10 minute read
Återvinning, energiförbrukning och CO2-emissioner vid omsmältning
Text av Tomas Liljenfors, vd Bryne
Återvinning av aluminium kräver endast 5 % av energin som går åt för att tillverka aluminium från jungfrulig råvara, sägs det. Men stämmer det? Nej, det gör det inte. Det är faktiskt som så att förlusterna i en ineffektiv omsmältningsprocess vid återvinning av aluminium ger en mycket högre energiförbrukning, om de räknas med.
I tidernas begynnelse, alltså när vi började återvinna aluminium, räknade man energibesparingen baserat på att förbrukningen för att tillverka aluminium från jungfrulig råvara är 20 000 kWh och att återvinna aluminium krävde 1 000 kWh. Ja, det blev 5 %. Men man räknade inte med metallförlusterna. Alla vet att det blir metallförluster när man återvinner metall, så varför tar man inte med det i beräkningarna? Vi försöker här reda ut vad det innebär om man tar med metallförlusterna i energiberäkningen av aluminium för att därmed få en siffra på energin som avspeglar verkligheten och så att vi därmed lär oss återvinna med mindre förluster. Häng med!
I återvinningsprocessen oxideras alltid en del av aluminiumet eftersom det uppvärmda aluminiumet reagerar med syre. Oxiderna blir föroreningar i aluminiumet. Det är viktigt för förståelsen att skilja på oxider som kommer med råvaran och oxider som bildas i återvinningsprocessen. Oxider som kommer med råvaran, dvs som härrör från råvarans applikation i sitt tidigare liv, går inte att påverka i återvinningsprocessen. Oxider som bildas i återvinningsprocessen kan man däremot påverka genom att förbättra återvinningsprocessen. Preparation av råvara, lagring och omsmältning är alla källor till oxidering under återvinningsprocessen. Vi kommer här fokusera endast på omsmältningen då det vanligtvis är den största källan till oxidation. Begreppet ”utbyte”, som är uttryckt i procent, är massan av den metall som tillverkats vid återvinning dividerats med massan av den använda råvaran. Det maximala utbytet fås när återvinningsprocessen inte har några förluster alls, vilket förstås aldrig är fallet i praktiken. Förlusterna ligger någonstans mellan 1 % och 100 %. Vid 100 % oxideras allt aluminium och inget aluminium återvinns, vilket sker till exempel när folierade produkter, som till exempel kaffekapslar, återvinns i gaseldade ugnar. En låg förlust innebär att processen är anpassad till råvaran, där så låga förluster som 1 % åstadkoms när till exempel tackor smälts ned i effektiva ugnar.
Skal av oxid
Som sydsvensk gillar jag att göra jämförelser med potatis. Råvaran potatis, där fruktköttet skyddas av skalet, kan jämföras med en skrotråvara där aluminiumet skyddas av oxid. Färskpotatis har ett tunt skal och vinterpotatis ett tjockt. När man skalar små färskpotatis blir andelen skal ändå stor, jämfört med stora färskpotatisar. Andelen skal per viktenhet blir mer för små potatisar är stora. Är skalen 1 millimeter tjockt blir utbytet vid skalningen 86 % för en 2 cm lång potatis, och 95 % för en 6 cm lång potatis. Vinterpotatisen har å andra sidan 2 mm tjockt skal vilket ger 73 % för en 2 cm lång potatis, och 90 % för en 6 cm lång potatis. Storleken på potatisen har alltså en stor påverkan på utbytet och små potatisar har ett lägre utbyte jämfört med större. Hur är det då med aluminiumskrot?
Ytan hos aluminium som lagras varmt och fuktigt oxiderar. Precis som för potatis har alltså en skrotråvara som lagrats länge ett tjockare skal än olagrat skrot. Eftersom skalet på skrotråvara, alltså oxiden, inte återbildas till metall så ger tunna oxider ett bättre utbyte än tjocka oxider, och liksom för potatis ger små råvaror ett lägre utbyte än stora. En stor skrotråvara med 50 cm tjocklek har en oxidtjocklek på kanske 2 mikrometer. Det maximala utbytet för denna komponent är då 99,7 %. Spån från maskinbearbetning är också en råvara vid återvinning med en tjocklek på 1 mm. Samma oxidtjocklek som ovan ger ett maximalt utbyte på 88 % för spån, på grund av att andelen yta i förhållande till tjockleken är mycket större för spånor än komponenter. Inte ”potahto, potato” alltså, utan storleken har betydelse.
Oxidation vid omsmältning
När aluminium hettas upp så reagerar syre från luften med aluminiumet och skapar en tjockare oxid. Ju längre tid och ju högre temperatur desto mer oxid. Samma process skapar alltså ett lägre metallutbyte för en tunnare råvara, men det finns flera sätt att minska oxideringen vid omsmältning, speciellt för tunnare skrotråvaror. En snabb uppvärmning, och en snabb nedsmältning, är att rekommendera. Aluminiumskrot som är omgiven av fukt eller organiska material som skärvätska eller plastfolie oxiderar mer vid hög temperatur. Det handlar om att ta bort så mycket av det omgivande syret som möjligt från skrotet, vilket kan göras i prepareringssteg innan omsmältningen, som till exempel när färg tas bort genom bestrålning med infrarött ljus. Det bästa sättet att smälta skrotet är att så snabbt som möjligt få skrotet att sjunka ned under ytan på den smälta metallen. Då blir materialutbytet högt. Smältugnar där varma luftflöde eller flammor från en brännare värmer råvaran ger en hög yttemperatur på skrotet, därmed mer oxidering. Fint skrot som inte snabbt rörs ned under badytan blir snabbt oxiderat. Oftast är det kritiska steget för smältutbytet tiden som råvaran är i ugnen osmält. Även höga yttemperaturer på den smälta metallen är förödande för smältutbytet, vilket sker när en högeffektiv brännare är direktriktad på en stillastående smältbadyta.
Energiförbrukning vid omsmältning
Vad händer då när syre reagerar med aluminium och bildar aluminiumoxid? Jo, metalliskt aluminium oxideras till dess grundtillstånd, det vill säga som vi finner aluminium i naturen. När ett ämne återgår till sitt naturtillstånd så skapas värme och man säger att processen är exoterm. Man kan se det som att en del av den mängd energi som tillförs vid elektrolytprocessen när metalliskt aluminium tillverkas från aluminiumoxid betalas tillbaka i form av värme. Aluminium som oxiderar frigör stora mängder värmeenergi. I räkneexemplet använder vi oss av ett värmetillskott på cirka 5 kWh per kilo oxiderad aluminium, vilket vi kan kalla oxideringsenergi. De 78 kg och 386 kg som i räkneexemplen oxiderar skapar då cirka 389 kWh respektive 1 928 kWh oxideringsenergi. Oxiderna är inte ren aluminiumoxid utan innehåller föroreningar vilket gör det kostsamt att återanvända i elektrolytprocessen. Dessa förorenade oxider blir därmed inte åter metall, utan avfall.
Omsmältningsenergin är det direkta energitillskott i form av bränsle eller elektricitet som går åt för att värma upp råvaran från rumstemperatur och att omvandla den fasta metallen till flytande form. Energin som krävs vid omsmältning är knappt 400 kWh per ton smält aluminium, men med förluster så ligger den typiskt mellan 500 och 1 000 kWh per ton producerad aluminium beroende på ugnstyp och process. I vårt räkneexempel använder vi oss av medelenegin på 750 kW, vilken tillförs med ett bränsle eller elektricitet för att värma upp råvaran i ugnen. I förra numret berörde vi energiförbrukning och utbyte och givetvis är det energiförbrukning per producerat ton som ska användas i beräkningen och inte förbrukningen per ton råvara.
Förluster som anges i räkneexemplen är typiska för normal återvinning med gaseldade ugnar och preparerad råvara och ska återspegla dagens återvinningsprocess. Beräkningsexemplen nedan är därför gjorda med ett utbyte på 10 % respektive 30 %, där 3 % av råvaran oxiderats under skrotets tidigare livscykel. Se vidare räkneexempel oxidation.
De ursprungliga 5 % som beräknats som energiförbrukning för återvinning jämfört med tillverkning av jungfrulig aluminium är i själva verket ett värde mellan 7 och 18 %, beroende på vilka skrotråvaror som finns. Hur blir det om vi också räknar med att kretsloppet kompenseras?
RÄKNEEXEMPEL OXIDATION
Om man sätter 1000 kg skrot i en ugn och får ut 900 kg respektive 700 kg så är metallutbytet 90 % respektive 70 %. Skrotet under sin livscykel har blivit oxiderat till 3%, och återvinningen oxiderar råvaran 7 % respektive 27 %. Av ett ton skrot har 70 kg respektive 270 kg i återvinningsprocessen förvandlats från en aluminiumråvara till avfall. För att beräkna energiförbrukning per tillverkat ton aluminium måste vi dividera skrotvikten med utbytet (se Aluminium Scandinavia nr 4 2023). Värmetillskott är 5 kWh per kilo oxiderad aluminium.
Energiförbrukning vid omsmältning och oxidering av aluminum
90 % utbyte: Omsmältningsenergi: 750 kWh/0,9 = 833 kWh.
Oxidationsenergi: 70 kg/0,9*5 kWh/kg=389 kWh
Totalt: 1222kWh
70 % utbyte: Omsmältningsenergi: 750 kWh/0,7 = 1 071 kWh.
Oxidationsenergi: 270 kg/0,7*5 kWh/kg=1 928 kWh
Totalt: 3 000 kWh
Energin som går åt för att tillverka ett ton aluminium från jungfrulig råvara är 17 000 kWh. Energiförbrukningen vid återvinning blir med de beräknade energiförbrukningarna 7 % till 18% av jungfrulig tillverkning.
RÄKNEEXEMPEL DÄR KRETSLOPPET KOMPENSERAS
Om vi tänker oss att kompensera en förlust av oxiderad aluminium i återvinningsprocessen med aluminium tillverkad från jungfrulig råvara, så blir den totala energiförbrukningen vara 2 548 kWh respektive 9 562 kWh per ton återvunnen aluminium vilket är 15 till 56 % av den energi som går åt att framställa jungfrulig aluminium (17 000 kWh/ton).
Energiförbrukning vid kompensation för oxiderad aluminium
90 % utbyte: 70 kg/0,9 = 78 kg. Energi (jungfrulig aluminium): 78*17=1 326 kWh
Direkt och oxidationsenergi (se exempel ovan): 1 222 kWh
Totalt: 1 326+1 222=2 548 kWh
70 % utbyte: 270 kg/ 0,7 = 386 kg. Energi (jungfrulig aluminium): 386*17=6 562 kWh
Direkt och oxidationsenergi (se exempel ovan): 3 000 kWh
Totalt: 6 562+3 000=9 562 kWh
Andelen energi som går åt att återvinna jämfört med jungfrulig framställning blir mellan 14 % och 45 %.
Kretsloppet kompenseras
Vad händer om vi också tar med den energi som går åt att återskapa den förstörda metallråvaran vid återvinning när prima metallråvara omvandlas till oxid? För i ett slutet kretslopp, som aluminium faktisk är, så måste ett bortfall från kretsloppet ersättas med nytt aluminium för att uppnå balans i ett cirkulärt system. För varje kilogram aluminiummetall som faller ur systemet genom oxidation behöver 1kg aluminium från jungfrulig råvara nyproduceras. För att tillverka ett kilo aluminium från jungfrulig råvara så går det åt 170 kWh, vilket därmed är energin som krävs för att kompensera för ett förlorat kilogram. Vi använder oss av samma exempel som tidigare beräkning men tar också med den energi som krävs för att kompensation för förlorat metall, se räkneexemplet ovan.
Med kompensation så blir energiförbrukningen för återvinning 14 % till 45 % jämfört med jungfrulig tillverkad aluminium vilket är oerhört mycket mer än de angivna 5 %. Och varför skulle man inte kompensera för det förlorade aluminiumet när man beräknar energiförbrukningen?
Hur var det nu med 5 %?
Återvinning av aluminium sker idag i alla smältanläggningar för aluminium, från tillverkare av jungfruligt material till små komponentgjuterier. En av svenska företags främsta grund till att i framtiden förbli konkurrenskraftiga är vårt låga pris och låga emissioner på elektricitet.
I fyrtio år har branschen berömt hur fantastiskt det är att återvinning endast förbrukar 5 % av den energi som jungfrulig förbrukar. Med facit i hand borde det i stället ha tagits utvecklingssteg mot lägre förluster så att man idag kunde ha en konkurrensfördel vid hållbarhetsberäkningar. Den brist på utveckling som visar sig i beräkningarna torde vara uppenbar. Det går helt enkelt inte längre att blunda för förlusterna när CO2-emissioner beräknas.
Min devis är att det är helt avgörande för svensk industri att mäta och göra korrekta beräkningar för att satsa på rätt hästar både för företag och inom politik. Floskler och skrönor från förr, som att återvinningsenergin är 5%, är en last som vi behöver komma över. Nästa nummer kommer jag fokusera på CO2-beräkningar vid återvinning vars resultat, i alla fall för mig, var smått chockerade. Vi ska också fördjupa oss mer ett tankesätt att lösa dagens problem, genom att tänka i banor runt degradering. Ett teknikskifte inom återvinning av aluminium är jag säker kommer av sig själv när man inte kan blunda tillräckligt hårt längre.
