Klimavenlig metalproduktion:Hvorfor er det svært?

De fleste ved, at metaller er lavet af malm, men hvordan laver vi guld af grus? Det er den proces, vi skal forstå for at kunne gøre metalindustrien klimavenlig. Her er nogle alternativer til CO₂ -fri metalproduktion.

For at opnå "det grønne skift" har verden brug for nye materialer, ikke mindst metaller. I dag er kulstof særligt populært i metalindustrien, fordi det har evnen til at fjerne ilt fra malmen, så vi kan få metallet ud. I den proces, CO₂ er dannet, den drivhusgas, som vi skal undgå i fremtiden. På nuværende tidspunkt er vi gået i gang med opgaven med at finde andre måder at udvinde metaller på, men hvilke alternativer har vi egentlig?

For at sikre en fremtid med udvikling af sol- og vindenergi, vejrbestandige veje og byer verden over, skal vi kunne lave metaller på en sikker, klimaneutral og ansvarlig måde. Selvfølgelig skal vi forbedre håndteringen, og genbrug eller genanvendelse af metalholdigt affald, men det vil ikke være nok. Hvis vi skal nå det grønne skifte, også globalt, har verden brug for nye metaller. I dag udleder metalindustrien drivhusgasser og i Norge står den for 10 % af den samlede CO₂ emissioner. Det haster derfor med at finde nye muligheder for mere klimavenlige alternativer til nuværende processer.

Tre nøgler til fremtidig metalproduktion

Figuren viser de stoffer, der har evnen til at fjerne ilt fra malme, disse kaldes reduktionsmidler. I nederste venstre hjørne af figuren ser vi kulstof, der i dag bruges til at omdanne næsten alle typer malm til metal. Historisk set har kulstoffet været trækul eller træ, men i moderne tid er det mest fossilt kul, der bruges. Organiske stoffer som træ og andre former for biocarbon er ikke rene former for kulstof, disse findes på linjen mellem kulstof og brint. Her finder vi også utraditionelle biologiske kulstofkilder såsom biogas.

Mange metalproducenter ser disse kulstofbaserede reduktionsmidler som de mest interessante reduktionsmidler, fordi de forventes at kunne tilpasse sig nuværende produktionsmetoder frem for at udvikle helt nye processer. Dog vil brugen af ​​alle kulstofholdige reduktionsmidler føre til dannelsen af ​​CO₂ . For at forhindre, at dette fører til en forøgelse af drivhuseffekten, skal man enten bruge CO₂ -neutrale kulstofkilder (f.eks. biocarbon) eller opfange og opbevare CO₂ fra udstødningsgasserne. Hvis vi formår at gøre begge dele på samme tid, kan vi have CO₂ -negative processer i fremtiden, som mange mener vil være nødvendige for at nå klimamålene. De såkaldte kulstofneutrale løsninger har dog også en forsinkelse, da det i gennemsnit tager 90 år for et nyt træ at vokse op og forbruge CO₂ udsendes. Det er for sent, hvis Paris-aftalens mål skal nås.

Et behov for enorme mængder kulstof

Det store spørgsmål vedrørende kulstof er, hvordan adgangen til biocarbon vil være i fremtiden. Derudover skal vi også tænke på påvirkningerne af biodiversiteten og andre vigtige miljøaspekter. Mængden af ​​kulstof, der er nødvendig inden for metalsektoren, er desværre enorme. Fra et langsigtet perspektiv er kulstof måske ikke engang den bedste mulighed, vi kan finde.

Kan energi erstatte reduktionsmidler?

I nederste højre hjørne af figuren har vi elektricitet. Mange ved, at aluminium for eksempel fremstilles ved elektrolyse. Derefter bruges elektricitet til at få ilten i malmen til at slippe metallet. Dagens elektrolyseteknologi ligger dog noget hen mod kulstofhjørnet af figuren, da der skal elektroder af kulstof til i elektrolysen. Kulstofelektroderne forbruges i processen, så man faktisk kombinerer virkningerne af elektricitet og kulstof. Hvis vi i fremtiden kan bruge andre typer elektroder, og så helst typer, der ikke bliver brugt op i processen, kunne metallet i teorien fremstilles med kun elektricitet som reduktionsmidler. I dag bruges store ressourcer verden over på at opfinde nye elektrodeløsninger til forskellige elektrolyseprocesser for forskellige metaller. Energioptimister forestiller sig en fremtid med store mængder vedvarende energi til rådighed, og hvis disse prognoser viser sig at holde stik, vil sådanne energikrævende processer blive endnu mere attraktive både set fra et økonomisk og miljømæssigt perspektiv.

Hvis vi ser nærmere på elektronhjørnet af figuren, ser vi, at der faktisk er en anden mulighed dér:plasma. Faktisk, hvis ubegrænsede mængder energi kunne bruges, ville det være muligt at fremstille metal uden andet reduktionsmiddel end ren energi. Men så kræves der en ekstrem mængde energi, og denne mulighed ville sandsynligvis kun være mulig i de mest optimistiske energiscenarier.

Meget interessant brint

I det øverste hjørne af figuren finder vi brint. Brint er særligt interessant af mange grunde, især da brint er let tilgængeligt, da det er et biprodukt fra flere forskellige industrielle processer. Desværre er det ikke muligt at bruge al den brint, der findes i dag, primært på grund af udfordringer i forhold til transport, opbevaring og sikkerhed. Brint kan også fremstilles af naturgas, biogas eller vand (via elektrolyse). Desværre har brint dog ikke evnen til at omdanne alle typer malme til metal, men måske er der måder at kombinere brint med andre reduktionsmidler for at gøre det mere potent?

Brint kan samarbejde

På trekantens højre kant er der et andet højenergialternativ:brintplasma. Her tilføres så meget energi, at brintatomerne er gået i opløsning. Hydrogenplasma er meget mere potent som reduktionsmiddel end almindelig brintgas og kan bruges på mange flere malme. Dette kræver mere energi end til gasreaktioner, men betydeligt mindre, end hvis plasma fremstilles af selve malmen. En anden fremtidig mulighed drejer sig om gaselektroder til elektrolyseprocesser. Her kan man forestille sig, at brintgas bruges som reduktionsmiddel i en elektrolysecelle.

En anden stærk kandidat til sådanne gaselektroder er metangas. En gas, der i dag lettest opnås fra naturgas, men som i fremtiden kan komme fra biologiske kilder, altså biogas. Metan kan enten være en måde at tilføje brint til en proces, eller det kan være et reduktionsmiddel i sig selv. Kombinationen af ​​brint og kulstof i metan gør dette til en meget interessant mulighed for at fremstille metal i fremtiden.

Andre gasser, der kan bruges til at tilsætte brint til processer, er ammoniak, der ligesom metan er mindre eksplosiv end ren brint og derfor lettere at transportere og opbevare. Men at bruge gas som reduktionsmiddel stiller store krav til omstrukturering af metalindustrien, hvor udvikling og investering af nye typer reaktorer vil være nødvendig.

Kan metaller lave metaller?

Vi skal også nævne, at mange metaller kan være et reduktionsmiddel for andre metaller, selvom det ikke er medtaget i figuren her. For eksempel kan aluminium være et reduktionsmiddel for mange andre metaller og for silicium. (Silicon bruges f.eks. i solceller og elektronik). Problemet med dette er dog, at du først skal producere aluminium, hvilket i øjeblikket ikke sker uden CO₂ emissioner. Denne kategori af metalproduktion vil derfor helt afhænge af, at vi indfører metoder både til at fremstille og genbruge de nye reduktionsmidler på en klimaneutral måde.

Hvorfor ikke genbruge kulstoffet?

Når vi taler om genbrug, så er genanvendelse af kulstof en slags "hellig gral". Det ville være en yderst interessant mulighed, da kulstof kan produceres uden fossile råstoffer. Samtidig vil genanvendelse bidrage til at reducere presset på biologiske kulstofkilder, såsom skove. Hvis vi kunne fange CO₂ fra udstødningsgassen og derefter spalte den i iltgas, som kan frigives, og en kulstofform, der kan sættes tilbage i ovne og/eller elektrolyseceller, ville det have været en meget attraktiv løsning.

Udfordringen er, at CO₂ er så utroligt stabilt, at der skal enorme mængder energi til for at dele det op. Mængden af ​​energi kan muligvis reduceres en smule ved at bruge højteknologiske katalysatorer, såsom ceriumholdige partikler eller biologiske organismer såsom alger eller bakterier.

Der er med andre ord mange forskellige alternativer, som alle har både fordele og ulemper. Der er dog god grund til at tro, at nogle af disse alternativer kan være nøglen til at realisere en klimaneutral metalindustri i fremtiden. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler en ny måde at beregne miljøpåvirkningen af ​​ammoniakproduktion