De flesta vet att metaller tillverkas av malm, men hur gör vi guld av grus? Det är den process vi måste förstå för att kunna göra metallindustrin klimatvänlig. Här är några alternativ för CO₂ -fri metallproduktion.

För att uppnå "det gröna skiftet" behöver världen nya material, inte minst metaller. Idag är kol särskilt populärt inom metallindustrin eftersom det har förmågan att ta bort syre från malmen så att vi kan få ut metallen. I den processen, CO₂ bildas, den växthusgas som vi måste undvika i framtiden. Vid det här laget har vi börjat med uppgiften att hitta andra sätt att utvinna metaller, men vilka alternativ har vi egentligen?

För att säkerställa en framtid med utveckling av sol- och vindenergi, vädersäkra vägar och städer runt om i världen måste vi kunna tillverka metaller på ett säkert, klimatneutralt och ansvarsfullt sätt. Självklart måste vi förbättra hanteringen, och återanvändningen eller återvinningen av metallhaltigt avfall, men det räcker inte. Om vi ​​ska uppnå det gröna skiftet, även globalt, behöver världen nya metaller. Idag släpper metallindustrin ut växthusgaser och i Norge står den för 10 % av den totala CO₂ utsläpp. Det är därför angeläget att hitta nya möjligheter för mer klimatvänliga alternativ till nuvarande processer.

Tre nycklar till framtida metallproduktion

Figuren visar de ämnen som har förmågan att ta bort syre från malmer, dessa kallas reduktionsmedel. I nedre vänstra hörnet av figuren ser vi kol som används för att omvandla nästan alla typer av malm till metall, idag. Historiskt sett har kolet varit träkol eller trä, men i modern tid är det mest fossilt kol som används. Organiska ämnen som trä och andra former av biokol är inte rena former av kol, dessa finns på gränsen mellan kol och väte. Här hittar vi även otraditionella biologiska kolkällor som biogas.

Många metallproducenter ser dessa kolbaserade reduktionsmedel som de mest intressanta reduktionsmedlen eftersom de förväntas kunna anpassa sig till nuvarande produktionsmetoder, snarare än att utveckla helt nya processer. Användning av alla kolhaltiga reduktionsmedel kommer dock att leda till bildning av CO₂ . För att förhindra att detta leder till en ökning av växthuseffekten måste man antingen använda CO₂ -neutrala kolkällor (t.ex. biokol) eller fånga och lagra CO₂ från avgaserna. Om vi ​​lyckas göra båda samtidigt kan vi ha CO₂ -negativa processer i framtiden, som många tror kommer att vara nödvändiga för att nå klimatmålen. Men de så kallade koldioxidneutrala lösningarna har också en fördröjning, eftersom det tar i genomsnitt 90 år för ett nytt träd att växa upp och förbruka CO₂ släpps ut. Detta är för sent om målen i Parisavtalet ska nås.

Ett behov av enorma mängder kol

Den stora frågan om kol är hur tillgången till biokol kommer att se ut i framtiden. Dessutom måste vi också tänka på effekterna på den biologiska mångfalden och andra viktiga miljöaspekter. Mängderna kol som behövs inom metallsektorn är tyvärr enorma. Ur ett långsiktigt perspektiv kanske kol inte ens är det bästa alternativet vi kan hitta.

Kan energi ersätta reduktionsmedel?

I nedre högra hörnet av figuren har vi el. Många vet att aluminium till exempel tillverkas genom elektrolys. Sedan används el för att få syret i malmen att släppa metallen. Dagens elektrolysteknik ligger dock något mot figurens kolhörn, eftersom elektroder gjorda av kol behövs i elektrolysen. Kolelektroderna förbrukas i processen så att man faktiskt kombinerar effekterna av el och kol. Om vi ​​kan använda andra typer av elektroder i framtiden, och då helst typer som inte förbrukas i processen, skulle metallen i teorin kunna tillverkas med enbart elektricitet som reduktionsmedel. Idag läggs stora resurser runt om i världen på att uppfinna nya elektrodlösningar för olika elektrolysprocesser för olika metaller. Energioptimister ser för sig en framtid med stora mängder förnybar energi tillgänglig, och om dessa prognoser visar sig stämma kommer sådana energikrävande processer att bli ännu mer attraktiva ur både ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv.

Om vi ​​tittar närmare på elektronhörnet i figuren ser vi att det faktiskt finns en annan möjlighet där:plasma. Faktum är att om obegränsade mängder energi kunde användas skulle det vara möjligt att tillverka metall utan något annat reduktionsmedel än ren energi. Men då krävs en extrem mängd energi, och det här alternativet skulle förmodligen bara vara möjligt i de mest optimistiska energiscenarionerna.

Mycket intressant väte

I det övre hörnet av figuren hittar vi väte. Väte är särskilt intressant av många anledningar, särskilt eftersom väte är lättillgängligt då det är en biprodukt från flera olika industriella processer. Tyvärr är det inte möjligt att använda allt väte som finns idag, främst på grund av utmaningar relaterade till transport, lagring och säkerhet. Vätgas kan också tillverkas av naturgas, biogas eller vatten (via elektrolys). Tyvärr har dock inte väte förmågan att omvandla alla typer av malmer till metall, men det kanske finns sätt att kombinera väte med andra reduktionsmedel för att göra det mer potent?

Väte kan samarbeta

På triangelns högra kant finns ett annat högenergialternativ:väteplasma. Här tillförs så mycket energi att väteatomerna har sönderfallit. Väteplasma är mycket mer potent som reduktionsmedel än vanlig vätgas och kan användas på många fler malmer. Detta kräver mer energi än för gasreaktioner, men betydligt mindre än om plasma tillverkas av själva malmen. En annan framtida möjlighet kretsar kring gaselektroder för elektrolysprocesser. Här kan man tänka sig att vätgas används som reduktionsmedel i en elektrolyscell.

En annan stark kandidat för sådana gaselektroder är metangas. En gas som för närvarande enklast erhålls från naturgas, men som i framtiden kan komma från biologiska källor, det vill säga biogas. Metan kan antingen vara ett sätt att tillsätta väte till en process, eller så kan det vara ett reduktionsmedel i sig. Kombinationen av väte och kol i metan gör detta till ett mycket intressant alternativ för att tillverka metall i framtiden.

Andra gaser som kan användas för att tillföra väte till processer är ammoniak, som liksom metan är mindre explosiv än rent väte och därför lättare att transportera och lagra. Men att använda gas som reduktionsmedel ställer stora krav på omstrukturering av metallindustrin, där utveckling och investeringar av nya typer av reaktorer skulle behövas.

Kan metaller göra metaller?

Vi bör också nämna att många metaller kan vara ett reduktionsmedel för andra metaller, även om det inte finns med i figuren här. Till exempel kan aluminium vara ett reduktionsmedel för många andra metaller och för kisel. (Kisel används till exempel i solceller och elektronik). Problemet med detta är dock att du först måste producera aluminium, vilket för närvarande inte sker utan CO₂ utsläpp. Denna kategori av metallproduktion kommer därför helt och hållet att vara beroende av att vi sätter in metoder både för att tillverka och återvinna de nya reduktionsmedlen på ett klimatneutralt sätt.

Varför inte återvinna kolet?

På tal om återvinning är återvinning av kol en slags "helig gral". Det skulle vara ett oerhört intressant alternativ, eftersom kol kan produceras utan fossila råvaror. Samtidigt skulle återvinning bidra till att minska trycket på biologiska kolkällor, såsom skogar. Om vi ​​kunde fånga CO₂ från avgaserna och sedan dela upp den till syrgas, som kan frigöras, och en kolform som kan sättas tillbaka i ugnar och/eller elektrolysceller, det hade varit en mycket attraktiv lösning.

Utmaningen är att CO₂ är så otroligt stabil att det kommer att behövas enorma mängder energi för att dela upp det. Mängden energi kan möjligen minskas något genom att använda högteknologiska katalysatorer, som ceriumhaltiga partiklar eller biologiska organismer som alger eller bakterier.

Det finns med andra ord många olika alternativ som alla har både fördelar och nackdelar. Det finns dock goda skäl att tro att några av dessa alternativ kan vara nyckeln till att förverkliga en klimatneutral metallindustri i framtiden. + Utforska vidare

Forskare utvecklar ett nytt sätt att beräkna miljöpåverkan från ammoniakproduktion