Alumīnija reciklēšana ūdeņraža iegūšanai - no atkritumiem caur ūdeņraža radītu enerģiju uz alumīnija oksīdu – AliCE-WHy (Aluminum in circle economy - from waste through hydrogen energy to alumina" – AliCE-WHy)

• Projekta numurs : EEA-RESEARCH-92
• Īstenošanas laiks : 1.05.21 - 30.04.2024
• Piešķirtais Finansējums : 800 000 EUR
• Līdzfinansējums : 120 000 EUR
• CFI Finansējums : 245 000 EUR
• Projekta mērķis : AliCE -WHy mērķis ir izveidot tehnoloģisku risinājumu alumīnija atkritumu pārstrādei, palielinot reciklēšanas lietderību, galarezultātā iegūstot ūdeņradi izmantošanai enerģētikā un alumīnija oksīdu tālāku zemas emisijas produktu ražošanai
• Sagaidāmie rezultāti :
  • Atkritumu alumīnija apstrādes metodika tā izmantošanai ūdeņraža ražošanai
  • Prototips elektroenerģijas ražošanai no Alumīnija atkritumiem.
  • Prototipā radušos reakcijas produktu tālākas pārstrādes metodika Iegūtās tehnoloģijas novērtējums aprobēts ar socioekonomisko novērtējumu Islandes, Baltijas alumīnija atkritumu pārstrādes kontekstā.
  • Izstrādāta metodika alumīnija atkritumu apstrādei
  • Izveidots prototips elektroenerģijas ražošanai no alumīnija atkritumiem
  • Izstrādāta metodika iegūtā alumīnija oksīda pārstrādē
  • Sagatavots socioekonomiskais novērtējums izstrādātajai tehnoloģijai
• Partneri :
  • Lietuvas enerģētikas Institūts
  • Islandes Universitāte
  • Islandes Tehnoloģiju centrs (Tæknisetur (IceTec))
• Kontaktpersona : Ainārs Knoks ainars.knoks@cfi.lu.lv
• Projekta vadītājs : Dr. Phys. Jānis Kleperis, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts
• Aktīvs links : https://eegrants.lv/ un https://eeagrants.org/
• Programmas nosaukums : “Projektu līdzfinansē Eiropas Ekonomikas zonas finanšu instruments 2014.-2021.gadam”

AliCE-Why projekta galvenā ideja ir risināt alumīnija (Al) pārstrādi tīras enerģijas ražošanai. Alumīnija pieprasījums arvien pieaug, kā arī enerģijas ražošana, taču pārstrādes iespējas ir salīdzinoši nelielas – īpaši mazās valstīs vai attālos reģionos. Turklāt pašreizējo Al atkritumu transportēšanai ir nepieciešamas papildu izmaksas, un tas nerada darba vietas un ieņēmumus par neizmantotajiem resursiem, kas tiek eksportēti. Tādējādi būtu jāizstrādā vietējs ciklisks pārstrādes process. Šī projekta galvenais mērķis ir attīstīt Al atkritumu enerģijas ražošanas tehnoloģiju un prototipu, ražojot ūdeņradi un tālāk pārstrādājot blakusproduktu Al hidroksīdu.

1. att.: Adaptēts no Haller et al. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2019.100017

Projekta kopsavilkums:

Pašlaik atkritumu apsaimniekošana un enerģijas ražošana ir atzīta par būtisku nozīmi pasaules ilgtspējības nodrošināšanā. Alumīnijs (Al) ir ļoti svarīgs stratēģisks materiāls Eiropā ar plašu pielietojuma jomu. Diemžēl tas rada milzīgu daudzumu Al atkritumu. Neskatoties uz to, ka Al atkritumi tiek pārstrādāti, ir daudz deponēšanas poligonu, kas piesārņo vidi. Tāpēc šī projekta laikā mēs uzsāksim zinātniskus un inženiertehniskus pasākumus, atklājot novatoriskus Al atkritumu izmantošanas veidus elektroenerģijas ražošanā, izmantojot ūdeņradi, kas iegūts pēc atkritumu Al-ūdens reakcijas.

Iegūto reakcijas blakusproduktu var tālāk pārstrādāt atpakaļ Al, izmantojot oglekli nesaturošu elektrolīzi. Arī blakusproduktu var izmantot kā izejvielu citu vērtīgu materiālu ražošanā. Visi minētie procesi tiks realizēti kā prototips.

Projekts ietvers: Al atkritumu apstrādes ūdeņraža iegūšanai izpēti (Lietuvas Enerģētikas institūts); saražotās ūdeņraža gāzes tīrības analīze (Latvijas Cietvielu fizikas institūts (ISSP)); saražotā reakcijas blakusprodukta pārstrāde uz Alumīniju un / vai citiem noderīgiem materiāliem (Inovāciju centrs Islandē); ierosinātā procesa tehniski ekonomiskās un vides ietekmes uz Islandi un Baltiju (Islandes Universitāte) novērtējums, prototipa dizains (koordinē Latvijas komanda). Projekta konsorcijā ir četri partneri ar galvenajiem iepriekšminētajiem uzdevumiem, kas nodrošinās ciešu sadarbību un veiksmīgu projekta realizāciju.

2. att.: AliCE-WHy projekta shematiskais attēls

Atslēgas vārdi: atkritumi no resursiem, ūdeņradis, cirkulārā ekonomika, alumīnija pārstrāde.

Projekta jaunumi

Par periodu 01.05.2022. - 31.07.2022. | 14.09.2022.

Pēc viena gada darbības Alice -WHy projektā ir sasniegti labi rezultāti un gūtas vērtīgas atziņas.

Šī gada laikā projekta konsorcijs ir aktīvi strādājis, lai nostabilizētu ciešu sadarbību un aktīvi apmainītos ar informāciju un zināšanām projekta ietvaros. Līdz ar to ir radusies efektīva sinerģija starp dalībvalstīm un partneriem, papildinot un attīstot savstarpējās spējas un zināšanas.

Ir sasniegti sekojoši projekta plānā definētie atskaites punkti:

• 2.1. Elektrolīta izvēle

Ūdens -alumīnija reakcijas elektrolīta izvēle ietekmē reakcijas aktivitāti un labumu, gala procesa izmaksas, vides ietekmi, kā arī citus aspektus. Līdz ar to ir svarīgi izvēlēties optimālu elektrolītu. Uz šo brīdi ir izvēlēts NaOH, bet pēc Īslandes Universitātes veiktā socio-ekonomiskā novērtējuma būs iespējams spriest par šī hidroksīda mērogojamību un ietekmi uz izmaksām un vidi.

• 2.2. Maza mēroga ūdeņraža ražošanas iekārta

Lietuviešu partneris no Lietuvas Enerģētikas Institūta ir izveidojis maza izmēra eksperimentālo iekārtu alumīnija-ūdens reakcijas pētījumiem. Tiek pētīti gan šīs iekārtas  tehniskie aspekti, gan elektrolīta ietekme uz ūdeņraža (H₂) izdalīšanos dažādās temperatūrās. Ir novērots, ka palielinot temperatūru, H₂ izdalīšanās ātrums arī pielielinās, bet izgulsnējušos alumīnija oksīda, hidroksīda un oksi-hidroksīda materiālu daudzums sajaucas ar līdz galam neizreaģējušiem izejmateriāla atlikumiem,  tādējādi samazinot galā iegūto lietderīgo alumīnija oksīda daudzumu.

• 3.1. Eksperimentālās iekārtas izveide reāla laika GC un MS mērījumiem

Lai analizētu iegūto gāzu tīrību un sastāvu  alumīnija dažādu atkritumu produktiem reakcijā ar sārma ūdens šķīdumu, izveidots reaktors ar iespēju veikt gāzu hromatogrāfijas (GC) un masspektroskopijas MS) mērījumus. Iegūti pierādījumi, ka reakcijā izdalītās gāzes sastāvā vismaz 98% ir ūdeņradis.

• 4.1. Alumīnija – sārmaina ūdens reakcijas rezultātā cietais alumīnijs veido alumīnija hidroksīdu, oksīdu, oksīda hidroksīdu un citus savienojumus. Lai novērtētu nogulšņu kvalitāti un cik daudz lietderīgā materiāla (Al₂O₃) iespējams atgūt no šīm nogulsnēm, tās tika žāvētas, analizētas un kalcinētas, atkal analizētas, pēc kā tiek novērtēta iegūtā materiāla masa , virsmas laukums un alumīnija oksīda daudzums. Šajā projekta posmā ir veikta sākotnējā analīze, un atrasts karbonāts, tādēļ secināts, ka nepieciešams noteikt  tā rašanās cēloni un novērtēt  karbonāta ietekmi uz pamata reakciju detalizētāk.
• FMNT-NIBS 2022 konferencē tika prezentēti vairāki projekta Alice-WHy rezultātiem veltīti mutiski un stenda referāti:

“The decade of hydrogen: where are we heading to?”

Autors: Dr Camila Pía Canales, Faculty of Industrial Engineering, Mechanical Engineering, and Computer Science, University of Iceland,

kā arī partnera Lietuvas Enerģētikas institūta prezentācija:

“Plasma treatment application for green hydrogen production via hydrolysis of waste aluminum in alkaline water”, autors: Dr. Sarunas Varnagiris

Prezentētie rezultāti:

Ūdeņraža plazmas apstrāde samazina  organiskos piesārņotājus uz virsmas un palielina polāro OH grupu veidošanos, uzlabojot H₂ izdalīšanās ātrumu. Apskatot materiālus SEM, uz pulvera virsmas  novēro dažas nelielas plaisas. Veiktie testi parāda, ka arī H₂ izdalīšanās sākas pēc vienas minūtes, kad  Al pulveris iegremdēts vāja sārma ūdens šķīdumā. Sārma šķīduma koncentrācija jāpalielina, ja alumīnija skaidas ir lielākas. Parādīts, ka reakcijas gala produktu var pārvērst vērtīgā gamma-alumīnija oksīdā ar augstu BET virsmas laukumu (250 m²/g).

Secinājumi:

Plazmas apstrāde palielina Al pulvera virsmas hidrofobilitāti un ievērojami uzlabo H₂ ražošanas gaitu. Plazmas ietekme uz Al mikroshēmu atkritumiem nebija tik laba kā uz pulveri, un bija nepieciešams vairāk sārma, lai iegūtu līdzīgu H₂ iznākumu. Reakcijas gala produkts γ-Al₂O₃ ir  vērtīga izejviela  keramikas un  katalizatora nesēja  ražošanai.

Kā arī šajā konferencē tika prezentēti stenda referāti:

Raitis Kaspars  Sika et al. “Reactor design investigation for Hydrogen production from Aluminium -Water reaction”

• Simulētā šķidruma plūsma ir praktiski identiska prototipā novērotai; simulācija var palīdzēt paredzēt daļiņu nosēšanās vietu ar labu precizitāti, kas ir svarīgi, izstrādājot lielāka izmēra prototipu ar elektrolīta caurplūšanu
• Jāveic papildu simulācijas ar dažāda izmēra sietiem, lai turpinātu datu vākšanu un reaktora konstrukcijas uzlabojumus.
• Iegūtos rezultātus nākotnē varēs izmantot efektīvākai reaktoru projektēšanai un pašreizējai reaktoru attīstībai

Ainars  Knoks et al. “Electrochemical Corrosion Behavior of Aluminum Foil – investigation of kitchen wastes”

No pusloku formām augstfrekvences rajonā var novērtēt lādiņu pārnesi.

Temperatūras paaugstināšanās ietekmē lādiņa pārnesei, līdz ar to impedancei jāsamazinās, savukārt procesa laikā veidojas oksīdi un hidroksīdi, kam vajadzētu pazemināt aktivitāti; elektrolītu sastāvs var mazināt aktīvo vietu pasivāciju, t.i., veicināt ūdeņraža ražošanu. Šobrīd iegūtie rezultāti liecina, ka lādiņa pārneses pretestība pieaug līdz ar temperatūras paaugstināšanos, kas varētu liecināt par oksīda/hidroksīda pieaugumu. Tajā pašā laikā samazinās elektrolīta pretestība caur nogulšņu  slāni un samazinās arī dubultā slāņa kapacitāte. Tas norāda uz koroziju, vai arī tās var būt plaisas elektrolīta/daļiņu robežslānī. Un pēdējā piezīmē, šķiet, ka elektrolītam reakcijas rezultātā  jonu difūzijas pretestība palielinās.

Ansis    Mezulis et al. “On the efficiency of hydrogen production from plasma-treated aluminum waste with NaOH and KOH promoters”

Galvenie secinājumi ir ka pielietotā alumīnija priekšapstrāde ar ūdeņraža plazmu dod acīmredzamus rezultātus: pirmajā posmā ūdeņraža ražošanas efektivitāte palielinās līdz 10 reizēm, savukārt aktivācijas enerģija samazinās par 18%. Visticamākais ieguvuma skaidrojums ir tāds, ka virsmas nelīdzenumi, ko rada plazmas apstrāde, var izraisīt plaisu veidošanos dabiskā alumīnija oksīda slānī un palīdzēt ūdenim iekļūt materiāla dziļumos un reaģēt ar tīru alumīniju.

Par periodu 01.08.2022. - 01.02.2023. | 23.02.2023.

ISSP ir pētījis reaktora konstrukciju un eksperimentālo uzstādīšanu ūdeņraža ražošanai, izmantojot simulācijas modeļu kombināciju, kā arī šī modeļa reālo prototipu. Ir skaidrs, ka elektrolīta un alumīnija materiāla sajaukšana plašākā mērogā radīs problēmas. Tādējādi tika modelētas arī plūsmas simulācijas un reaktors, un tos ir plānots turpināt testēt.

IceTec ir veicis reakcijas blakusproduktu izpēti un alumīnija hidroksīda apstrādi, lai noteiktu, kā sākotnējie parametri ietekmē blakusprodukta īpašības un daudzumu.

Islandes Universitāte ir veikusi alumīnija pārstrādē izmantoto procesu izpēti un novērtēšanu, lai noteiktu pareizu novērtēšanas metodoloģiju un salīdzināšanas parametrus. Ir noteikti galvenie alumīnija avoti, kurus varētu izmantot šajā procesā.

Informācijas izplatīšana tika veikta dažādos pasākumos, piemēram:

• Veiksmīgā pieslēgšanās kurināmā elementiem un elektroenerģijas ražošana tika demonstrēta sociālo mediju ierakstos Vasaras saulgriežiem
• Izgudrotāju izstādē MINOX un starptautiskajā zinātnieku naktī. MINOX AliCE-WHy prototips tika nobalsots par bronzas medaļu inovāciju jomā.
• Prezentācija “EDSO Centrālāzijas delegācijas vizītē Reikjavīkā”, 2022. gada 11.–13. oktobris
• Projekts tika prezentēts plašākai sabiedrībai paredzētajā izstādē Klaipēdā “Bez atkritumiem” un ieguva labākās inovācijas balvu
• Sociālo mediju ziņas, piemēram, Twitter , twitter, vai LinkedIn, kā arī atjauninājumi projekta ResearchGate lapā.

Turklāt UI partneris apmeklēja UC Bērklijas, lai prezentētu projektus un apmeklētu ekskursiju, kur Kamilai tiek parādīts vietējās laboratorijas aprīkojums.

Februārī plānots kopīgs seminārs ar REVEAL projektu no Šveices (https://www.reveal-storage.eu/).