Metal Dünyası

Giriş
Son orman yangınları, bir kez daha gösterdi ki, küresel iklim krizi ve sonuçları, artık yok sayılabilir ya da ihmal edilebilir marjinal kaygılar değil, küresel dünyanın en önemli sorunudur. 

9 Ağustos 2021’de Birleşmiş Milletler’in web sitesinde yer alan veriler, geldiğimiz noktayı tanımlıyor (T24, BM: İnsan aktiviteleri iklimi binlerce yıldır görülmemiş biçimde değiştiriyor; hemen harekete geçilmezse hasar ‘geri dönülmez’ noktaya ulaşacak):

“- Küresel yüzey sıcaklığı 2011-2020 arasında 1850-1900 arasında olduğundan 1.09 derece daha yüksek kaydedildi. Son beş yıl 1850’den bu yana en sıcak dönemdi.

- Son deniz seviyesi yüksekliği oranı 1901-1971 verilerinin üç katı kaydedildi.

- Aşırı sıcakların 1950’den bu yana daha sık ve daha yoğun yaşandığı neredeyse kesin. Soğuk olayları ise daha sık ve ağır gerçekleşiyor.

Raporu hazırlayan bilim insanları, küresel ısınmanın 2040 yılında “tüm senaryolarda”1.5 dereceye ulaşacağını öngördü. Emisyonların gelecek beş yıl içinde düşürülmemesi durumunda bu durumun daha erken yaşanacağı belirtildi.”

Çözüm süreçlerini “politik tercihlere” bırakmadan, bilim ve tekniğin verileri ile çözmekten başka şansımız yok maalesef. Tıpkı Covid-19 salgını ve kadına şiddete karşı yapılması gereken mücadeleler gibi.
 

Birincil Alüminyum Üretimi Kaynaklı Emisyonların Kontrolü ve Düşürülmesi
Ergimiş Tuz Elektrolizi (Hall-Herault Prosesi) Kaynaklı Emisyonların Kontrolü ve Düşürülmesi (Kapsam 1 Emisyonları)

Ergimiş Tuz Elektrolizi
1 ton metalik birincil alüminyum üretebilmek için yaklaşık olarak 2 ton metalürjik kalite alümina, 400-600 kg karbon anot ve teknolojiye bağlı olarak 12 500 -16 000 kWh elektrik enerjisine ihtiyaç vardır.

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.
 

Birincil alüminyum üretiminin gerçekleştiği birim ünite “alüminyum elektroliz hücresi” olarak tanımlanır.

Elektroliz hücrelerinin işlevi ise
“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... “ olarak tanımlanabilir (1).

Ergimiş tuz elektrolizi ile alüminyum üretimi enerji yoğun bir prosestir. Bu nedenle elektroliz tesisleri kurulurken yeterli, uzun süreli ve güvenilir elektrik enerjisinin sağlanabileceği yerler seçilmelidir.

Alüminyum elektroliz prosesinde, proses verimini ölçmek için iki ana kavram kullanılır: akım verimi ve enerji verimi.

Akım verimi: Günümüz endüstriyel pratiğinde % 85 ile %96 arasındadır ve Faraday Yasası uyarında, hücreye verilen akımın ne kadar kısmının alüminyum üretimine harcandığının bir ölçüsüdür (3).

Enerji verimi ise tipik olarak %45 ile % 50 arasındadır ve hücreye verilen enerjinin ne kadar kısmının alüminyum üretimine harcandığı ile ilgilidir. Kalan enerji ısı üretir ve proses sırasında kaybedilir (3).

Anot Gazları (CO₂ ve CO)
Ön-pişirilmiş anotlar % 13-16 arasında bağlayıcı olarak taşkömürü zifti ve petrokokdan oluşur. Özel anot pişirme fırınlarında 1150-1200°C’de pişirilerek anot formunu alırlar. Yukarıda tanımladığımız genel proses esasında anot reaksiyonlarının çıktılarından en önemlisi CO₂ gazıdır.

Teorik olarak, aşağıdaki reaksiyon uyarınca 1 ton birincil metalik alüminyum üretebilmek için 333 kg anota ihtiyaç vardır (3):

2 Al₂O₃ + 3C = 4 Al + 3 CO₂

Ancak elektroliz sırasında akım verimi ve anot kalitesine bağlı olarak gerçekleşen ters reaksiyonlar sonucu bir miktar fazla anot tüketilir ve bu sırada CO gazı oluşur:
 

2 Al + 3 CO₂ = Al₂O₃ + 3 CO
 

Akım verimi %100 olduğunda, teorik anot tüketimi 333 kg iken (100%/akım verimi); akım verimi %95 olduğunda 351 kg’a ve akım verimi % 90 olduğunda 370 kg’a çıkar.

Bununla birlikte elektroliz sırasında, elektrolitik olmayan, elektrokimyasal reaksiyonlar da gerçekleşir ve bu ilave anot tüketimine neden olur: anodun üst yüzeylerinde karbonun ortamdaki oksijen ile reaksiyonu nedeni ile ilave 30-70 kg (airburn) ve Anodun reaksiyon yüzeyinde oluşan CO₂’in anot karbonu ile tersinir  reaksiyonu sonucu oluşan kayıplar: CO2 + C = 2 CO. Bu etki ile ilave 20-30 kg anot tüketimi söz konusudur.

Anot gazı ölçümlerine göre CO’in anot gazı içindeki payı, en düşük %12 ve endüstriyel ortalamada % 20 civarındadır (9).

Net anot tüketimine bağlı olarak ton metalik birincil alüminyum başına CO₂ emisyonu hesaplama sonuçları aşağıdaki tabloda görülebilir (9):

Anot Etkisi ve Perflorokarbon (PFC) Emisyonları
Alümina besleme teknolojisine bağlı olarak elektrolit içindeki çözünmüş alümina miktarı % 2-3.5 arasında tutulur. Ancak alümina çözünmüş konsantrasyonu, kritik nokta olan % 2 değerinin altına düştüğü zaman anot etkisi gerçekleşir. Anot etkisi rastgele gerçekleşmesine karşın önceden tahmin edilebilir.

Elektrolit banyosu içerisinde alümina konsantrasyonunun düşmesi ile birlikte, banyonun anot tabanını ıslatabilme yeteneği azalır. Bu durumda;

-Anot polarizasyonunda ya da voltajda aşırı artış,

-Anot taban yüzeyinin ıslatılamaması ve

-Anot taban yüzeyinin gaz baloncukları ile kaplanması sonucu hücre voltaji ve rezistansında artış meydana gelir. 

Anot etkisi sırasında anot karbonu, ortamda alümina konsantrasyonunun düşük olması nedeni ile yeterince oksijen olmadığından, elektrolit banyosu içerisindeki flor ile reaksiyona girerek perflorokarbon (PFC) gazları oluşturur.

Perflorokarbon gazları yani CF4  ve C2F6 elektroliz işleminde sadece anot etkisi sırasında oluşur. Ancak bu gazlar atmosferde % 0.5’den daha az oranlarda olmalarına karşın, ömürleri yaklaşık 6 000 yıldır ve CO₂ eşdeğeri 6 000’dir (2).

Inert Anot 
Inert anot teknolojisinin tarihi neredeyse ergimiş tuz elektrolizi yönteminin tarihi kadar eskidir. Teknolojinin esası, elektroliz hücresinde karbon anot yerine boyutsal stabilitesini koruyan ve reaktif olmayan inert bir malzemenin kullanılmasıdır. Böylece elektroliz sırasında CO2/CO yerine O2 üretilecektir. Aralık 2019’da Rio Tinto ve Alcoa, Kanada Hükümetinin de desteği ile Elysis firmasını kurdu ve inert anot teknolojisi yeniden gündeme geldi. Haziran 2021 de ise Rio Tinto’nun Quebec/Kanada’daki Alma Birincil Alüminyum tesisinde 450 kA akım şiddetine sahip ilk hücre prototipleri inşa edilmeye başlandı. Detaylar için www.elysis.com ziyaret edilebilir.

Ancak proje beraberinde birçok soru işaretini de getirmektedir. Öncelikle ticari sır olarak saklandığı için anot malzemesi ve prosese ilişkin detaylı bilgilere henüz sahip değiliz. Bu bağlamda anot malzemesinin maliyetini ve bulunabilirliğini bilemiyoruz. Öte yandan sadece Apple bir miktar inert anot teknolojisi ile üretilmiş birincil alüminyum satın aldı, ancak tesisin üretkenliğine yönelik de bir fikrimiz yok.

En önemlisi ise, her şey yolunda gitse bile, inert anot teknolojisi sadece elektroliz sırasında oluşan emisyonları azaltabilecektir. Buna karşın -muhtemelen karbon anodun içerdiği kimyasal enerjiye sahip olmadığı için- karbon anotlu hücrelere göre daha fazla elektrik enerjisi tüketecektir. Alüminyum elektrolizi için gerekli olan elektrik enerjisi üretimi sırasında oluşan emisyonların (kapsam 2) azaltılması yönünde bir katkı sağlamayacaktır. 
 

Alternatif Birincil Alüminyum Üretim Yöntemleri
Karbotermik alüminyum üretimi, Demir cevherlerinin yüksek fırında metalürjik kok ile indirgenmesine bezer şekilde, alüminanın ısı ve karbon yardımı ile metalik forma indirgenmesine esasına dayanmaktadır:
 

½ Al₂O_{3 (katı)} + 3/2 C_(katı) + ısı = Al _(sıvı) + 3/2 CO_(gaz)

Yüksek sıcaklık ve karbon emisyonu yanı sıra, teknolojinin en önemli dezavantajlarından birisi de, üretilen alüminyumun karbon nedeni ile istenilen saflıkta olmaması yani ürünün Al-C alaşımı halinde elde edilmesidir.

Diğer bir alternatif üretim yöntemi ise alüminyum klorür elektrolizidir. Ancak magnezyum elektrolizinde deneyimlenen maliyet ve çevresel sorunlar, alüminyum klorür elektrolizi çalışmalarının geleceği için pek de umut vermemektedir.

Sonuç:
Hem birincil alüminyum maliyetlerinin -enerji başta olmak üzere- hem de çevresel etkilerin zorlaması nedeni ile birincil alüminyum endüstrisi zaten uzun yıllardır iyileşme/ilerleme içerisindedir. Ancak Paris Anlaşması hedeflerine ulaşmak sadece kapsam 1 emisyonlarının azaltılması ile mümkün değildir.

Kaynaklar:

1. Prof.Dr. İsmail Duman, II. Alüminyum Sempozyumu ve Sergisi Açılış Sunusu, Mayıs 1994, Seydişehir
 

2. Barry Welch, Process Energy Requirements, TMS Industrial Aluminium Electrolysis Course, October 2008, Dubai
 

3. G.P.Tarcy, Current Efficiency Theory and Practices for Continuous Improvement, TMS Industrial Aluminium Electrolysis Course, October 2008, Dubai
 

4. Halvor Kvande, Challenges in the Primary Aluminium Industry – Global Consideration Energy and the Environment, TMS Industrial Aluminium Electrolysis Course, October 2008, Dubai
 

5. Aluminium Sector Greenhouse Gas Pathways to 2050, World Aluminium Association, www.world-aluminium.org, March 2021
 

6. Decarbonisation: is Aluminium a Solution or a Problem?, Jun 17, 2021, Decarbonisation: is aluminium a solution or a problem? (miningreview.com)
 

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

8. Alton Tabereaux, Innovations That are Transforming Aluminium Smelting Today, Light Metal Age, February 2019
 

9. Gudrun Saevarsdottir, Halvor Kvande, Barry J. Welch, Aluminum production in the times of climate change: The global challenge to reduce the carbon footprint and prevent carbon leakage, JOM, Volume 72, Issue 1, November 2019