El papel de los ánodos inertes en la descarbonización del aluminio

Jun 07, 2023

Los ánodos inertes pueden desempeñar un papel clave en la eliminación de las emisiones de la producción primaria de aluminio.

Lingotes de aluminio Elysis, producidos mediante un nuevo e innovador proceso que utiliza ánodos inertes

Manzana

Después del acero, el aluminio es el segundo metal más utilizado en el mundo. El aluminio es increíblemente liviano, se puede moldear fácilmente, es altamente conductor de electricidad y resistente a la corrosión. Si bien es sinónimo de productos básicos cotidianos como las latas de refresco y los envoltorios de aluminio, no se aplica sólo a los bienes de consumo: también es fundamental para la transición a una economía de energía limpia como componente clave de la infraestructura de la red, las instalaciones solares, los componentes de las turbinas eólicas y la electricidad. vehículos. Al mismo tiempo, la producción de aluminio contribuye significativamente al cambio climático. La industria del aluminio es responsable del 2 por ciento de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero (GEI) y la demanda del material está creciendo significativamente. Sin intervención, un material necesario para la acción climática también será una barrera importante para el progreso climático.

Para resolver este enigma climático, será fundamental que el sector realice dos cambios complementarios: la electricidad utilizada para producir aluminio debe descarbonizarse y las fundiciones de aluminio deben implementar tecnología avanzada para reducir o eliminar las emisiones del proceso. Si bien la energía limpia puede eliminar las emisiones de la primera, las emisiones de los procesos son más difíciles de reducir. Los ánodos inertes son una tecnología prometedora que está bien preparada para afrontar este desafío. Sin inversiones en investigación, desarrollo e implementación de esta tecnología de vanguardia, estamos dejando sobre la mesa soluciones de reducción de carbono en un sector que las necesita con urgencia.

Para comprender el papel que pueden desempeñar los ánodos inertes en la descarbonización del aluminio, es importante comprender cómo se generan las emisiones de la producción de aluminio. Casi todas las emisiones del sector (96 por ciento) provienen primero de convertir el mineral de aluminio (conocido como bauxita) en alúmina (principalmente al quemar combustible en el sitio) y luego reducir esa alúmina a aluminio mediante electrólisis, un proceso que depende en gran medida de la electricidad. El proceso de electrólisis por sí solo representa casi el 80 por ciento de las emisiones de GEI del sector.

El proceso de electrólisis se ha utilizado desde finales del siglo XIX: se insertan ánodos de carbono en una mezcla de alúmina y una sal fundida llamada criolita, y se hace pasar una corriente eléctrica a través de los ánodos de carbono hacia la mezcla. Mediante este proceso, se elimina el oxígeno de la alúmina y se recombina con un ánodo de carbono para crear dióxido de carbono (CO2). Esto deja al aluminio puro como producto final.

Las emisiones del proceso de electrólisis son difíciles de eliminar porque esta expulsión de CO2 en el paso final es parte integral de la extracción de aluminio puro.

Además de las emisiones de CO2 de la reacción química, el ánodo de carbono también puede provocar la liberación de perfluoroquímicos (PFC). Los PFC se producen cuando el flúor de una sal utilizada en la electrólisis se combina con el carbono de los ánodos. Los PFC producidos durante la electrólisis son gases de efecto invernadero extremadamente potentes, con un potencial de calentamiento global de 6.500 y 9.200 veces la fuerza del CO2, respectivamente. En 2021, la planta de Century Aluminium en Sebree en Kentucky emitió 24 toneladas de PFC, equivalente a las emisiones de 40.000 automóviles. La enorme potencia de estos gases se suma a la necesidad de mitigar las emisiones de proceso derivadas de los ánodos de carbono.

Los ánodos inertes tienen el potencial de reducir o eliminar las emisiones del proceso de producción de aluminio. Los ánodos inertes pueden fabricarse a partir de una variedad de materiales y cumplen la misma función que el ánodo de carbono. Reemplazar los ánodos de carbono por ánodos inertes eliminaría las emisiones directas de CO2 de la fundición de aluminio y, en cambio, daría como resultado la emisión de oxígeno puro. Además, los ánodos inertes eliminarían el proceso que crea PFC durante la producción de aluminio.

Los ánodos inertes pueden reducir la contaminación del aire local. Además de los beneficios climáticos que ofrecen, los ánodos inertes también presentan una oportunidad para disminuir la contaminación por dióxido de azufre (SO2). Los ánodos de carbono se producen horneando coque y brea de alquitrán de hulla, ambos contienen azufre. El SO2 se produce durante la fundición cuando el oxígeno del aire reacciona con el azufre de los ánodos de carbono. Esta reacción no ocurre cuando se utilizan ánodos inertes, eliminando las emisiones de SO2 del proceso de fundición.

La mitigación de las emisiones de SO2 podría tener impactos significativos en la salud de la comunidad. Por ejemplo, la fundición Magnitude 7 Metals en Missouri contribuye a la reputación del condado por tener el “aire más sucio registrado en Estados Unidos”, con niveles de SO2 que casi triplican los estándares de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA). Otras instalaciones, como las instalaciones de Alcoa en Massena, Nueva York, están ubicadas en áreas de “no cumplimiento”, o áreas que no alcanzan ciertos estándares de calidad del aire establecidos por la EPA. Por lo tanto, el beneficio marginal para la salud de los ánodos inertes es particularmente alto en estas áreas.

A pesar de los beneficios para el clima y la salud de los ánodos inertes, una crítica a la tecnología es su impacto potencial en la red eléctrica. El requerimiento mínimo teórico de electricidad para la fundición con ánodo de carbono es de 5,99 kWh/kg Al, mientras que para los ánodos inertes es de 9,03 kWh/kg Al. El mayor consumo teórico de energía es un motivo válido para preocuparse por la fiabilidad de la red y la capacidad de satisfacer la demanda. Esta preocupación es especialmente relevante a medida que los formuladores de políticas trabajan para descarbonizar la red eléctrica y al mismo tiempo electrificar sectores como el transporte y los edificios.

Sin embargo, hay investigaciones que sugieren que los requisitos de energía reales, no teóricos, para los ánodos inertes serán iguales o inferiores a los de los procesos tradicionales de producción de aluminio. El uso de ánodos inertes permite una menor sobretensión del ánodo (la energía adicional necesaria para forzar una reacción), lo que en última instancia reduce la demanda de energía durante la electrólisis. Además, las distancias entre el ánodo y el cátodo se pueden reducir cuando se combinan ánodos inertes con cátodos humedecidos, lo que puede reducir el requerimiento de energía de la reacción de fundición.

Aunque todavía son precomerciales, los ánodos inertes están ganando cada vez más atención como tecnología comercialmente escalable para limpiar la producción de aluminio. Elysis, una empresa formada por Alcoa y Rio Tinto, produjo con éxito un lote de aluminio utilizando ánodos inertes a finales de 2019 en una instalación de investigación. Desde entonces, la empresa instaló su tecnología en una planta de Rio Tinto en Quebec, con el apoyo del gobierno federal canadiense. En su lanzamiento, se esperaba que el proyecto mitigara 6,5 ​​millones de toneladas métricas de emisiones de gases de efecto invernadero, creara más de 1.000 puestos de trabajo y redujera los costos operativos en más del 15 por ciento.

Con un proyecto piloto ya en marcha en Canadá y cifras climáticas, sanitarias y económicas convincentes, existen argumentos sólidos para expandir la tecnología a plantas en Estados Unidos, que ahora cuenta con las herramientas políticas para que esto suceda. El Programa de Demostraciones Industriales del Departamento de Energía de EE.UU., valorado en 6.300 millones de dólares, está diseñado específicamente para facilitar el despliegue temprano de tecnologías como los ánodos inertes.

A medida que Estados Unidos emprende un camino ambicioso hacia la descarbonización de toda la economía, el aluminio puede marcar un camino para otros sectores industriales en busca de una rápida reducción de emisiones, y los ánodos inertes pueden ayudar a allanar el camino.