Kraftproduksjon fra kjøling av aluminium elektrolyseceller

Abstract

Oppgavens målsetting har vært å undersøke muligheten for kraftproduksjon fra kjøling av aluminium elektrolyseceller. Det er gjennomført en energianalyse av de termiske energistrømmene i en HAL300 - celle, og gjort en vurdering av hvilke varmekilder som er mest aktuelle for kraftproduksjon. Med utgangspunkt i varmekildenes temperaturnivå er ulike kraftprosesser og systemløsninger simulert og vurdert. Energistrømmene i åk og katodesider ble funnet å ha størst potensial for utnyttelse, på grunn av høy effekt og temperatur. På en konvensjonell celle ble varmetapet ut av katodesider og - ender funnet å være 192 kWt/celle. Ved isolering av toppen av cella øker dette varmetapet, avhengig av hvor mye åkene kjøles. Kjøling av åkene tilsvarende 60 kWt og 120 kWt per celle, gav et varmetap på henholdsvis 257 kWt og 221 kWt ut av katoden. Det er tro på at man skal greie å gjenvinne varmen fra katoden i sideforingene ved en temperatur på opp til 600 – 650 °C, avhengig av hvor i sideforingene varmevekslerne plasseres. Oppnåelig temperatur på gjenvunnet varme fra åkene, ved isolerte åk og nipler, ble funnet å være 300 – 500 °C når effekten på kjølingen varierte fra 60 – 120 kWt/celle. Simulering av ulike kraftproduksjonsprosesser i PRO/II viste at en dampturbinprosess er best egnet for det aktuelle temperaturområdet 500 – 600 °C, mens en ORC – prosess er best egnet hvis temperaturen er 300 °C eller lavere. Elektrisitetsproduksjonen fra en celle varierer avhengig av hvilke varmekilder som blir utnyttet og ved hvilken temperatur varmen gjenvinnes. Produsert elektrisk effekt er beregnet for ulike systemløsninger, og ble funnet å variere fra 60 – 100 kWel/celle. Uavhengig av systemløsning, vil elektrisitetsproduksjonen per elektrolysecelle være så lav at det er hensiktsmessig å ha et system hvor flere celler leverer varme til en felles kraftproduksjonsenhet. Prisen per tonn generert damp reduseres med størrelsen på kraftproduksjonsenhetene, mens prisen per meter rør i transportkretsen er beregnet til å øke jo flere celler som er tilknyttet hver enhet. Investeringskostnadene på en turbin er imidlertid mye høyere enn kostnadene til rør, og blir derfor sterkt dominerende. Konklusjonen er derfor at det kostnadsmessig, er mest gunstig med få store enheter og mange elektrolyseceller tilknyttet hver enhet. For å få fram et mer komplett kostnadsbilde må det gjennomføres en mer detaljert prosjektering av systemløsningen. Et avgjørende ledd i utformingen av systemet, er transport av varme fra celler til kraftproduksjonsenheter. Hvorvidt man finner et egnet medium som kan transportere varme ved 500 – 600 °C, er helt essensielt for valg av kraftgenereringsprosess. Det bør derfor gjennomføres en studie hvor forskjellige varmebærere kartlegges og vurderes i henhold til det spesifikke bruksområdet.