Metal Dünyası

Uluslararası Alüminyumcular Birliği (International Alumininum Association, IAI) küresel alüminyum sektörüne hedef olarak koyduğu 2050 yılında sıfır karbon salınımı bağlamında 4 kritere odaklanmıştır:

- Yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi ve kullanımı, dökümhane ve ikincil tesislerde elektrifikasyon,
- Karbon yakalama ve işleme teknolojileri
- Birincil üretimde karbon anot yerine inert anot kullanımı,
- Yeniden üretim/Geridönüşüm

Elektrifikasyon ve yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi bir anlamda alüminyum endüstrisi içim enerji altyapısının değişimi anlamına gelmektedir. Dünya birincil alüminyum üretiminin neredeyse yarısını kömüre dayalı enerji ile yapan Çin, yine dünya birincil alüminyum üretiminde baş aktörler olan Hindistan (kömüre dayalı elektrik enerjisi), Orta Doğu ülkeleri (doğal gaza dayalı elektrik enerjisi) fosil yakıt kullanmaktadır.Ergimiş tuz elektrolizi teknolojisinde, elektrik enerjisinin düşürülmesine yönelik birçok çalışma söz konusudur. Özellikle Norveç, Kanada, Çin ve Rusya, bu çalışmalarda başı çeken ülkelerdir. Bugün itibarı ile Norveçli Hydro’nun geliştirdiği HAL4e teknolojisi ton alüminyum başına 12 000 kWs elektrik enerjisi tüketimi ile, en düşük tüketime sahip teknolojidir. Bu aynı zamanda en düşük karbon emisyonu anlamına da gelmektedir. Ergimiş tuz elektrolizi prosesinde ton alüminyum başına ortalama 1.40-1.50 ton CO2 eşdeğeri emisyon gerçekleşirken, Karmoy pilot tesisinde bu rakam 0.8 ton CO2 eşdeğeri civarındadır.

Hydro’nun Karmoy’da yaklaşık 445 kA akım şiddetine sahip, 60 adet hücre ile oluşturduğu pilot birincil alüminyum tesisinin kapasitesi yaklaşık 75,000 ton/yıldır.

Birincil alüminyum üretimi için diğer bir yenilikte inert anot teknolojisidir.

İnert anot ile ilgili çalışmalar, neredeyse, birincil alüminyum üretimi tarihi kadar eskidir. Özellikle Rusya, Norveç, Çin, ABD ve Kanada’da bu konuya ilişkin çok çalışma olmasına karşın, en somut olanı 2019 yılında açıklanan ELYSIS projesidir.

2019 yılı Aralık ayında, inert anot teknolojisi ile üretilmiş ilk metalik birincil alüminyum, projenin diğer bir partneri olan Apple’a gönderildi. Ancak inert anot teknolojisinin, halen kullanılmakta olan ön-pişirilmiş anot (pre-baked anode) teknolojisinin yerini alabileceğine dair sorular/sorunlar var:

- Apple çok yüksek kaliteli ancak çok düşük miktarda alüminyum tüketen bir üretici. Inert anot teknolojisi ile bugün yaklaşık 64 milyon tona ulaşan birincil alüminyum üretimi karşılanabilecek mi?
- Proses yukarıda sıraladığımız, ergimiş tuz elektrolizi sırasında oluşan doğrudan emisyonları azaltırken, diğer dolaylı emisyonlara katkı veremeyecektir. Yani elektroliz prosesi için gerekli olan enerji yenilenebilir kaynaklardan değil de örneğin kömür gibi fosil yakıtlardan üretilmiş elektrik enerjisi ise emisyon kontrolüne katkısı sınırlı olacaktır.
- Öte yandan, teorik olarak, inert anot teknolojisi ile elektroliz sırasında gerekli olan elektrik enerjisi miktarı, ön-pişirilmiş karbon anot teknolojisine göre daha yüksek olacaktır. Çünkü ön-pişirilmiş anot teknolojisinde, karbon anodun depoladığı kimyasal enerjide, prosese katkı vermektedir.
- İnert anodun hangi malzemeden yapıldığı, henüz üreticiler tarafından gizli tutulmaktadır. Bu malzeme ya da malzemelerin ne olduğu, bulunabilirliği, üretimi ve fiyatı da diğer bilinmeyenler söz konusudur.

Birincil alüminyum üretiminde yaşanan bu gelişmelerle birlikte, kısa ve orta vadede “alüminyum üretiminde sıfır karbon” projesine ulaşmak için ikincil üretim daha gerçekçi bir konuma sahiptir. Bu bağlamda öncelikle büyük birincil alüminyum üreticileri “hibrit birincil tesis” tasarımı ve uygulaması ile yola çıktılar. Bu kavram hem de alüminyum ürününün daha “yeşil” olmasına olanak verirken, hem de birincil tesis dökümhanesinde prosesleri kolaylaştırmaktadır. 

Öncelikle son 20 yıl içinde yapılan birincil tesis yatırımlarının çoğunda dökümhane kapasitesi, elektroliz ünitesi kapasitesinin üzerinde planlandı. Temel amaç elektrolizden gelen birincil metal ile, olabildiğince ikincil hurda ya da hammaddeyi karıştırmak ve daha az karbon ayak izine sahip metal üretmektir. Öte yandan bu proses tercihi iki önemli ekonomik avantaj da getirmektedir,

- Elektroliz tesislerinin dökümhanelerinde sıvı alüminyum ısıtılmaz ya da sıcak tutulmaz, tam tersine soğutulmaya çalışılır. Elektroliz tesisinden dökümhaneye yaklaşık 930-950 °C sıcaklıkta gelen birincil sıvı metal, katı ikincil hurda ilavesi ile çok kısa zamanda döküm sıcaklığına (720-760°) düşürülmekte ve böylece hem zaman tasarrufu hem de kati ikinci malzemenin (yaklaşık birincil sıvı metalin %8-10’u kadar) enerji harcanmaksızın ergitilmesi sağlanmaktadır.
- Çoğu zaman alüminyumdan daha pahalı olan alaşım elementlerinin bir kısmı bu soğutucu hurdadan gelmekte ve alaşım elementi tasarrufu yapılmaktadır.

İkincil tesislerde ise, son 5 yıl içinde artan çevresel duyarlılık ve özellikle hurda hazırlama ve sensör esaslı teknolojilerle hurda ayırma proseslerinin yaygınlaşması (XRT, XRF, LIBS ve bunların kombinasyonları), hurda hazırlama ve ergitme fırınlarının entegrasyonu, hurda ergitme fırınlarında yaşanan iyileşmeler (ince kesitli hurdaların ergitilmesi), mekanik ve elektromanyetik sirkülasyon pompaları kullanımının yaygınlaşması ile iletiminin iyileştirilmesi, fırın içindeki sıvı metal kimyasal kompozisyonunun sürekli ölçümü (LIBS), ultrasonik rafinasyon yöntemi başta olmak üzere ikinci metal rafinasyonunun iyileştirilmesi, enerji kaynağı olarak hidrojen kullanımı ve tesislerde robotik uygulamaların yaygınlaşması, proseslerin dijitalleşmesi gibi yenilikler sonucu, günden güne kapalı döngü ikincil üretim yaklaşımı artmaya başlamış ve kısmen hurda kullanan tesisler tamamen hurda kullanan tesislere evrilmeye yönelmiştir.

Uluslararası Alüminyum Enstitüsü’nün verilerine göre 2019 yılında yaklaşık 64 milyon ton birincil alüminyum üretimi için 850,000 GWs enerji tüketilmiştir. Bu enerjinin %55-60’ı kömür kaynaklı ve büyük oranda Çin’dedir. Hidroelektrik dahil, toplam yenilenebilir kaynakların payı ise %27 civarındadır. Bu altyapının değiştirilmesi için çok ciddi karar ve buna bağlı olarak yatırım gereklidir. Bu nedenle bahsi geçen süreç uzun vadeli bir süreçtir.

Sürdürülebilir kalkınma kavramının ortaya koyduğu en önemli boyutlardan biri, hammaddelerin kullanılarak ürün, yan-ürün ve atıkların oluştuğu doğrusal yapıdaki” üretim sisteminden, atıkların farklı bir ürün ya da proses için enerji ya da hammadde olarak “tekrar kullanıldığı”, “döngüsel yapıdaki” sistemlere geçiş sağlanmasıdır. 

Sürdürülebilirlik bağlamında alüminyum endüstrisinin önüne koyduğu “sıfır emisyon” hedefine ulaşması oldukça zor görünüyor. 

Alternatif alüminyum üretim teknolojilerinin endüstriyel boyutta üretime geçmesi ve gittikçe artan alüminyum talebini karşılayacak hacimlere ulaşması için daha yolumuz uzun. 

Buna karşın ikincil üretime salınan karbon miktarı çok büyük oranda düşecektir:
• Yeni hurda kullanıldığında: 0.5 ton CO2e/ton ikincil alüminyum
• Kullanım ömrünü doldurmuş eski hurda kullanıldığında: 0.6 ton CO2e/ton ikincil alüminyum
• Genellikle kayıtlara girmeyen proses sırasında oluşan iç-hurda kullanıldığında 0.3 ton CO2e/ton ikincil alüminyum

Sonuç olarak orta ve kısa vadede, “sıfır karbon salınımı ile alüminyum üretmek” proje hedeflerini yakalayabilmek için elimizde iki tutarlı ve gerçekçi yöntem vardır,
- İşletmelerde enerji verimliliğini arttırmak
- Daha fazla ikincil metali birincil metal ile ikame etmek, yani yeniden üretim/geridönüşüm teknolojilerine odaklanmak.

Küresel birincil talep 2028’de zirve yapacaktır. İkincil hammaddeye talep giderek aratacaktır.
 

Alüminyum hurda, yarı üreticiler için giderek daha fazla tercih edilen bir hammadde haline gelecektir.
 

Kaynaklar:

1. Alüminyum Üretim Süreçleri, Erman Car, TMMOB Metalurji Mühendisleri Odası Yayımı, 2011
2. Alüminyum Ergitme ve Metal Rafinasyonu Eğitim Notları, Ahmet Turan, Erman Car, METEM 2021
3. Energy Management for the Metals Industry, Cyhthiak K.Belt, CRC Press 
4. Handbook of Aluminium Recycling, Christoph Schmitz, Vulkan Verlag, 2006
5. Industrial Hall-Herault Process, Halvor Kvande, TMS Dubai 2008 Electrolysis Short Course, 2008
6. Aluminium Making: CO2 Free and Fully Digital – The Hurdless and the Solutions, Marc Gillis, Future Aluminium Forum Digital, December 2020
7.  Decarbonizing the Aluminium Sector: A Common Challenge for Primary and Recycling, Jerome Lucaes, Metal Bulletin International Recycled Aluminium Conference, 2019
8. Aluminium Production in the Times of Climate Change: The Global Change to Reduce the Carbon Footprint and Prevent Carbon Leakage, Saevarsdottir, Halvor Kvande, Barry J. Welch, JOM, Volume 72, No:1, 2020
9. 9. European Aluminium Association, Vision 2050 European Aluminium’s Contribution to EU’s Mid-Century Low-Carbon Roadmap, 
10. Long Term Sustainability of the Aluminium Sector (2020-2050), Bayliss, Bertram, Nunez, Tsesmels&Wu, International Aluminium Institute, ICSOBA Virtual Conference, 16-18 November 2020
11. Update on the Aluminium Industry Response to Climate Change,John Grandfield, , Light Metal Age, February 2020 
12. OECD Global Material Resources Outlook to 2060:Economic Drivers and Environmental Consequences, Highlights, October 2018