Серія: Видобуток & матеріали • 6 частина
Алюміній, мідь і рідкісні метали — жили енергії
Сталь — наші кістки; алюміній — наші крила; мідь — наші нерви; а батарейні метали — іони, що підтримують життя. У цій частині ми «обгортаємо» планету проводами — з чистою електрикою, чистими печами та фабриками, які поводяться як сусіди.
Сьогоднішня місія
Показати, як ми виробляємо алюміній, мідь і батарейні метали без димів
Опублікувати заздалегідь розраховані навантаження, площі та потоки продукції.
Створити «жили» світу, що працюють від сонячної насіннєвої фабрики (3 частина).
Чому ці метали (нервова система цивілізації)
Алюміній робить конструкції легкими, стійкими до корозії та швидко транспортуваними. Мідь елегантно переносить електрони: двигуни, трансформатори, рейки. Нікель, кобальт, марганець і літій налаштовують хімію батарей. У нашому будівництві все це — електрика від шахти до продукту: без дизеля, без вугілля.
- Електричне опалення (індукція, опір) замінює пальники.
- Замкнені контури збирають гази та переробляють воду.
- Сонячна насіннєва фабрика (3 частина) «друкує» мегавати для всього.
Алюміній — легкий, швидкий, безкінечно перероблюваний
Процес коротко
- Боксит → Bayer (видобуток, миття, витравлювання, осадження) → алюмініна
- Алюміна → ливарня (Hall‑Héroult) з чистою електроенергією (бажані інертні аноди)
- Ливарня: заготовки, плити, литі сплави; валкування/екструзія поруч
Пам’ятка на одну тонну (орієнтовна)
| Крок | Електрика | Примітки |
|---|---|---|
| Рафінування алюмінію | ~0.4–1.0 MWh/t Al | Перекачувальні насоси, електрифіковані кальцинатори |
| Плавлення (ячейки) | ~14–16 MWh/t Al | Менше з інертними анодами та відновленням тепла |
| Лиття/завершення | ~1–3 MWh/t Al | Індукційні печі, фільтри |
Переплавлення брухту: ~1–1.5 MWh/t (плавлення та лиття) — чому ми любимо замкнені цикли.
Чому інертні аноди?
Вони усувають витрати на вугільні аноди та стрибки перфторвуглеводнів, знижують CO₂ процесу і спрощують обробку газів. Все одно застосовуємо повний збір і фільтрацію; повітря навколо — для заходів сонця, а не для димарів.
Мідь — дроти, обмотки та тепло
Процес коротко
- Сульфідний концентрат → блискавична плавильна піч і конвертер → аноди
- Електрорафінування (ER) → катод 99,99%
- Вниз за течією: прокатка прутків, емальований дріт, шини, фольга
Пам’ятка на одну тонну (орієнтовна)
| Крок | Електрика | Примітки |
|---|---|---|
| Плавлення/конвертування (з електричною допомогою) | ~0.4–0.8 MWh/t Cu | Піч екзотермічна; тепло відновлюємо |
| Електрорафінування | ~2.0–3.0 MWh/t Cu | Постійне DC навантаження — мрія мікромережі |
| Цехи прутків/фольги | ~0.1–0.3 MWh/t Cu | Двигуни та відпал — вся електрика |
Викидні гази спрямовуємо до цеху кислоти; без факелів, лише продукти.
Чому тут не SX/EW (розчинна екстракція/електрогідрометалургія)?
SX/EW чудово підходить для оксидів і розчинів вимивання; для сульфідів найкраще плавлення + ER. Все одно маємо «зелені» лінії вимивання для шліків і низьких концентрацій — щоб кожен атом порахувати.
Швидка пам’ятка металів для батарей — Ni, Co, Mn, Li
Хімія батарей — буфет. Заводи проєктуємо як блоки Lego: вимивання/HPAL або кальцинування → MHP або розчин → EW/кристалізація → сульфати/гідроксиди. Все — електрика. Вода — у замкнутих контурах. Реагенти — розумні.
Електроенергія на тонну (орієнтовно, включно з електрифікованим теплом)
| Продукт | кВт·год на тонну продукту | Примітки |
|---|---|---|
| Сульфат нікелю (з латериту через HPAL + EW) | ~3 800–10 200 | EW + e‑пари HPAL; залежить від місця та руди |
| Сульфат кобальту | ~1 600–4 400 | EW + кристалізація |
| Сульфат марганцю | ~780–2 330 | Обпалювання/вимивання електрифіковані; «полірування» |
| Гідроксид літію (з сподумену) | ~3 700–8 300 | Електричні кальцинатори + кристалізатори |
Режими відображають якість руди/розсолу, частку переробки та те, наскільки агресивно ми електрифікуємо тепло.
Навантаження «Постійного DC раю»
- Рамки електрогідрометалургії (EW) дають постійний DC → легко буферизувати акумуляцією.
- Кристалізатори та насоси працюють тихо; часовий зсув здійснюємо за допомогою накопичення тепла.
- Все знаходиться в тій самій сонячній мікромережі, що й сталь, мідь і скло (3–5 частини).
А реагенти?
Стандартизуємо у нешкідливі або переробні реагенти (наприклад, аміачні петлі, сульфатні системи), збираємо пари і тримаємо воду в замкнутих контурах. «Відходи» стають внесками сусідів (наприклад, кислота — для промивання, луг — для нейтралізації).
Заздалегідь розраховані сценарії заводів
Містечка алюмінію (плавильні)
| Потужність | Від. apkrova | PV мін | 12 год. сховище | Примітки |
|---|---|---|---|---|
| 500 кт/рік | ~0.8–1.1 GW | ~4.1–5.6 GWp | ~9.6–13.2 GWh | Збігається з цифрами частини 4 |
| 1.0 Mt/metus | ~1.6–2.2 GW | ~8.2–11.3 GWp | ~19–26 GWh | Інертні аноди знижують нижню межу |
PV „min“ за Vid.(MW)×5.14 (5,5 PSH, 85% ККД). Збільшуємо, щоб живити прокатку та сусідів.
Містечка мідних катодів
| Потужність | Від. apkrova | PV мін | 12 год. сховище | Примітки |
|---|---|---|---|---|
| 1.0 Mt/metus | ~280–450 MW | ~1.44–2.31 ГВтp | ~3.4–5.4 ГВт·год | Переважає ER, дуже рівномірно |
| 2.0 Мт/рік | ~560–900 МВт | ~2.9–4.6 ГВтp | ~6.8–10.8 ГВт·год | Додаємо кислоту в цех, лінія фольги |
Теплота плавлення екзотермічна — направляємо її в парові мережі та сусідам.
Метали для акумуляторів — швидкий вибір розміру містечка
| Продукт | Масштаб заводу | Середнє електричне навантаження | PV мін | 12 год. сховище | Примітки |
|---|---|---|---|---|---|
| Сульфат нікелю | 100 кт/рік | ~50–130 МВт | ~260–670 МВтp | ~0.6–1.6 ГВт·год | HPAL + EW, електрифіковане тепло |
| Сульфат кобальту | 50 кт/рік | ~9–25 MW | ~46–129 MWp | ~0.1–0.3 GWh | Часто поєднується з Ni |
| Сульфат марганцю | 300 кт/рік | ~30–80 MW | ~154–411 MWp | ~0.36–0.96 GWh | Для попередників LMFP/NMC |
| Гідроксид літію | 100 кт/рік | ~50–100 MW | ~257–514 MWp | ~0.6–1.2 GWh | Електрифікований шлях сподумену |
Тепло розглядаємо як електричного «орендаря» (E‑котли, теплові насоси). Цифри включають еквіваленти електрифікованого тепла.
Сліди, вода і сусіди
Типові сліди
- Алюміній 1 Мт/рік: плавильня + ливарні ~60–100 га; PV поле 8–11 км² поруч
- Мідь 1 Мт/рік: плавлення/конвертація/ER ~30–60 га; PV поле 1.4–2.3 км²
- Містечко батарей: по 20–60 га на кожен продукт; спільні комунальні послуги та лабораторії
Вода і повітря
- Охолодження замкнутого циклу; дощ із сонячних «газонів» — у технологічну воду.
- Цехи кислот і скруберів «упаковують» SO₂ і HF у продукти, а не в небо.
- Шум <85 дБА біля паркану; конвеєри накриті; навмисно нудно.
Наші шахти залишають озера (1 частина). Наші плавильні цехи залишають сонячне світло. Єдиний «дим» — ранкова пара, яку, ймовірно, скинемо в пральню.
Натисніть, щоб відкрити K&K
«Алюміній виглядає енергозатратним — чи це проблема?»
Це — перевага. Алюміній — батарея в металевій формі: заздалегідь спожита електроенергія перетворюється на легку, нержавіючу конструкцію століття, яку переробляють за ~10% енергії. З сонячною сільською фабрикою спочатку «друкуємо» мегавати, потім ллємо крила.
«Як підтримуєте чистоту міді, якщо плавлення «гаряче»?»
Плавлення сульфідів екзотермічне — тепло збираємо, SO₂ перетворюємо на сірчану кислоту (цінний продукт), а всі допоміжні системи живимо електрикою. Зала ER — постійне навантаження DC, що обожнює сонце + акумуляцію.
«Чи не є реагенти металів батарей «злоякісними»?»
Обираємо здоровий глузд (сульфатні, аміачні контури), парові шляхи закриваємо, воду переробляємо. Тверді відходи інертні і, де можливо, використовуються. Якщо реагент поводиться недобросовісно — його не запрошують.
«Чи можуть такі містечка жити поруч із містами?»
Так — саме така ідея. Електричні приводи, закриті цехи та замкнені контури роблять сусіда «важкої промисловості» тихим. Озеро з 1 частини — парк через п'ять років.
Далі: Мегавантажівки та маховики — вантажівки як рухомі акумулятори (7 частина). Логістику перетворимо на енергетичне сховище і зробимо так, щоб майданчик нагадував балет.