Carbon Capture in the Aluminum Industry

Abstract

Denne oppgaven tar for seg utredningen av Karbonfangst-og-lagring(CCS)-muligheter ved Aluminiumsverket ALCOA Mosjøen lokalisert i byen Mosjøen i Nordland fylke. Gjennom et lengre arbeidsopphold ved anlegget sommeren 2019 ble anlegget lært å kjenne, og nødvendig data for oppgaven ble samlet inn. Oppgavens første mål var å kartlegge forskjellige fangstteknologier og undersøke hvilke metoder som ville kunne gi mulige løsninger for Aluminiumsindustrien. Denne oppgavens fokuseres det i hovedsak på to vidt forskjellige metoder som kan være mulig å implementere for ALCOA Mosjøen og Aluminiumsindustrien generelt. Den første metoden baserer seg på eldre teknologi, såkalt Post-Combustion-Capture, der det allerede i dag finnes testpiloter og prøveprosjekter der hensikten er å kunne bygge ut eksisterende renseanlegg uten å måtte demontere store deler av eksisterende anlegg. Utfordringen for en slik implementasjon har historisk vært tilgang på nok varme for regenerering av fangstprosessen hvilket i mange tilfeller ikke er tilgjengelig. Aluminiumsindustrien har potensiale for å overkomme dette hinderet på grunn av tilgang tilstrekkelig store mengder høykvalitetsvarme ved høye nok temperaturer for å kunne støtte opp under den nødvendige varmeregenereringsinfrastrukturen, hvilket sannsynliggjør en mye billigere fangstprosess enn i andre installasjoner. En annen mulighet for Aluminiumsindustrien ligger potensielt i bruk av såkalt Direct-Air-Capture(DAC)-Metoder. En åpenbar fordel med slik fangst er potensiale for å bli CO2–negativ(Wilcox, Psarras, & Liguori, 2017), og at et slikt anlegg vil kunne bygges hvor som helst uten hensyn til eksisterende anlegg. Ulempen er at dagens løsninger er meget dyre, og mye er avhengig av fremtidig prisreduksjon(Zeman, 2014). Videre ble utslipp fra verket analysert og da med spesielt fokus på anodebakeriet, da det viser potensiale for et mulig pilotprosjekt i nær fremtid grunnet høyere CO2-konsentrasjon i avgassen sammenlignet med resten av verket, der oppkonsentrering av avgassen vil være nødvendig før noe som helst pilotprosjekt vil kunne gjennomføres. Flere metoder for oppkonsentrering av avgass er diskutert, og mye er mulig å implementere allerede i dag (Chemical Journal, 2016). Totalt sett virker det som om potensiale for karbonfangst-og-lagring i Aluminiumsindustrien er større enn for mange andre bransjer, spesielt på grunn tilgang til overskuddsvarme. Lønnsomheten av implementasjon fra et teknisk-økonomisk perspektiv virker å komme for det meste fra økonomiske disinsentiver i form av konkurransefortrinn i kvotemarkedet, og ved å unngå å miste markedssegmenter til grønnere konkurrenter i land hvor Grønn-Aluminiumspolitikk sannsynligvis kommer til å bli implementert.

This thesis addresses the investigation of Carbon Capture and Storage (CCS) opportunities at the ALCOA Mosjøen aluminium plant located in the town of Mosjøen in Nordland county. Through a longer work stay at the plant in the summer of 2019, detailed knowledge of the plant was obtained, and the necessary data for the task was collected. The project's first goal was to map different capture technologies and examine which methods could prove to be possible solutions for Capturing Carbon in the Aluminium industry. This thesis sets out to focus on two widely different methods that may be possible to implement for ALCOA Mosjøen and the Aluminium industry in general. The first method is based on older technology, called Post-Combustion-Capture, where test pilots and test projects are already available where the purpose is to be able to develop existing treatment plants without having to dismantle large parts of existing facilities. The challenge for such implementation has historically been access to enough heat for the regeneration of the capture process which in many cases is not available. The aluminium industry has potential to mitigate this hurdle due to having access to sufficiently large amounts of high-quality heat at high enough temperatures to support necessary heat-regeneration infrastructure, which is likely to make the capture process much cheaper than in other installations. Another possibility for the Aluminium industry potentially lies in the use of so-called Direct-Air-Capture (DAC) Methods. An obvious advantage of such capture is the potential to become CO2-negative(Wilcox, Psarras, & Liguori, 2017), as well as the fact that such a facility will be able to be built anywhere without regard to existing facilities. The downside is that today's solutions are very expensive, and seems to depend alot on future price reduction(Zeman, 2014). Furthermore, emissions from the plant were analysed and then with a particular focus on the anode bakery, as it shows the potential for a possible pilot project in the near future due to higher CO2-concentration in the exhaust gas compared to the rest of the plant, where higher concentrations of CO2 in the exhaust gas will be necessary before any pilot project can be carried out. Several methods of increasing the CO2-concentration in exhaust gas have been discussed, and there are promising solutions available for possible implementation already today (Chemical Journal, 2016). Overall, the potential for carbon capture-and-storage in the Aluminium industry appears good, apparently greater than many other industries, especially due to access to surplus heat. Profitability of implementation from a techno-economic standpoint appears to mainly arise from avoiding economic disincentives in the form of having a competitive advantage in the Cap and Trade-market, and avoiding losing market shares to greener competitors in countries where Green-Aluminum policies are likely to be implemented.