Mass and Energy Balanced Life Cycle Assessment of Metallurgical Grade Silicon Production

Abstract

På grunn av forsyningsrisiko og en uerstattelig anvendelse innenfor et bredt spekter av lavkarbonteknologier, er silisium ansett som et kritisk råmateriale. Metallet fremstilles ved reduksjon av SiO2 i kvarts, ved bruk av karbon som tradisjonelt sett er en blanding av både bio- og fossilt karbon. I forbindelse med overgangen til et lavkarbonsamfunn, vurderes det å erstatte det fossile karbonet som tilsettes med bio-karbon. Flere studier har undersøkt miljøpåvirkningen fra silisiumproduksjon ved bruk av en tradisjonell karbonmiks, men ikke like mange har betraktet en karbonblanding utelukkende bestående av biokarbon.

For å undersøke hvilken effekt det har å erstatte den tradisjonelle karbonmiksen med en biobasert miks, har en livsløpsvurdering blitt gjennomført. Livsløpsregnskapet ble gjennomført som en masse- og energibalanse av silisiumproduksjon, inkludert gjenvinning av energi og silika fra avgassen, og raffinering av metallet. To ulike karbonblandinger ble brukt i vurderingen: Én som representerer den tradisjonelle blandingen, og én utelukkende bestående av bio-karbon. For å undersøke hvordan silisiumutbytte påvirker ytelsen, ble tre forskjellige utbytter for hver blanding undersøkt, noe som gav totalt seks scenarier. Livsløpseffektvurderingen viste at bruk av en ren biobasert karbonblanding reduserte miljøpåvirkningen for 10 av 18 effektkategorier på midtpunktnivå, og for alle tre effektkategorier på endepunktnivå. For fem av de åtte mest fremtredende effektkategoriene på midtpunktnivå, presterte den bio-baserte karbonblandingen bedre enn den konvensjonelle. Bidragsanalysen viste også ved å implementere avgassbehandling, og velge biobaserte råvarer fra bærekraftig produksjon, kan i tilfellene hvor den biobaserte blandingen scoret høyest, redusere effekten ytterligere.

Silicon metal is a critical raw material due to its supply risk, and its wide range of applications withing technologies needed for transferring to a low carbon society. It is produced by reduction of SiO2 in quartz, by the use of carbon which, conventionally, is a mix of both fossil and biogenic carbon. As a part of transitioning to a low carbon future, the fossil carbon added to the process is considered completely replaced with biogenic carbon. Several studies have investigated the environmental impact of silicon production concerning the conventional carbon mix, however, little is found on switching to a purely bio based carbon mix.

To investigate the impact of going from a mixture of both fossil and biogenic carbon, to an purely bio based carbon mix, a life cycle assessment have been conducted. The inventory analysis was conducted as a mass and energy balance of metallurgical grade silicon production, including recovery of energy and silica from the off gas, and refining of the metal. The analysis was conducted for two different charge mixes. One representing the conventional mix, and one purely based on biogenic carbon. To further investigate how silicon yields affect the performance, three different yields for each mix was investigated, resulting in a total of six scenarios. The results showed that using a completely bio based carbon mix, reduced the impact for 10 of 18 midpoint impact indicators, and for all three endpoint indicators. Of the eight most prominent midpoint impact categories, bio performed better than the conventional mix on five of them. The contribution analysis also revealed that off gas treatment, and careful selection of biogenic raw materials from sustainable production, could further lower the impact categories where the bio based mix scored higher than the conventional charge mix.