Hydrogen som reduksjonsmiddel Av: Simen Sandseter, Stine Skarstad Norevik, Jone Damås og Trygve Woldseth Strinda vgs, Sør-Trøndelag Problemstilling I denne oppgaven skal vi besvare hvordan smelteverket Eramet Sauda skal utnytte tapte energiressurser i form av spillvarme, og eliminere utslipp av CO2. Vi skal bruke nye teknologier og prosesser for å løse problemene med spillvarme og karbondioksidutslipp. Løsningsforslaget skal være innovativt, gjennomførbart og miljøvennlig. Løsningen skal ha utgangspunkt i smelteverket Eramet Sauda som produserer FerroMangan. Ved produksjonen slippes over 700 GWh med spillvarme i året og 300 kilotonn karbondioksidutslipp. Jordens temperatur har steget drastisk etter den industrielle revolusjonen på grunn av et stort utslipp av klimagasser. Under klimatoppmøtet i Paris bestemte de deltagende landene om å holde temperaturendringen på under 1,5 grad. Norge må derfor kutte utslippene enda mer, noe vår løsning vil bidra til. Det er innført bla. CO2-avgifter, noe som hjelper industrien til å ville velge en miljøvennlig løsning, slik som vår. Vår innovasjon vil kunne brukes i alle smelteverk der hvor det er stor tilgang på elektrisk energi. Teknologien vil kunne redusere klimagassutslippene med 100% og utnytte energien i spillvarmen til å skape elektrisk strøm.
Utnyttelse av hydrogengass som reduksjonsmiddel Dagens smelteprosess skjer ved at koks brukes som reduksjonsmiddel for å jernoksid og manganoksid til legeringen FerroMangan, CO2 og CO. Denne reaksjonen kan framstilles med likningen: FeO + MnO + C FeMn + CO! + CO Resultatet av reaksjonen er store mengder med karbondioksid som er truende for det globale klimaet når vi vet at gassen fungerer som en drivhusgass. Ved bruk av hydrogengass kan vi skape en reaksjon som ender med samme ønsket produkt, bare at oksygenet i oksidene blir redusert med hydrogen, som danner vannmolekyler istedenfor karbonmonoksid og karbondioksid. Vanndampen i reaksjonen inneholder mye energi og er lett å utnytte. FeO + MnO + H! FeMn + H! O Denne prosessen krever mindre energi i form av varme fordi hydrogengass er en mye mer effektiv reaktant enn koks. Hydrogengass kan kjøpes, men også produseres lokalt ved selve smelteverket ved hjelp av elektrolyse, som spalter vannmolekyler til oksygengass og hydrogengass. Elektrolysen skjer ved bruk av likestrøm som produseres av omdannet vekselstrøm fra vannkraft. (UngEnergi, 2016) Den økonomiske gevinsten ved å bruke hydrogen vil være liten fordi prisen på koks er billig. Samtidig er hydrogengass 6 ganger mer effektivt enn koks per vekt. Prisen på koks i dag er 0,7 kr/kg og ved beregninger på strømpriser fra SSB vil ett kilo hydrogengass koste 14,3 kroner å produsere. (Elektrisitetspriser, 3. kvartal 2016, 2016) Det er en relativt stor prisforskjell, men hydrogen er ca. 6 ganger mer effektivt enn koks. Dermed vil prisen per
FerroMangan bli ca. 3,6 ganger høyere om produksjonen skjer på hydrogen sett bort i fra de andre økonomiske gunstige løsningene ved å bruke hydrogen. Utnyttelse av spillvarme I tillegg til at man eliminerer forurensningen fra de fossile gassene, kan man også utnytte spillenergien når man bruker hydrogen som reduksjonsmiddel. Et av resultatene av denne redoksreaksjonen er vanndamp på veldig høy varme. Energien i den stigende vanndampen kan omformes til elektrisk strøm i en turbin som kan brukes til å gjøre produksjonen av hydrogengass billigere. Det vil ha en stor innvirkning på det totale regnestykket for bedriften, slik at det vil lønne seg mer for bedriften å velge denne miljøvennlige løsningen. Konklusjon For å sikre en bærekraftig framtid må vi revolusjonere industrien, blant annet ved hjelp av måten vi framstiller metaller på. Slik industrien er i dag produseres metaller med konsekvent store utslipp av karbondioksid, hovedsakelig på grunn av pris og tilgjengeligheten av ressursene. Ved å endre reduksjonsmiddelet fra dagens koks til hydrogengass skapt av elektrolyse kan vi kunne redusere klimagass og avfallsutslippene opptil 100%. Med dagens priser og teknologi vil byttet fra koks til hydrogen være et dyrt bytte, men vil utligne seg når man kan utnytte fordelene med hydrogenen. For eksempel kan man bruke spillvarmen fra reaksjonen til å drive turbiner som omdanner energien i vanndampen til elektrisk strøm. Denne strømmen er fornybar og kan selges til andre bedrifter slik at bedriften får mer penger til å gjennomføre den grønne reformen. En annen fordel er at man vil få en mye renere prosess der det ikke produseres tjære eller vil være noe behov for koks. Transport av koks vil derfor være unødvendig, og man
slipper utslippet av klimagasser som kommer som konsekvens av transporten. Med en renere prosess vil vedlikehold av anlegget også være mindre nødvendig, noe som også vil spare penger. Vårt lag mener derfor at denne løsningen kan være gjennomførbar. Ved å spare penger på alle måtene nevnt ovenfor, og i tillegg innskudd fra staten vil det være økonomisk gjennomførbart. Teoretisk er ideen svært gjennomførbar, og grunnen til at ideer som dette ikke blir gjennomført i praksis er ikke mangelen på kvalitet, men at det ikke er mye penger å tjene på å bli mer miljøvennlig. Det eneste man vinner er en sunnere klode. Referanser Carbothermic reaction. (2016, Oktober 17). Hentet fra Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/carbothermic_reaction Elektrisitetspriser, 3. kvartal 2016. (2016, November 17). Hentet fra Statistisk sentralbyrå. Eramet Norway Sauda. (2017). Hentet fra eramet.no. Hiebler, H., & Plaul, F. (2004). Hydrogen plasma Smelting reduction - An option for steelmaking in the future. Iron and steel. (u.d.). Hentet fra Industrial Efficiency Technology Database: http://ietd.iipnetwork.org/content/iron-and-steel o'dette, P. (2016, Januar 15). Can hydrogen be used instead of carbon in the smelting of iron ore? Hentet fra Quora: https://www.quora.com/can-hydrogen-be-used-instead-ofcarbon-in-the-smelting-of-iron-ore Sathiavasan, K. (2016, Februar 3). Why does the iron and steel industry us carbon rather than hydrogen to extract iron from iron oxide? Hentet fra Quora:
https://www.quora.com/why-does-the-iron-and-steel-industry-use-carbon-cokerather-than-hydrogen-to-extract-iron-from-iron-oxide Taylor, G., & Starkweather, H. (1930). Reduction of metal oxides by hydrogen. UngEnergi. (2016, Juli 29). Hydrogen. Hentet fra UngEnergi: http://ungenergi.no/energibaerere/ovrige-energibaerere/hydrogen/