Серия: Горное дело & материалы • часть 6
Алюминий, медь и редкие металлы — жилы энергии
Сталь — наши кости; алюминий — наши крылья; медь — наши нервы; а батарейные металлы — ионы, поддерживающие жизнь. В этой части мы «обвиваем» планету проводами — с чистой электроэнергией, чистыми печами и заводами, которые ведут себя как соседи.
Сегодняшняя миссия
Показать, как мы производим алюминий, медь и металлы для батарей без дымов
Опубликовать заранее рассчитанные нагрузки, площади и потоки продукции.
Создать «жилки» мира, работающие от солнечной энергетической фабрики (часть 3).
Почему эти металлы (нервная система цивилизации)
Алюминий делает конструкции лёгкими, устойчивыми к коррозии и быстро транспортируемыми. Медь элегантно переносит электроны: двигатели, трансформаторы, шины. Никель, кобальт, марганец и литий настраивают химию батарей. В нашем строительстве всё это — электричество от шахты до продукта: без дизеля, без угля.
- Электрический нагрев (индукция, сопротивление) заменяет горелки.
- Замкнутые контуры собирают газы и перерабатывают воду.
- Солнечный семенной завод (часть 3) «печатает» мегаватты для всего.
Алюминий — лёгкий, быстрый, бесконечно перерабатываемый
Процесс вкратце
- Боксит → Bayer (добыча, промывка, переварка, осаждение) → алюмина
- Алюмина → литейный цех (Hall‑Héroult) с чистой электроэнергией (предпочтительны инертные аноды)
- Литейный цех: заготовки, плиты, литейные сплавы; прокатка/экструзия рядом
Памятка на одну тонну (ориентировочно)
| Шаг | Электричество | Примечания |
|---|---|---|
| Рафинирование алюминия | ~0.4–1.0 MWh/t Al | Переварочные насосы, электрифицированные кальцинаторы |
| Плавка (ячейки) | ~14–16 MWh/t Al | Меньше с инертными анодами и возвратом тепла |
| Литьё/завершение | ~1–3 MWh/t Al | Индукционные печи, фильтры |
Переплавка лома: ~1–1.5 MWh/t (плавка и литьё) — почему мы любим замкнутые циклы.
Зачем инертные аноды?
Они устраняют затраты на угольные аноды и скачки перфторуглеводородов, снижают CO₂ процесса и упрощают обработку газов. Тем не менее, мы применяем полный сбор и фильтрацию; воздух вокруг — для закатов, а не для дымоходов.
Медь — провода, обмотки и тепло
Процесс вкратце
- Сульфидный концентрат → свинцовая плавильная печь и конвертер → аноды
- Электрорафина (ER) → катод 99,99%
- Вниз по течению: прокатка прутков, эмалированная проволока, шины, фольга
Памятка на одну тонну (ориентировочно)
| Шаг | Электричество | Примечания |
|---|---|---|
| Плавка/конвертация (с помощью электроэнергии) | ~0.4–0.8 MWh/t Cu | Печь экзотермическая; тепло возвращаем |
| Электрорафина | ~2.0–3.0 MWh/t Cu | Постоянная DC нагрузка — мечта микросети |
| Цеха прутков/фольги | ~0.1–0.3 MWh/t Cu | Двигатели и отжиг — вся электроэнергия |
Выброшенные газы направляем в цех кислоты; без факелов, только продукты.
Почему здесь не SX/EW (растворная экстракция/электролиз)?
SX/EW отлично подходят для оксидов и вымывных растворов; для сульфидов лучше всего плавка + ER. Тем не менее, у нас есть «зелёные» линии вымывания для шлихов и низких концентраций — чтобы каждый атом был учтён.
Быстрый справочник по металлам для батарей — Ni, Co, Mn, Li
Химия батарей — буфет. Заводы проектируем как Lego-блоки: вымывание/HPAL или кальцинация → MHP или раствор → EW/кристаллизация → сульфаты/гидроксиды. Всё — электричество. Вода — в замкнутых контурах. Реагенты — умные.
Электроэнергия на тонну (ориентировочно, включая электрифицированное тепло)
| Продукт | кВт·ч на тонну продукта | Примечания |
|---|---|---|
| Сульфат никеля (из латерита через HPAL + EW) | ~3 800–10 200 | EW + e‑пар HPAL; зависит от местоположения и руды |
| Сульфат кобальта | ~1 600–4 400 | EW + кристаллизация |
| Сульфат марганца | ~780–2 330 | Обжиг/вымывание электрифицированы; «полировка» |
| Гидроксид лития (из сподумена) | ~3 700–8 300 | Электрические кальцинаторы + кристаллизаторы |
Режимы отражают качество руды/рассолa, долю переработки и насколько агрессивно мы электрифицируем тепло.
Нагрузки «постоянного DC рая»
- Рамы электролиза (EW) дают постоянный DC → легко буферизовать аккумуляцией.
- Кристаллизаторы и насосы работают тихо; временной сдвиг достигается накоплением тепла.
- Всё находится в той же солнечной микросети, что и сталь, медь и стекло (3–5 части).
А реагенты?
Стандартизируем в безвредные или перерабатываемые реагенты (например, аммиачные петли, сульфатные системы), собираем пары и удерживаем воду в замкнутых контурах. «Отходы» становятся входами для соседей (например, кислота — для промывки, щёлочь — для нейтрализации).
Предварительно рассчитанные сценарии заводов
Городки алюминия (плавильни)
| Мощность | Вид. apkrova | Минимум PV | 12 часов хранилище | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| 500 kt/metus | ~0.8–1.1 GW | ~4.1–5.6 GWp | ~9.6–13.2 GWh | Совпадает с цифрами части 4 |
| 1.0 Mt/metus | ~1.6–2.2 GW | ~8.2–11.3 GWp | ~19–26 GWh | Инертные аноды снижают нижний предел |
PV „min“ pagal Vid.(MW)×5.14 (5,5 PSH, 85% naudingumas). Dydiname, kad maitintume valcavimą ir kaimynus.
Городки медных катодов
| Мощность | Вид. apkrova | Минимум PV | 12 часов хранилище | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| 1.0 Mt/metus | ~280–450 MW | ~1.44–2.31 ГВтp | ~3.4–5.4 ГВт·ч | ER доминирует, очень равномерно |
| 2.0 Мт/год | ~560–900 МВт | ~2.9–4.6 ГВтp | ~6.8–10.8 ГВт·ч | Пополняем кислотный цех, линия фольги |
Теплота плавления экзотермическая — направляем её в паровые сети и соседям.
Металлы для батарей — быстрый выбор размера городка
| Продукт | Масштаб завода | Средняя нагрузка на электроэнергию | Минимум PV | 12 часов хранилище | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Сульфат никеля | 100 кт/год | ~50–130 МВт | ~260–670 МВтp | ~0.6–1.6 ГВт·ч | HPAL + EW, электрифицированное тепло |
| Сульфат кобальта | 50 кт/год | ~9–25 МВт | ~46–129 МВтp | ~0.1–0.3 ГВт·ч | Часто спаривается с Ni |
| Сульфат марганца | 300 кт/год | ~30–80 МВт | ~154–411 МВтp | ~0.36–0.96 ГВт·ч | Для предшественников LMFP/NMC |
| Гидроксид лития | 100 кт/год | ~50–100 МВт | ~257–514 МВтp | ~0.6–1.2 ГВт·ч | Электрифицированный путь сподумена |
Тепло рассматриваем как электрического "арендатора" (E‑котлы, тепловые насосы). Цифры включают эквиваленты электрифицированного тепла.
Следы, вода и соседи
Типичные следы
- Алюминий 1 Мт/год: плавильня + литейные цеха ~60–100 га; PV-поле 8–11 км² рядом
- Медь 1 Мт/год: плавка/конверсия/ER ~30–60 га; PV-поле 1.4–2.3 км²
- Батарейный посёлок: по 20–60 га на каждый продукт; общие коммунальные службы и лаборатории
Вода и воздух
- Охлаждение замкнутого цикла; дождь с солнечных «лужаек» — в технологическую воду.
- Кислотные цеха и скрубберы «упаковывают» SO₂ и HF в продукты, а не в небо.
- Шум <85 дБА у забора; конвейеры закрыты; специально скучно.
Наши шахты оставляют озёра (часть 1). Наши плавильные цеха оставляют солнечный свет. Единственный «дым» — утренний пар, который, скорее всего, направим в прачечную.
Нажмите, чтобы открыть K&K
«Алюминий кажется энергоёмким — это проблема?»
Это — преимущество. Алюминий — батарея в металлической форме: заранее потреблённая электроэнергия превращается в лёгкую, нержавеющую конструкцию века, которая перерабатывается с затратами около 10% энергии. С солнечной сотовой фабрикой сначала «напечатали» мегаватты, затем отливаем крылья.
«Как поддерживаете чистоту меди, если плавка "горячая"?»
Плавка сульфидов экзотермична — тепло собираем, SO₂ превращаем в серную кислоту (ценный продукт), а все вспомогательные системы приводим в движение электричеством. Зал ER — постоянная нагрузка DC, обожает солнце + аккумуляцию.
«Разве реагенты для батарейных металлов не "злонамеренные"?»
Выбираем здравый смысл (сульфатные, аммиачные циклы), паровые пути закрываем, воду перерабатываем. Твёрдые отходы инертны и, где возможно, используются. Если реагент ведёт себя неподобающе — его не приглашают.
«Могут ли такие посёлки жить рядом с городами?»
Да — именно такая задумка. Электрические приводы, закрытые цеха и замкнутые контуры делают соседа «тяжёлой промышленности» тихим. Озеро из части 1 — парк через пять лет.
Далее: Мегавэны и маховики — грузовики как движущиеся аккумуляторы (часть 7). Логиcтику превратим в энергохранилище и сделаем так, чтобы площадка напоминала балет.