Metal Dünyası

Giriş
Alüminyum ile ilgili toplantılarda, gerek sanayi gerekse akademiden gelen ilgililerin sıkça tartıştığı konulardan bir tanesi de: “Türkiye şu kadar milyar dolar cari açık veriyor, Toroslar’da dağ taş boksit cevheri, neden birincil alüminyum üretmiyoruz?” 

Teorik olarak bu sorunun sorulmasının haklı gerekçeleri var. Ekim 2019’da gerçekleşen, Uluslararası Alüminyum Sempozyumu’nda, TALSAD Genel Sekreteri Sayın Erol Metin, ulusal alüminyum sanayine ilişkin önemli verileri paylaştı:

•   2005-2018 yılları arasında, dünya alüminyum tüketimi yılda yaklaşık olarak % 4.4 oranında büyürken, biz de bu oran %7.8,
•   Almanya’da kişi başına alüminyum tüketimi yılda 44,9 kg iken biz de 12.6 kg,
•   2017 yılında 1.6 milyon ton alüminyum ithal etmişiz ve bunun yaklaşık 1.1 milyon tonu hammadde olarak kullanılmak üzere işlenmemiş yani alüminyum külçe,
•   Dünyanın 7. büyük alüminyum ithalatçısıyız ithalata ödediğimiz para ise yaklaşık 3.87 milyar dolar.

Birincil Alüminyum Üretim Teknolojileri
Bilindiği gibi, geleneksel birincil alüminyum üretimi, birbirinden bağımsız üç süreçten oluşur:

1. Boksit madenciliği

2. Boksit cevherlerinden Bayer Prosesi ile alümina üretimi,

3. Alüminadan “Ergimiş Tuz Elektrolizi (Hall-Herault Prosesi)” ile metalik alüminyum üretimi,

Özellikle ergimiş tuz elektrolizi aşaması “enerji yoğun” bir aşamadır. Alüminyum ergimiş tuz elektrolizi, alüminanın, elektrik akımı altında ergimiş kriyolit banyosu içinde çözünerek, alüminyum ve oksijene de-iyonize olma prosesidir. Elde edilen pozitif yüklü alüminyum iyonları, negatif elektrot olarak davranan katotta, negatif yüklü oksijen iyonları ise pozitif elektrot olarak davranan anotta toplanarak, anot karbonu ile reaksiyona girerler ve CO2 oluşturarak sistemi terk ederler. Bu nedenle anot sürekli olarak tüketilir ve belirli periyotlarda yeniden beslenmesi (Söderberg hücrelerde) ya da yenilenmesi (ön-pişirilmiş hücrelerde) gereklidir.

Elektroliz olayının çerçevesi aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Suyun (daha doğrusu Hidrojenin) bulunmadığı bir ortamda karbon esaslı hazne-katot ve yine karbon esaslı anot arasında düşük voltaj ve yüksek akım şiddetinde bir elektrik arkı oluşturup bir yandan şarjı sıvı tutarken diğer yandan da elektrokimyasal iş yapmak...

Böylece reaksiyon ortamını hem elektroliz hücresi hem de doğru akım ark ocağı olarak kullanmak... (İ.Duman, II. Alüminyum Sempozyumu Açılış Sunusu)

Birincil Alüminyum Üretim Teknolojilerinde Yaşanan Gelişmeler
Günümüz dünyasında, ticari boyutta birincil alüminyum üretiminin tamamı “ergimiş tuz elektrolizi” yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Dünyanın önemli birincil alüminyum üreticilerinden olan HYDRO, 2018 yılında, pilot birincil alüminyum tesisi olarak kullandığı Norveç’deki Karmoy tesisinde, dünyanın en yüksek enerji verimine sahip elektroliz hücreleri ile birincil alüminyum ürettiğini duyurdu. Piot tesiste yaklaşık 445 kA akım şiddetine sahip, 60 adet elektroliz hücresi bulunmakta ve yıllık üretim kapasitesi 75,000 ton. 60 elektroliz hücresinden 48 tanesinde HAL4e adı verilen teknoloji ile 12.3 kWsaat/kg alüminyum ve 12 tanesinde Hal4e Ultra Technology adı verilen teknoloji ile de 11.5-11.8 kWsaat/kg alüminyum elektrik enerjisi tüketim değerlerine ulaşıldı. Enerji verimliliğine -ve dolayısıyla düşük karbon salınımına-ilişkin çalışmalar Rio Tinto-Alcan, Rusal, ve Çinli SAMI ve NEUI tarafından da sürdürülmektedir.

Hall-Heroult yöntemi olarak da bilinen elektroliz yoluyla alüminyum üretim prosesi yerine, alternatif yöntemler üzerinde uzun süreden beri çalışılmaktadır. Bu alternatif proseslerin başında ise ”inert anot” ve “alüminadan alüminyum klorür üretimi ve alüminyum klorür elektrolizi” gelmektedir.

Mayıs 2018’de Kanada Hükümeti’nin desteği ile inert anot projesinin endüstriyel ölçekte kullanıma geçmesi, yani ticarileşmesi için Amerikan birincil alüminyum üreticisi ALCOA (Aluminum Company of America), Rio Tinto (Eski ALCAN-Aluminum Company of Canada) ve ELYSIS bir ortak girişim oluşturdu ve iki aşamalı olarak gerçekleştirilmesi planlanan projenin bütçesi 558 milyon Kanada Doları (yaklaşık 435 milyon Amerikan Doları) olarak deklare edildi. Proje geleneksel birincil alüminyum üretiminde oluşan bütün sera gazı salınımlarını ortadan kaldıran ve bunun yerine oksijen üreten –evet yazım hatası değil, “oksijen üreten”- ve birincil alüminyum üretim teknolojisinde bir “devrim” ve aynı zamanda küresel iklim değişimi ile mücadele için kararlı bir adım olarak tanıtıldı. Aralık 2019’da ise inert anot teknolojisi ile üretilen ilk alüminyum, projenin bir diğer partneri olan Apple tarafından satın alındı. 

Ancak inert anot teknolojisinin, endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğine ilişkin çok fazla soru var. Öncelikle, inert anot malzemesi olarak hangi malzemenin kullanıldığı henüz açıklanmadı ve bu malzemenin bulunabilirliği ve maliyeti bilinmemekte, ancak inert anot teknolojisi ile metalik alüminyum üretiminin, karbon anot teknolojisi ile metalik alüminyum üretimine göre daha fazla elektrik enerjisine ihtiyaç duyduğu bilinmekte. Yapılan son tartışmalar-özellikle çevre ve sürdürülebilirlik bağlamında- ergimiş tuz elektrolizi için gereken elektrik enerjisinin yenilenebilir kaynaklardan sağlanması durumunda ve ergimiş tuz elektrolizi proseslerinde yaşanan iyileştirmeler de dikkate alındığında, inert anot teknolojisinin Hall-Herault yöntemine, endüstriyel boyutta bir alternatif olmasının zor olduğunu gösteriyor.

Diğer alternatif proses ise, Bayer Prosesi ile üretilen alüminadan alüminyum klorür ve alüminyum klorür elektrolizi ile metalik alüminyum üretimi. Prosesi ilginç kılan nokta, alüminadan alüminyum klorüre geçiş sırasında ihtiyaç duyulan karbonun ve klorürün, sistem içerisinde sürekli geri dönüştürülmesi. Ancak MgCl2’ün elektrolizi ile metalik magnezyum teknolojisinde yaşanan çevresel sorunlar ve elektroliz ile üretilen magnezyum kalitesinin başta otomotiv endüstrisi olmak üzere, kullanıcıların teknik taleplerine kalite anlamında yanıt verememesi ve AlCl3 tuzlarının elektroliz koşullarındaki davranışları, bu alternatif yöntemin uygulanabilirliğini sınırlamaktadır.

Ve Türkiye:
 

Birincil alüminyum üretimi için gerekli olan 3 temel girdi:

•   Alümina ya da alümina üretmek için boksit cevheri,
•   Elektrik enerjisi,
•   Anot üretimi için petro-kok olarak sıralanabilir.

Boksit:
Teorik olarak bakıldığında, Türkiye’de bilinen alüminyum kaynaklarını boksit ve diasporit, zımparataşı ve Orta Anadolu’da varlığı bilinen, ancak üzerinde ciddi araştırma yapılmamış Nefelin ve Siyenit yatakları oluşturmaktadır. 

MTA’nın Aralık 2018’de hazırladığı (ya da güncellediği) bir rapora göre, ülkemizde görünür + muhtemel + mümkün toplam boksit rezervi 422 milyon ton ve işletilebilir rezerv ise 63 milyon ton olarak verilmiştir. En büyük rezerv ise Konya Seydişehir ve Antalya Akseki bölgesindedir ve 36.5 milyon ton rezervin 31 milyon tonu işletilebilir rezervdir.

Türkiye’de görünür 57 milyon ton, muhtemel 365 milyon ton olmak üzere toplam 422 milyon ton boksit potansiyeli olmasına karşın böhmitik karakterli boksit toplamı 36 milyon tondur. Yani bu kaynaklar ile ve günümüz teknolojisinde Türkiye ‘de sadece 10 milyon ton alüminyum üretebilecek, ekonomik ve işlenebilir boksit vardır. Türkiye dünya boksit potansiyelinin %1’ine, ancak işletilebilir boksit potansiyeli sadece % 0.2’sine sahiptir.

Bilindiği üzere boksit cevherlerinden alümina üretimi için uygulanan Bayer Prosesi üç aşamalı prosesdir:

• Çözümlendirme: Boksit içindeki aluminyumoksit, diğer yabancı maddelerden ayırabilmek için önce kostik soda çözeltisi ile liç edilir. Bu sırada çözelti içinde çözünemeyen maddeler filtrasyon ile dışarı atılır.
   
• Çöktürme: Çözelti içinden alüminyum hidroksit çöktürülür, yıkanır ve kurutulur, bu sırada ayrılan kostik çözeltisi, yeniden kullanılmak üzere sisteme geri beslenir.
   
• Kalsinasyon: Alüminyumhidroksit çözeltisi kalsine edilerek, ince taneli ve beyaz renkli alüminyumoksit elde edilir ve alüminyum hammaddesi olarak, birincil alüminyum fabrikalarına gönderilir.

Ancak çözümlendirme prosesinin koşulları, boksit cevherinin mineralojik yapısına bağlıdır:

Gibsit için    : Al₂O₃.3H₂O + 2 NaOH → 2NaAlO₂ + 4H₂O        135-145 ˚C, 800 kPa
                      (ϒ Al(OH)₂)

Böhmit için    : Al₂O₃.3H₂O + 2 NaOH → 2NaAlO2 + 4H₂O        205-245 ˚C, 5500 kPa
                       (ϒ AlO OH)

Daispor için    : Al₂O₃.3H₂O + 2 NaOH → 2NaAlO2 + 4H₂O        ˃ 260˚C ve ˃ 6000 kPa
                        (α AlO OH)

MTA’nın ” işletilebilir” olarak tanımladığı rezerv, gerçekten de metalürjik kalite alümina üretimine uygun mudur?

Diasporitik boksitlerin, kostik soda ile liç edilerek çözümlendirilmesi, Bayer Prosesi ile oldukça güçtür, yüksek sıcaklık ve basınç gerektirir. Bu amaçla Pedersen ya da Bayer-Sinter gibi alternatif prosesler ya da böhmit işleyen tesislerde kısmi diaspor kullanımı gibi uygulamalar geliştirilmiştir. Ancak bu proseslerin ekonomikliği tartışma konusudur. Bu durumda metalürjik kalite alümina üretimi için 36 milyon ton civarı cevherimiz bulunmaktadır. Bu rezervden yaklaşık 10 milyon ton metalik alüminyum üretimi mümkündür.

Enerji:
Birincil alüminyum üretimi enerji yoğun bir üretimdir. Son 20 yılda, özellikle Amerika ve Batı Avrupa birincil alüminyum üretimlerini azaltarak, sınırlı olan enerji kaynaklarını diğer alanlarda kullanmayı tercih ederken, özellikle enerjinin ucuz olduğu Rusya ve Gulf ülkeleri, birincil alüminyum dünyasında önemli aktörler olmuştur.

Bilindiği üzere Türkiye enerji yoksunu bir ülkedir. TMMOB Makine Mühendisleri Odası’nın 2019 yılı Enerji Görünümü Raporu’na göre, 2017 yılında yerli enerji üretiminin, toplam talebi karşılama oranı % 25 civarındadır, yani Türkiye net bir enerji ithalatçısı konumundadır.

Alüminyum elektroliz proses maliyetlerinin yaklaşık % 40’ı elektrik enerjisi maliyetleridir. Bugün çalışan büyük kapasiteli birincil alüminyum tesislerinde, elektrik enerjisi fiyatları devlet tarafından sübvanse edilerek ya alüminyum fiyatları ile birlikte değişmesi için LME’ye bağlanmakta ya da belirli enerji üretim kapasiteleri birincil alüminyum tesislerine ayrılmaktadır. Genel eğilim olarak 0,03-0,04 USD/kWsaat aralığı, birincil alüminyum tesisleri için uygulanan ortalama tarif değerleridir.

Anot:
Ergimiş tuz elektrolizi için, petrol rafinerilende yarı-ürün olarak üretilen kalsine petro-kok ve taşkömürü zifti karışımından üretilen karbon anot malzemeler kullanılmaktadır. 1 ton metalik alüminyum üretimi için anot ihtiyacı 480-550 kg aralığındadır.  

Ne Yapmalı?

•   Yeterli miktar ve kalitede boksit rezervlerine sahip değiliz,
•   Yerli enerji üretimimiz ancak tüketimimizin dörtte birini karşılıyor ve yüksek maliyetli, ithal enerji tüketiyoruz,
•   Petrol kaynaklarımız sınırlı olduğu için yerli petro-koka sahip değiliz.

Bu bulgular ışında, ne yapmalıyız?

Türkiye alüminyum talebini azaltamaz, tam tersi arttırmalıdır. Ancak birincil alüminyuma olan talep azaltılarak, ikincil alüminyum üretimi teşvik edilmeli ve arttırmalıdır. Burada Avrupa ve Çin’deki örnekler ışığında iki ana hedef koymak durumundayız:

1. Daha fazla ikincil malzeme kullanımı ve

2. Yüksek katma değerli ürün üretimi.

Bu hedeflere ulaşmak için ise;

•   Hurdaların kaynağından yani evlerden, okullardan, lokantalardan vs doğrudan, çöpe karışmadan toplanabilmesi için, özellikle belediyeler ölçeğinde çalışmalıdır,
•   Hurda piyasası kontrol edilmeli ve denetim altına alınmalıdır. Dünyadaki örnekleri gibi “hurda hazırlama” tesisleri kurulmalı ve desteklenmeli ve alüminyum hurdaya gereken önem verilmelidir,
•   Kısmen hurda kullanabilen haddehane ve biyet dökümhaneleri ve tamamen hurda kullanan ikincil alüminyum tesisleri teşvik kapsamına alınıp, desteklenmelidir,
•   Alüminyum curuf atık değildir, işlenmediği zaman ise atık değil “kayıp”tır. Curuf toplama ve işleme tesisleri düzenlenmeli, desteklenmeli ve denetim altına alınmalıdır,
•   Ucuz ikincil hammaddelerden katma değeri yüksek pahalı alaşım üretimi desteklenmelidir. Bu bağlamda acilen “sıcak hadde” yatırımı planlanmalıdır.

Kaynaklar:

1. Dr. Erol Metin, Turkish Aluminium Industry-A Brief Overview, ALUS09 International Aluminium Symposium, October 2019

2. Hans Erik Vatne , How We Can Achieve Zero-Emission Aluminium Smelters, June 28, 2019, https:/www.shapesbyhydro.com/en/manufacturing/how-we-can-achieve-zero-emission-aluminium-smelters/

3. Erman Car, Birincil Alüminyum Üretimi “Devrimin” Arefesinde, Metal Dünyası, Haziran 2018

4. www.elysis.com

5. John Grandfield, Update on the Aluminium Industry Response to Climate Change, Light Metal Age, February 2020

6. Prof.Dr. İsmail Duman, 2.Alüminyum Sempozyumu ve Sergisi Açılış Sunusu, 1996, Seydişehir

7. Erman Car, Alüminyum Üretim Yöntemleri, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası Yayımı, 2011

8. www.world-aluminium.org/statistics

9. Alton Tabereaux, Innovations that are Transforming Aluminium Smelting Today, Light Metal Age, February 2019 

10. Dr. Gonca Eroğlu, Mesut Şahiner, Dünyada ve Türkiye’de Alüminyum, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Aralık 2018

11. R. Lancashire, Bauxite and Aluminium Production, Education in Chemistry, May 1982

12. Oğuz Tükyılmaz, Türkiye Enerji Görünümü 2019, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Enerji Çalışma Grubu