Assessing the environmental viability of silicon production by aluminothermic reduction: A comparative life cycle analysis

Abstract

En overgang til en renere materialproduksjon er essensielt for å begrense klimaendringene. Denne oppgaven tar for seg en ny produksjonsmetode for silisium gjennom aluminotermisk reduksjon. Tradisjonelt blir silisium produsert ved å redusere kvarts med karbon i en karbotermisk reduksjonsprosess. Dette er både energiintensivt og fører til store karbonutslipp. Den aluminotermiske prosessen ungår dette ved å redusere silisiumet med sekundært aluminium istedenfor. Dermed unngås karbonutslippene og i tillegg så produseres det slagg med et høyt aluminiuminnhold, som kan brukes til å produsere høykvalitets alumina.

En livsløpsvurdering ble gjennomført for å sammenligne klimapåvirkningene til den aluminotermiske prosessen med påvirkningene til den tradisjonelle karbotermisk prosessen. Tre forskjellige metoder for å foredle slagget til alumina ble utviklet: basisk-metoden, syre-metoden, og Enalos-metoden. Disse ble evaluert i tre endekategorier og 18 mellomkategorier for konsekvenser. Basisk-metoden for aluminotermisk produksjons hadde lavere påvirkning enn karbotermisk produksjon i alle kategoriene unntatt én.

De viktigste driverne for den karbotermiske prosessens konsekvenser er forbruk av elektrisitet og karbonreduktanter, samt direkteutslipp av karbondioksid. Disse påvirkningene unngås ved å bruke den aluminotermiske metoden. Istedenfor er bruken av sekundært aluminium og løsemidler, avfallshåndtering og substitusjon av høykvalitets alumina viktig.

For å redusere konsekvensene av den aluminotermiske produksjonen er det viktig å redusere bruken av løsemidler, og å gjenbruke så mye som mulig av dem. Videre er det viktig å være kritisk til råmaterialene som tas inn for å sørge for at påvirkningene lenger oppe i kjeden blir så små som mulig. Et tredje viktig punkt er å bruke renest mulig elektrisitet. Dette kan for eksempel gjøres ved å kjøpe elektrisitet med opprinnelsesgaranti.

Samlet sett fremstår aluminotermisk produksjon av silisium som en klimasmart løsning som burde utvikles videre og forskes mer på. Dette kan være med på å skape en renere materialproduksjon og bidra til å begrense klimaendringene.

A shift to cleaner material production is essential to limit the consequences of climate change. This thesis looks at a novel production method for silicon by aluminothermic reduction. Conventionally, silicon is produced by reducing quartz with carbon, in a carbothermic reduction process. This is both energy intensive and emits large amounts of carbon dioxide. The aluminothermic process reduces the silicon with secondary aluminium instead. This prevents direct carbon dioxide emissions and produces an aluminium-rich slag that is perfect for making useful high-purity alumina.

A life cycle assessment is conducted on the aluminothermic reduction of silicon in order to evaluate the environmental impacts of the process and to compare it against the conventional carbothermic reduction process. Three different routes were developed for the slag refining into high-purity alumina; the Alkaline route, the Acidic route, and the Enalos route. These routes are evaluated based on three endpoint categories and 18 midpoint categories. The Alkaline route of the aluminothermic process performed better than the carbothermic production in all categories except for one midpoint category.

For the carbothermic production of silicon, the most important drivers for the impacts are electricity consumption, carbon reductants, and direct emissions of carbon dioxide. These are all avoided or limited in the aluminothermic process. Instead, the usage of secondary aluminium, solvents for slag refining, treatment of the solvents, and the substitution of conventional high-purity alumina production are found to be the most important drivers.

Possible ways to reduce these impacts are by reducing the input of solvents and by recycling as much as possible of them. By using the right input materials it is also possible to reduce the upstream impacts of the system. A third point of improvement is using electricity with a low impact for instance by using renewable energy with guaranteed origin.

Overall the aluminothermic production of silicon seems to be an environmentally beneficial technology that should be researched and developed further. Implementation of this silicon production method holds the potential to facilitate a transition towards cleaner material production, thereby making a significant contribution to mitigating climate change.