakket med Forskningsrådet om finansiering.

– Det er to grunner til at vi gjør det. Vi vil løse problemer for industrien, men også ta vare på kompetansemiljøer. Det er herfra vi får våre forskere og ledere fra, sier han.