Hoe het hergebruik van afvalwarmte aluminium een stap dichter bij een groenere industrie kan brengen

Aluminium is een van de meest gerecycleerde grondstoffen ter wereld, maar de processen die bij de productie van dit metaal worden toegepast, hebben nog steeds een groot milieueffect op de planeet. Nieuwe technologieën voor de terugwinning van afvalwarmte kunnen de industrie een stap dichter brengen bij schonere productiemethoden.

Aluminium is het op één na meest geproduceerde metaal en een van de meest gerecycleerde grondstoffen ter wereld. Dit vermogen om voor onbepaalde tijd te worden teruggewonnen en hergebruikt, geeft de industrie het potentieel om een groener en schoner alternatief te bieden voor andere milieuonvriendelijke materialen. Maar factoren zoals het enorme energieverbruik en het inefficiënte gebruik van warmte bij zowel de primaire productie van dit metaal uit bauxieterts als de secundaire productie uit schroot, ontnemen de industrie die kans; daardoor is de aluminiumindustrie verantwoordelijk voor ten minste 1% van de broeikasgasemissies die door menselijke activiteit aan de atmosfeer worden toegevoegd en voor 2,5% van de_CO2.

"Het mooie van aluminium is dat in sommige industrieën meer dan 90% ervan wordt gerecycled en dat 75% van het ooit geproduceerde aluminium vandaag de dag nog steeds in omloop is," zegt Daniel Brough, PhD-onderzoeker aan het Institute of Energy Futures van de Brunel University London en site engineer bij een secundaire aluminiumfabriek. Hij maakt deel uit van een groep experts die warmtepijpen-warmtewisselaars ontwerpen in het kader van het ETEKINA-project, een door de Europese Unie gefinancierd programma dat tot doel heeft meer dan 40% van de toegankelijke afvalwarmte terug te winnen in stromen die door energie-intensieve industrieën aan de atmosfeer worden onttrokken.

"Er zijn verschillende technologieën die kunnen worden toegepast om de uitstoot van broeikasgassen [bij de productie van aluminium] te verminderen, de meest invloedrijke is het Elysis-project dat zijn hoofdkantoor in Montreal heeft. Maar de terugwinning van afvalwarmte is een groot deel van de vergelijking - de aluminiumindustrie is een enorme producent van afvalwarmte die kan worden aangepakt," voegt hij eraan toe.

De productie van aluminium laat sporen na op het milieu die bestaan uit verzuringsemissies, schade die verband houdt met het gebruik van fossiele brandstoffen en problematische vaste residuen zoals de rode modder die overblijft van bauxiet of de zoute slakken die ontstaan bij het recyclen van dit metaal. De industrie heeft echter een aantal maatregelen genomen om haar negatieve invloed op de planeet te verminderen.

Een daarvan is de ruime toepassing van hydro-elektrische energie, die thans 75% van de primaire aluminiumproduktie aandrijft. Een andere maatregel is de modernisering van de uitrusting, hoewel op dit gebied nog verdere stappen kunnen worden gezet. Zo worden de ovens in de aluminiumsmelterijen nog steeds ontworpen met semi-empirische methoden, ondanks het bestaan van technologie die kan worden gebruikt om ze energie-efficiënter te ontwerpen, zoals analyses op basis van computationele vloeistofdynamica.

Dit zijn enkele van de bevindingen die de heer Brough en professor Hussam Jouhara van de Brunel University London beschrijven in hun document The aluminium industry: A review on state-of-the-art technologies, environmental impacts and possibilities for waste heat recovery, gepubliceerd in het International Journal of Thermofluids. Hun onderzoek geeft een grondig overzicht van de processen en technologieën die door de aluminiumindustrie worden gebruikt, alsmede van de instrumenten die reeds beschikbaar zijn om warmte terug te winnen.

Recuperatoren, luchtvoorverwarmers of warmtepompen zijn enkele van de alternatieven die zij noemen. Onder hen worden warmtewisselaars met warmtebuizen, het hart van het ETEKINA-project, genoemd als een van de meest veelbelovende hulpmiddelen om verspilling van warmte te voorkomen. Prof. Jouhara, die de technische activiteiten binnen ETEKINA coördineert, legt uit dat conventionele technologieën al eerder zonder veel succes hebben geprobeerd om de terugwinning van afvalwarmte in de aluminiumindustrie aan te pakken. "Ze waren niet geschikt voor sommige van de ruwe stromen die voortkomen uit de processen in de aluminiumindustrie", zegt hij.

Warmteterugwinning bij de productie van aluminium is geen gemakkelijke taak, omdat de warmte moet worden teruggewonnen uit stromen die uitlaatgassen bevatten die kunnen leiden tot corrosie of vervuiling. Daarom kan frequent onderhoud of vervanging van componenten nodig zijn, waardoor warmteterugwinning economisch niet haalbaar is. Volgens beide deskundigen bieden heatpipe-warmtewisselaars die in het kader van het ETEKINA-project worden ontwikkeld, een duurzamere en goedkopere oplossing op de weg naar "het terugwinnen van het niet-terugwinbare", omdat zij doeltreffender zijn in het overbrengen van warmte, superieure maatregelen tegen kruisbesmetting hebben en elke afzonderlijke heatpipe onafhankelijk werkt, waardoor het risico dat het hele systeem uitvalt, wordt geneutraliseerd.

"Heat pipes" warmtewisselaars hebben geen bewegende delen, dus vanuit dat oogpunt is wat er mis kan gaan zeer beperkt. Het enige onderhoud dat ze nodig hebben, is een regelmatige reiniging", legt Prof. Jouhara uit. "Met deze nieuwe technologie kunnen we nu gebieden aanpakken die onmogelijk konden worden aangepakt vanwege de corrosieve aard van deze uitlaten, dit is iets wat de heat pipe-technologie mogelijk heeft gemaakt. De vooruitgang in het ontwerp van warmtewisselaars brengt ons dus zo dicht mogelijk bij het levensvatbaar maken van een groen proces in de aluminiumindustrie."

Drie toepassingen voor afvalwarmte

De productie van aluminium vergt zo veel energie dat in de Verenigde Staten ongeveer 5% van alle in dat land opgewekte elektriciteit wordt verbruikt, volgens de American Aluminium Association. Bij de meeste processen worden hoge temperaturen gebruikt, wat betekent dat een groot deel van deze energie in de vorm van afvalwarmte aan het milieu wordt afgestaan. Om dit te vermijden, stellen de auteurs voor verschillende soorten warmtewisselaars te combineren om de grootste verliezen in de meest energie-intensieve fasen van het proces aan te pakken.

Luchtvoorverwarmers, economisers en heat pipes warmtewisselaars kunnen helpen om afvalwarmte van uitlaatgassen te hergebruiken, terwijl thermo-compressoren kunnen helpen om stoom te hergebruiken. In het document worden drie verschillende potentiële toepassingen geschetst voor afvalwarmte die met deze technologieën wordt teruggewonnen:

1. Ruimte- en stadsverwarming: afhankelijk van het klimaat van de locatie van de smelterij kan teruggewonnen afvalwarmte worden hergebruikt voor verwarming van aangrenzende kantoren of de lokale gemeenschap. Momenteel wordt voor AlcoaFjarðaál, een aluminiumsmelterij in IJsland, onderzocht of het haalbaar is om de omliggende gemeenschappen te voorzien van stadsverwarming op basis van afvalwarmte.
2. Optimalisering van de aluminiumproductie: afvalwarmte kan worden gebruikt om bepaalde productiefasen in te korten en efficiëntere resultaten te bereiken. Deze potentiële toepassingen omvatten het ontcoaten en voorverwarmen van schroot om vocht te verwijderen en de hoeveelheid energie die nodig is om het te smelten te verminderen, met behulp van gespecialiseerde brandertechnologie waarbij afvalwarmte wordt hergebruikt.
3. Opwekking van elektriciteit: afhankelijk van de warmtesoort kunnen verschillende methoden worden gebruikt om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit en zo de bedrijfskosten te verlagen.

Kostenbesparing is een verleidelijk argument voor bedrijven om te investeren in afvalwarmteterugwinningstechnologieën, maar niet het enige, zoals de heer Brough uitlegt: "Er zijn nog twee andere belangrijke redenen. De belangrijkste is het duurzame en gewetensvolle gebruik van natuurlijke hulpbronnen om elke toekomstige impact op de planeet en toekomstige generaties te vermijden. De andere is een beter imago van maatschappelijk verantwoord ondernemen voor bedrijven."

Beide deskundigen verwachten dat warmtewisselaars met heat pipes de terugwinning van afvalwarmte efficiënter en betaalbaarder zullen maken in zeer energie-intensieve industrieën zoals aluminium, staal en keramiek. Maar vooral, zegt prof. Jouhara, om een oplossing te bieden waar andere technologieën hebben gefaald: "We concurreren niet met conventionele systemen als de stromen standaard zijn en conventionele ontwerpen ermee overweg kunnen. Warmtebuizen kunnen nuttig zijn in gebieden waar geen oplossing voorhanden is of waar de situatie zo uitdagend is dat er geen conventioneel systeem voorhanden is om de toepassing van restwarmteterugwinning aan te pakken."

Auteur: Stefania Gozzer