Come il riutilizzo del calore residuo può portare l'alluminio un passo più vicino a diventare un'industria più verde

L'alluminio è una delle materie prime più riciclate al mondo, ma i processi coinvolti nella produzione di questo metallo lasciano ancora un alto impatto ambientale sul pianeta. Le nuove tecnologie di recupero del calore residuo possono portare l'industria un passo più vicino al raggiungimento di metodi di produzione più puliti.

L'alluminio è il secondo metallo più prodotto e una delle materie prime più riciclate al mondo. Questa capacità di essere recuperato e riutilizzato all'infinito dà all'industria il potenziale per offrire un'alternativa più verde e più pulita ad altri materiali poco rispettosi dell'ambiente. Tuttavia, fattori come l'enorme consumo di energia e l'uso inefficiente del calore coinvolti sia nella produzione primaria di questo metallo dal minerale di bauxite che nella produzione secondaria da rottami, tolgono questa opportunità; rendendo l'industria dell'alluminio responsabile di almeno l'1% delle emissioni di gas serra aggiunte all'atmosfera dall'attività umana e del 2,5% di_CO2.

"Il bello dell'alluminio è che in alcune industrie, più del 90% viene riciclato e il 75% dell'alluminio mai prodotto è ancora oggi in circolazione", dice Daniel Brough, ricercatore di dottorato presso l'Institute of Energy Futures della Brunel University di Londra e ingegnere in un impianto di alluminio secondario. Fa parte di un gruppo di esperti che progettano scambiatori di calore a tubi di calore nell'ambito del progetto ETEKINA, un programma finanziato dall'Unione Europea che mira a recuperare più del 40% del contenuto di calore residuo accessibile nei flussi persi nell'atmosfera dalle industrie ad alta intensità energetica.

"Ci sono diverse tecnologie che possono essere implementate per ridurre le emissioni di gas serra [nella produzione di alluminio], la più influente è il progetto Elysis che ha sede a Montreal. Ma il recupero del calore residuo è una parte enorme dell'equazione - l'industria dell'alluminio è un enorme produttore di calore residuo che potrebbe essere preso di mira", aggiunge.

La produzione di alluminio lascia impronte sull'ambiente che includono emissioni di acidificazione, danni legati all'uso di combustibili fossili e residui solidi problematici come il fango rosso lasciato dalla bauxite o le scorie saline che risultano dal riciclaggio di questo metallo. Tuttavia, l'industria ha preso alcune misure per diminuire il suo impatto negativo sul pianeta.

Una di queste è l'ampia adozione dell'energia idroelettrica, che oggi alimenta il 75% della produzione di alluminio primario. Un'altra è la modernizzazione delle attrezzature, anche se ulteriori passi possono essere fatti in questo campo. Per esempio, i forni utilizzati dalle fonderie di alluminio sono ancora progettati con metodi semi-empirici, nonostante l'esistenza di tecnologie che potrebbero essere utilizzate per progettarli in modo più efficiente dal punto di vista energetico, come le analisi fluidodinamiche computazionali.

Questi sono alcuni dei risultati che il signor Brough e il professor Hussam Jouhara della Brunel University di Londra descrivono nel loro documento The aluminium industry: A review on state-of-the-art technologies, environmental impacts and possibilities for waste heat recovery, pubblicato sull'International Journal of Thermofluids. La loro ricerca fornisce un quadro completo dei processi e delle tecnologie utilizzate dall'industria dell'alluminio, nonché degli strumenti già disponibili per recuperare il calore.

Recuperatori, preriscaldatori d'aria o pompe di calore sono alcune delle alternative che citano. Tra queste, gli scambiatori di calore a tubi di calore, il cuore del progetto ETEKINA, sono indicati come uno dei dispositivi più promettenti per evitare lo spreco di calore. Il Prof. Jouhara, che coordina le attività tecniche all'interno di ETEKINA, spiega che le tecnologie convenzionali hanno già cercato di affrontare il recupero del calore disperso nell'industria dell'alluminio in precedenza, senza molto successo. "Non erano adatte per alcuni dei flussi difficili che risultano dai processi nell'industria dell'alluminio", dice.

Il recupero del calore dalla produzione dell'alluminio non è un compito facile, poiché deve essere recuperato da flussi che portano gas di scarico che possono portare a corrosione o incrostazioni. Di conseguenza, può essere necessaria una frequente manutenzione o sostituzione dei componenti, rendendo il recupero del calore non economicamente conveniente. Secondo entrambi gli esperti, gli scambiatori di calore a tubi di calore sviluppati nell'ambito del progetto ETEKINA offrono una soluzione più duratura ed economica nel percorso per "recuperare l'irrecuperabile" perché sono più efficaci nel trasferire il calore, hanno misure di contaminazione incrociata superiori e ogni singolo tubo di calore funziona in modo indipendente, negando il rischio che l'intero sistema fallisca.

"Gli scambiatori di calore a tubi di calore non hanno parti mobili, quindi da questo punto di vista, ciò che può andare storto è molto limitato. L'unica manutenzione che richiedono è la pulizia regolare", spiega il Prof. Jouhara. "Avere questa nuova tecnologia significa che ora possiamo affrontare aree che erano impossibili da affrontare a causa della natura corrosiva di questi scarichi, questo è qualcosa che la tecnologia dei tubi di calore ha reso possibile". Quindi i progressi nella progettazione degli scambiatori di calore ci stanno portando il più vicino possibile a rendere fattibile un processo verde nell'industria dell'alluminio".

Tre applicazioni per il calore residuo

La produzione di alluminio richiede un livello così intenso di energia che, negli Stati Uniti, consuma circa il 5% di tutta l'elettricità generata in quel paese, secondo l'American Aluminium Association. La maggior parte dei processi utilizza alte temperature, il che significa che una grande parte di questa energia si perde nell'ambiente sotto forma di calore residuo. Per evitare questo, gli autori suggeriscono di combinare diversi tipi di scambiatori di calore per colpire le perdite più alte dalle fasi più energetiche del processo.

Preriscaldatori d'aria, economizzatori e scambiatori di calore a tubi di calore possono aiutare a riutilizzare il calore disperso dai gas di scarico, mentre i termocompressori possono aiutare a riutilizzare il vapore. Il documento delinea tre diverse applicazioni potenziali per il calore di scarto recuperato attraverso queste tecnologie:

1. Spazio e teleriscaldamento: a seconda del clima dell'ubicazione della fonderia, il calore di scarto recuperato può essere reindirizzato per fornire riscaldamento agli uffici adiacenti o alla comunità locale. La fattibilità di fornire alle comunità circostanti il teleriscaldamento dal calore di scarto è attualmente in corso per AlcoaFjarðaál, una fonderia di alluminio in Islanda.
2. Ottimizzazione della produzione di alluminio: il calore di scarto può essere usato per abbreviare alcune fasi della produzione e ottenere risultati più efficienti. Queste potenziali applicazioni includono il de-rivestimento e il preriscaldamento dei rottami per rimuovere l'umidità e ridurre la quantità di energia richiesta per fonderli, utilizzando una tecnologia di bruciatori specializzati che riutilizzano il calore disperso.
3. Generazione di elettricità: a seconda del grado di calore, si possono usare diversi metodi per trasformare il calore di scarto in elettricità per ridurre i costi operativi.

La riduzione delle spese è un argomento allettante per le aziende che investono in tecnologie di recupero del calore di scarto, ma non l'unico, come spiega il signor Brough: "Ci sono altre due ragioni principali. La più importante è l'uso sostenibile e coscienzioso delle risorse naturali per evitare qualsiasi impatto futuro sul pianeta e sulle generazioni future. L'altro è una migliore immagine di responsabilità aziendale e sociale per le aziende".

Entrambi gli esperti si aspettano che gli scambiatori di calore a tubi di calore rendano il recupero del calore residuo più efficiente e conveniente nelle industrie ad alta intensità energetica come l'alluminio, l'acciaio e la ceramica. Ma specialmente, dice il Prof. Jouhara, per offrire una soluzione dove altre tecnologie hanno fallito: "Non siamo in competizione con i sistemi convenzionali se i flussi sono standard e i design convenzionali possono affrontarli. I tubi di calore possono essere utili nelle aree in cui non è disponibile alcuna soluzione o la situazione è impegnativa al punto che non c'è un sistema convenzionale disponibile per affrontare l'applicazione di recupero del calore residuo."

Autore: Stefania Gozzer