Sērija: Kāršana & materiāli • 6. daļa
Alumīnijs, varš un reti metāli — jaudas asinsvadi
Tērauds — mūsu kauli; alumīnijs — mūsu spārni; varš — mūsu nervi; un bateriju metāli — joni, kas uztur dzīvību. Šajā daļā mēs “aptinam” planētu ar vadiem — ar tīru elektrību, tīrām krāsnīm un rūpnīcām, kas uzvedas kā kaimiņi.
Šodienas misija
Parādīt, kā mēs ražojam alumīniju, varu un akumulatoru metālus bez dūmiem
Paziņot iepriekš aprēķinātas slodzes, platības un produktu plūsmas.
Izveidot pasaules “asinsvadus”, kas darbojas no saules sēklas rūpnīcas (3. daļa).
Kāpēc šie metāli (civilizācijas nervu sistēma)
Alumīnijs padara konstrukcijas vieglas, izturīgas pret koroziju un ātri transportējamas. Varš eleganti pārnes elektronus: motori, transformatori, sliedes. Nikls, kobalts, mangāns un litijs pielāgo bateriju ķīmiju. Mūsu būvniecībā viss tas — elektrība no raktuves līdz produktam: bez dīzeļdegvielas, bez oglekļa.
- Elektriskā apkure (indukcija, pretestība) aizvieto degļus.
- Slēgtie kontūri savāc gāzes un pārstrādā ūdeni.
- Saules sēklu rūpnīca (3. daļa) „drukā" megavatus visam.
Alumīnijs — viegls, ātrs, bezgalīgi pārstrādājams
Procesa kopsavilkums
- Boksīts → Bayer (iegūšana, mazgāšana, viršana, nogulsnēšana) → alumīnija oksīds
- Alumīnija oksīds → liejotava (Hall‑Héroult) ar tīru elektrību (vēlamie inertie anodi)
- Liejtava: sagataves, loksnes, liešanas sakausējumi; valcēšana/ekstruzija blakus
Atgādinājums vienai tonnai (orientējoši)
| Solis | Elektroenerģija | Piezīmes |
|---|---|---|
| Alumīnija rafinēšana | ~0.4–1.0 MWh/t Al | Viršanas sūkņi, elektrificēti kalcinatori |
| Kausēšana (celas) | ~14–16 MWh/t Al | Mazāk ar inertajiem anodiem un siltuma atgūšanu |
| Liejums/pabeigšana | ~1–3 MWh/t Al | Indukcijas krāsnis, filtri |
Lūžņa kausēšana: ~1–1.5 MWh/t (kausēšana un liešana) — kāpēc mēs mīlam slēgtos ciklus.
Kāpēc inertie anodi?
Tie novērš oglekļa anodu patēriņu un perfluorogļūdeņražu lēcienus, samazina procesa CO₂ un vienkāršo gāzu apstrādi. Tomēr mēs piemērojam pilnīgu savākšanu un filtrēšanu; apkārtējais gaiss — saulrietam, ne skursteņiem.
Varš — vadi, tinumi un siltums
Procesa kopsavilkums
- Sulfīda koncentrāts → zibens kausēšanas krāsns un konvertors → anodi
- Elektrorafina (ER) → katods 99,99%
- Lejupplūsma: stieņu velmēšana, emaljēta stieple, sliedes, folija
Atgādinājums vienai tonnai (orientējoši)
| Solis | Elektroenerģija | Piezīmes |
|---|---|---|
| Kausēšana/konvertēšana (ar elektroenerģijas palīdzību) | ~0.4–0.8 MWh/t Cu | Krāsns ir ekzotermiska; siltumu atgūstam |
| Elektrorafina | ~2.0–3.0 MWh/t Cu | Pastāvīga DC slodze — mikrotīkla sapnis |
| Stieņu/folijas cehi | ~0.1–0.3 MWh/t Cu | Motori un atkaitas — visa elektroenerģija |
Izplūdes gāzes novirzām uz skābes cehu; bez flāriem, tikai produkti.
Kāpēc šeit ne SX/EW (šķīdinātāja ekstrakcija/elektroizstrāde)?
SX/EW lieliski piemēroti oksīdiem un izskalošanas šķīdumiem; sulfīdiem vislabāk piemērota kausēšana + ER. Tomēr mums joprojām ir „zaļās“ izskalošanas līnijas šlikiem un zemām koncentrācijām — lai katrs atoms tiktu saskaitīts.
Bateriju metālu ātrā atmiņa — Ni, Co, Mn, Li
Bateriju ķīmija — bufete. Rūpnīcas projektējam kā Lego blokus: izskalošana/HPAL vai kalcinēšana → MHP vai šķīdums → EW/kristalizācija → sulfāti/hidroksīdi. Viss — elektrība. Ūdens — slēgtos kontūros. Reaktanti — gudri.
Elektrība vienam tonnam (orientējoši, ieskaitot elektrificētu siltumu)
| Produkts | kWh vienai produkta tonnai | Piezīmes |
|---|---|---|
| Niķeļa sulfāts (no laterīta caur HPAL + EW) | ~3 800–10 200 | EW + e‑tvaiki HPAL; atkarīgs no vietas un rūdas |
| Kobalta sulfāts | ~1 600–4 400 | EW + kristalizācija |
| Mangāna sulfāts | ~780–2 330 | Cepšana/izskalošana elektrificēta; „pulēšana“ |
| Litija hidroksīds (no spodumēna) | ~3 700–8 300 | Elektriskie kalcinatori + kristalizatori |
Režīmi atspoguļo rūdas/sūrymas kvalitāti, pārstrādes daļu un to, cik agresīvi elektrificējam siltumu.
„Pastāvīgā DC paradīze“ slodzes
- Elektroizstrādes rāmji (EW) dod pastāvīgu DC → viegli buferēt ar akumulāciju.
- Kristalizatori un sūkņi rūc pieklājīgi; laika nobīdi veicam ar siltuma uzkrāšanu.
- Viss atrodas tajā pašā saules mikrotīklā kā tērauds, varš un stikls (3–5 daļas).
O reaģenti?
Standartizējam uz nekaitīgiem vai pārstrādājamiem reaģentiem (piemēram, amonjaka cilpas, sulfāta sistēmas), savācam tvaikus un turam ūdeni slēgtos kontūros. „Atkritumi“ kļūst par kaimiņu ieejām (piemēram, skābe — skalošanai, sārms — neitralizācijai).
Iepriekš aprēķināti rūpnīcu scenāriji
Alumīnija ciemati (kausēšanas rūpnīcas)
| Jauda | Vid. slodze | PV min | 12 stundu krātuve | Piezīmes |
|---|---|---|---|---|
| 500 kt/gadā | ~0.8–1.1 GW | ~4.1–5.6 GWp | ~9.6–13.2 GWh | Sakrīt ar 4. daļas skaitļiem |
| 1.0 Mt/gadā | ~1.6–2.2 GW | ~8.2–11.3 GWp | ~19–26 GWh | Inertie anodi samazina apakšējo robežu |
PV „min“ pēc Vid.(MW)×5.14 (5,5 PSH, 85% efektivitāte). Palielinām, lai barotu valcēšanu un kaimiņus.
Varu katodu ciemati
| Jauda | Vid. slodze | PV min | 12 stundu krātuve | Piezīmes |
|---|---|---|---|---|
| 1.0 Mt/gadā | ~280–450 MW | ~1.44–2.31 GWp | ~3.4–5.4 GWh | ER dominē, ļoti vienmērīgi |
| 2.0 Mt/gadā | ~560–900 MW | ~2.9–4.6 GWp | ~6.8–10.8 GWh | Papildinām skābes cehu, folijas līniju |
Eksotermiskā kušanas siltuma — mēs to novirzām tvaika tīkliem un kaimiņiem.
Akumulatoru metāli — ātra pilsētiņas izmēra izvēle
| Produkts | Rūpnīcas mērogs | Vid. elektro slodze | PV min | 12 stundu krātuve | Piezīmes |
|---|---|---|---|---|---|
| Niķeļa sulfāts | 100 kt/gadā | ~50–130 MW | ~260–670 MWp | ~0.6–1.6 GWh | HPAL + EW, elektrificēts siltums |
| Kobalta sulfāts | 50 kt/gadā | ~9–25 MW | ~46–129 MWp | ~0.1–0.3 GWh | Bieži kombinēts ar Ni |
| Mangāna sulfāts | 300 kt/gadā | ~30–80 MW | ~154–411 MWp | ~0.36–0.96 GWh | LMFP/NMC pirmtakām |
| Litija hidroksīds | 100 kt/gadā | ~50–100 MW | ~257–514 MWp | ~0.6–1.2 GWh | Elektrificēts spodumēna ceļš |
Mēs uzskatām siltumu par elektrisko "īrnieku" (E‑katli, siltumsūkņi). Skaitļi ietver elektrificētas siltuma ekvivalentus.
Pēdas, ūdens un kaimiņi
Tipiskās pēdas
- Alumīnijs 1 Mt/gadā: kausētava + liešanas cehi ~60–100 ha; PV lauks 8–11 km² blakus
- Varš 1 Mt/gadā: kausēšana/konvertēšana/ER ~30–60 ha; PV lauks 1.4–2.3 km²
- Bateriju pilsētiņa: 20–60 ha katram produktam; kopējie komunālie pakalpojumi un laboratorijas
Ūdens un gaiss
- Slēgta cikla dzesēšana; lietus no saules „pļavām“ — procesa ūdenī.
- Skābes darbnīcas un skruberi „ierobežo“ SO₂ un HF produktos, nevis debesīs.
- Trokšņa līmenis <85 dBA pie žoga; konveijeri pārklāti; apzināti garlaicīgi.
Mūsu raktuves atstāj ezerus (1. daļa). Mūsu kausēšanas darbnīcas atstāj saules gaismu. Vienīgais „dūmi“ — rīta tvaiks, ko, visticamāk, novadīsim uz veļas mazgātavu.
Pieskarieties, lai atvērtu K&K
„Alumīnijs šķiet enerģētiski prasīgs — vai tas ir problēma?“
Tas ir priekšrocība. Alumīnijs — baterija metāla formā: iepriekš patērētā elektrība pārvēršas gadsimta vieglā, nerūsējošā konstrukcijā, kuru pārstrādā par ~10% enerģijas. Ar saules saules rūpnīcu vispirms „izdrukājam“ megavatus, pēc tam liekam spārnus.
„Kā uzturat vara tīrību, ja kausēšana ir „karsta“?“
Sulfīdu kausēšana ir eksotermiska — siltumu savācam, SO₂ pārvēršam sēra skābē (vērtīgs produkts), un visas palīgierīces darbinām ar elektrību. ER zāle — pastāvīga DC slodze, kas dievina sauli + akumulāciju.
„Vai bateriju metālu reaģenti nav „ļaunprātīgi“?“
Izvēlamies veselīgu saprātu (sulfātu, amonjaka cilpas), tvaika ceļus aizveram, ūdeni pārstrādājam. Cietie atkritumi ir inertie un, kur iespējams, tiek izmantoti. Ja reaģents neuzvedas pienācīgi — tas netiek aicināts.
„Vai tādas pilsētiņas var dzīvot blakus pilsētām?“
Jā — tieši tāds ir plāns. Elektriskās piedziņas, slēgtas darbnīcas un slēgti kontūri padara „smagās rūpniecības“ kaimiņu klusu. 1. daļas ezers — parks pēc pieciem gadiem.
Turpinājums: Megavanai un smagie kravas automobiļi — kravas automobiļi kā ripojošas baterijas (7. daļa). Loģistiku pārvērtīsim enerģijas krātuvē un padarīsim, lai laukums atgādinātu baletu.