Efter järn, den mest använda metallen:94 ton aluminium produceras elektrolytiskt över hela världen varje år. Tills nu, elen till detta har kommit från vattenkraftverk, men ofta också från konventionella kraftverk. I genomsnitt, produktionen av ett ton aluminium i Tyskland genererar därför mer än åtta ton koldioxid 2 . Kredit:123RF
Sex procent av den globala CO 2 utsläpp—4.4. miljarder ton per år — produceras för närvarande av stål- och aluminiumindustrin. I en översiktsartikel för tidskriften Natur , Dierk Raabe, Direktör vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Düsseldorf, och forskare från MIT i Cambridge Massachusetts beskriver hur den enorma CO 2 fotavtryck i metallproduktion och användning kan minskas. Å ena sidan, de föreslår åtgärder som kan genomföras snabbt och med relativt liten ansträngning. Å andra sidan, de formulerar långsiktiga mål som endast kan uppnås med hjälp av omfattande grundforskning.
Moderna samhällen skulle knappast kunna fungera utan metaller:enbart produceras 1,7 miljarder ton stål och 94 miljoner ton aluminium per år. De stöder bokstavligen industriell produktion, byggnader, och transport samt energiförsörjning, telekommunikation, och medicin. Och år 2050, mängden metalliska material som produceras och används årligen kan återigen fördubblas – och till och med tredubblas – för vissa material. Dock, att utvinna metaller ur malmer är extremt energikrävande och producerar enorma mängder CO 2 utsläpp, och därmed bidra till klimatförändringarna. Stål- och aluminiumproducenter släpper ut 30 % av de växthusgaser som släpps ut av industriföretag över hela världen. "Vi måste minska denna industriella CO 2 utsläpp, " säger Dierk Raabe. "Och metallindustrin kan ge ett betydande bidrag." Inte minst för att industriländerna vill vara i stort sett klimatneutrala (dvs. ha en positiv CO2) 2 saldo) från 2050.
Ökande efterfrågan på metalliska material och minskande CO 2 budget:För att stämma av dessa scenarier, Dierk Raabe analyserar hur man kan minska CO 2 utsläpp i metallindustrin tillsammans med MIT-forskarna C. Cem Tasan och Elsa A. Olivetti. "Detta är en uppgift för båda, industri och grundforskning, " säger Max Planck-forskaren. "För det första, metallindustrin har redan möjligheter att effektivt minska CO 2 på kort sikt. Dock, Det finns fortfarande många potentiella områden för grundforskning i utvecklingen av hållbara legeringar." Forskarna belyser alltså fem områden där industriföretag och forskare kan – och måste – bli verksamma:
Mer hållbarhet i produktion och förädling
För att minska CO 2 utsläpp i produktionen, industrin måste återvinna mer skrot. Att smälta ner en metall förbrukar betydligt mindre energi än att utvinna den från dess malm. "Detta gäller framför allt avfall som genereras i själva metallindustrin eftersom det handlar om stora mängder, och de kan separeras relativt homogent, säger Dierk Raabe.
Vid tillverkning av metaller och deras legeringar, CO 2 -neutrala processer krävs alltmer. På det här sättet, respektive malmer kan elektrolytiskt reduceras direkt till motsvarande metaller med regenererad elektricitet. Dock, metaller kan också helt eller delvis erhållas med hjälp av regenerativt väte.
Företag kan också spara mycket energi och därmed CO 2 vid bearbetning av metaller, särskilt genom att minska de betydande förluster som uppstår i alla skeden. Till exempel, 40 % av det smälta aluminiumet går förlorat innan det ens har blivit en plåt. När det gäller stål, detta skrot uppgår till 25 % redan i början av bearbetningen.
Stålindustrin blickar framåt mot hållbar förändring:Järn produceras fortfarande till stor del idag i masugnar och med kol som reduktionsmedel. I framtiden, regenerativt framställt väte skulle initialt kunna användas, men på lång sikt bör masugnar till och med ersättas av elektrolysceller - om elen kommer från regenerativa källor. Kredit:123RF
Staden som gruva:sortering och återvinning
För att kunna öka andelen återvunnen metall, skrot måste sorteras bättre eftersom en legering fyller sin funktion endast om den inte innehåller för mycket föroreningar. Återvinning kräver därför sofistikerade tekniker för att identifiera, separat, rena, och krossa legeringar. Innan dessa processer är fulländade och konkurrenskraftiga, forskning för metallindustrin skulle kunna utveckla legeringar för vilka egenskaperna knappast – eller inte alls – påverkas av föroreningar. Metallurger ägnar sig alltmer åt att förbättra möjligheterna till återvinning.
Hållbar legeringsdesign för återvinningsbara material
Å ena sidan, forskare undersöker redan legeringar för olika applikationer där egenskaperna inte påverkas nämnvärt av föroreningar. Dock, de måste först förstå hur de minsta spåren av andra grundämnen kan påverka en legering där de egentligen inte borde förekomma. Å andra sidan, materialforskare förfinar möjligheterna att kontrollera beteendet hos metalliska material inte bara genom deras kemiska sammansättning utan också genom deras mikro- och nanostruktur. När antalet legeringar som skiljer sig kemiskt minskar, det blir lättare att separera och återvinna metallskrot. I liknande riktning, ansträngningar görs för att komponera crossover eller enhetliga legeringar. Sådana legeringar bör kunna utföra olika uppgifter för vilka specialmaterial tidigare utvecklats. "Forskning om metalliska material står inför ett paradigmskifte, " säger Dierk Raabe. "Än så länge, legeringar har optimerats för engångsanvändning. Än, i framtiden, Vi måste ta mer hänsyn till återvinningsbarheten när vi utformar sammansättning och egenskaper."
Längre livslängd tack vare korrosionsskydd och upprepad användning
Metallindustrins ekologiska fotavtryck kan minskas drastiskt genom att göra legeringar (eller komponenterna som tillverkas av dem) mer hållbara. Färre metaller kommer att behöva tillverkas för att ersätta dem. "Framför allt, korrosionsskydd skulle ha en enorm effekt här, " säger Dierk Raabe. Metallindustrin och materialvetare hanterar olika typer av korrosion beroende på vilken metall som är inblandad och i vilken kemisk miljö ett material används. Detta sträcker sig från konventionell rost eller andra former av elektrokemisk korrosion till slitage orsakat av tung mekanisk stress och väteförsprödning. Ansträngningarna för att motverka dem är lika varierande som själva korrosionseffekterna. Industrin skyddar många metaller från elektrokemisk nedbrytning med offeranoder (vars material korroderas först). Materialforskare undersöker också legeringar som läker sprickor och andra skadar sig själva genom att ändra sin mikrostruktur De utvecklar också beläggningar som kan eliminera (eller åtminstone mildra) korrosionsskador.
Korroderad genom väte:Vid väteförsprödning, elementet perforerar metaller så att sprickor bildas mycket snabbt och materialet går sönder. Om väte, vars små molekyler penetrerar många material, används allt mer i framtiden, denna form av korrosion kan bli ett ännu större problem. Kredit:MPI für Eisenforschung
Dock, inte alla metallkomponenter kasseras eller byts ut eftersom de är slitna eller korroderade. De måste ofta ge vika av ekonomiska skäl. Att använda dem någon annanstans utan att först smälta ner dem och sedan producera samma komponent igen skulle också spara mycket energi. "För att skapa lämpliga återvinningskedjor, lämpliga incitament måste fastställas på politisk nivå, säger Dierk Raabe.
Energieffektivitet genom lätt konstruktion och bättre temperaturbeständighet
Ekobalansen för metallprodukter i sig kan förbättras genom att använda dem så länge som möjligt. Dock, energi kan också sparas om utformningen av materialen och komponenterna optimeras därefter. Till exempel, bilar med lättare karosser förbrukar mindre bränsle, och turbiner som kan arbeta vid högre temperaturer genererar mer effektiv el från värmen från fossila bränslen. I vissa fall, applikationens effektivitet kan fortfarande förbättras genom utformningen av komponenterna; 3D-utskrift skapar nya möjligheter här. I många fall, dock, metallurger uppmanas återigen att utveckla lämpliga legeringar. Genom att ändra sammansättningen och mikrostrukturen, de kan öka materialens styrka, minska deras densitet, eller öka deras motståndskraft mot höga temperaturer.
"Metalliska material är oumbärliga i en modern ekonomi, " sammanfattar Dierk Raabe. "Lyckligtvis, vi har många möjligheter att göra dem lämpliga för en hållbar – och framför allt CO 2 -neutral-ekonomi."
