Reduced CO2 emissions in metal production

De norske produsentene av silisium og ferrosilisium. manganlegeringer og titanslagg som er med i KPN Reduced CO2, Elkem, Wacker, Finnfjord, Eramet, FerroGlobe (partner til 2019) og TiZir jobber alle aktivt for å møte de globale klimautfordringene ved å redusere sine CO2 utslipp. I KPN Reduced CO2 har forskningspartnerne SINTEF og NTNU og industripartnerne sammen utviklet nødvendig basis for å redusere CO2 utslippene ved å erstatte fossilt kull og koks med biokarbon, hydrogen, industrielle avgasser og ved nye teknologier. Prosjektet har bidratt med kunnskap om nye teknologier til Prosess 21 sin rapport om Ny prosessteknologi. Resultatene har ført til og blitt tatt videre i flere nye forsknings prosjekter som kan gi kunnskapen som trengs for å redusere CO2 utslipp. Prosjektet har samarbeidet tett både med industripartnerne og med andre prosjekt som SFI Metal Production. Det er utdannet 2 PhD og gjennomført en Post Doc i prosjektet For at biokarbon skal kunne erstatte fossilt kull, må det gi minst like effektiv produksjon av metall. I KPN Reduced CO2 er det undersøkt hvordan fysiske og elektriske egenskaper hos biokarbon påvirker metallproduksjonen. Aktuelle metoder for å karakterisere ulike karbonegenskaper er vurdert. Metoder for å måle elektrisk ledningsevne i karbonmaterialer og blandinger med karbonmaterialer er videreutviklet og det er utviklet metoder for å undersøke hvordan biokarbon endrer seg og hvilke gasser som dannes når den varmes opp i en ovn for metallproduksjon. Reaksjon mellom gass i ovn karbonmaterialer har stor betydning for energiforbruk i Si-produksjon. Denne reaksjonen er undersøkt nærmere med nye metoder og det ser så langt ut til at biokarbon virker positivt. Siden biokarbon er lettere enn tradisjonelle karbonmaterialer vil samme mengde biokarbon ta større plass. Når biokarbon skal erstatte fossilt karbon, må det taes hensyn til dette. En rekker ulike biokarbonkvaliteter er sammenlignet med fossilt karbon. I samarbeid med KPN BioCarbUp er det laget et forslag til hvordan karbonmaterialer til ulike bruksområder kan velges ut ved en kombinasjon av ulike tester, en stagegate matrise. Det er i KPN Reduced CO2 fokusert mest på egenskapene til biokarbon og reaksjoner med biokarbon sammenlignet med andre karbonmaterialer og metoder til å undersøke disse. Neste skritt mot industrialisering, å finne ut hvordan disse påvirker metallproduksjon, vil fortsette i KPN BioMet som er en spin-off av KPN Reduced CO2. Det er vist eksperimentelt at karbon fra biogass kan være en mulig fornybar karbonkilde i produksjon av Mn-legeringer. Hydrogen gass dannes som et bi-produkt i denne prosessen. En PhD studie har gjennom en rekke småskalaforsøk vist at H2 har en positiv effekt på forreduksjon av Mn-malm og det er lagt en modell for å forutsi effekten av ulike parametre. Laboratorieforsøk med forreduksjon av ilmenitt med hydrogen har gitt viktig forståelse av denne reaksjonen, og nyttig bakgrunnsinfo for design an industriell forreduksjon ved TiZir. Effekten av ulike parametre som temperatur og tid er bestemt, og det er vist at forreduksjon er mulig også når det er H2O i gassen. Det er i prosjektet, i stor grad gjennom en PhD undersøkt i laboratorieforsøk hvordan hydrogen, H2, påvirker viktige reaksjoner i produksjonen av silisium. Dette er fundamental kunnskap som kan gi grunnlag for utvikling av nye prosesser framover. Flere aktuelle nye teknologier som har potensiale for å bidra til å minimalisere fossile CO2 utslipp i 2050 er vurdert. Hvordan disse kan taes videre er diskutert i en rekke møter med mange representanter fra alle partnerne. Dette har gitt grunnlaget for en vurdering av aktuelle teknologier og forslag til hvordan disse kan tas videre. Det har og gitt flere spin-off prosjekter, blant annet for å undersøke bruk av hydrogenplasma i metallproduksjon, for å studere elektrolyse i Mangan-produksjon, og for et nytt konsept for bruk av H2 i Silisium produksjon. Resultatene fra KPN Reduced CO2er delt med partnerne gjennom møter, interne workshops og årlige fagdager. For å spre de bredere også utenfor partnerne er det arrangert 3 åpne workshop med stor nasjonal og internasjonal deltagelse, to av disse var fysisk, en i Trondheim og en i Slovakia. Mange av resultatene fra prosjektet er publisert både i vitenskapelige tidsskrift og på internasjonale konferanser med deltagere både fra akademia og industri. Høydepunktet var INFACON (International Ferroalloy Conference) som i 2021 ble arrangert av partnerne i prosjektet, og hadde over 300 deltagere fra hele verden. Resultatene er også spredt gjennom sosiale media som LinkedIn, Facebook og Research Gate og ved populærvitenskapelige publisering

The main impact of KPN Reduced CO2 is its contribution to reduce the climate effects from the production of Si, FeSi, Mn-alloy and TiO2 slag to obtain 30% lower CO2 emission in 2030 and zero CO2 emission in 2050. Competence needed to substitute fossil carbon with bio-carbon, hydrogen, or process off gases in production of these materials have been developed and new technologies with a high potential to produce Si, FeSi and Mn-alloys with zero CO2 emissions in 2050 have been identified. Globally production of each of these alloys generated around 5-25 million tons CO2 pr year and all contributions to reduce this will have an impact on our society. A main outcome is the projects contribution to partners and other stakeholders of knowledge needed to realise a reduction in CO2 emissions. New methods for characterisation and evaluation of biocarbon has been developed with a focus on electrical conductivities, physical properties. and reactions with SiO-gas. Methods for characterisation and evaluation of bio-carbon materials have been systemised into a test matrix describing the sequence of properties to be tested for each alloy. Dissemination of the knowledge outside consortium have given partners increased network and biocarbon suppliers and potential users outside consortium better understanding of requirements. A spin-off project, KPN BioMet will focus on how to industrialise the results Generated data about prereduction of Mn-ores are used as basis for design and development of prereduction technologies both by industrial partners and in cooperating projects as EU H2020 PreMa. Generated competence about reactions with hydrogen in Si production have contributed to realisation of new projects as IPN H2Si and Researcher project SiH2. These will contribute with important competence for involved partners from industry and academia. Developed methods for studying reactions with hydrogen will be used in future work at the research partners. Through dissemination of results and by arranging the large hydrogen workshop, the project partners have established a broader network that also includes hydrogen producers and distributors. Identification and evaluation of new technologies with high potential for reducing CO2 emissions have increased the partners interest in completely new approaches and new technologies. It has increased focus on developments from a low TRL level both at partners and outside consortium. Spin-off projects within electrolysis and plasma has generated competence in new areas, development of new methods and equipment and new networks. KPN Reduced CO2 has led to five realised spin-off projects, contributed to realisation of two other, and led to a spin-off project application. KPN Reduced CO2 has contribute to education and further recruitment of highly qualified personnel within sustainable metal production The two PhD candidates graduated in the project have been recruited to SINTEF and the PostDoc to an industrial partner.

CO2 emission from the metal industry is around 4.83 mill CO2 equivalents pr year, around 10 % of the Norwegian emissions. Emissions from the Norwegian process industry has decreased with 40 % since 1990 and with an increased value creation. The industry wants to continue to be in the forefront. The overall aim of KPN Reduced CO2 emissions is to develop the basis for reduced climate effects from the production of Si, FeSi, Mn-alloy and TiO2 slag to obtain 30% lower CO2 emission in 2030 and zero CO2 emission in 2050. The industrial partners in the project are all the Norwegian Si, FeSi and Mn-alloy producers; Eramet, Glencore, Elkem, Wacker and Finnfjord, and TiZir that produces TiO2 slag. CO2 emissions from this industry is mainly caused by solid carbon used in the process. KPN Reduced CO2 will develop methods to substitute fossil carbon with bio-carbon, hydrogen and other gases. Some of the new technologies will reduce specific energy consumption. In addition, 4 new technologies will be identified and prepared for further development. To ensure that the most sustainable technologies are chosen, methods to quantify climate effects will be developed and used in the project. The industrial partners will be strongly involved, and project activities planned in 3 industrial seminars. KPN Reduced CO2 brings together 2 research partners: Sintef and NTNU and CICERO and establishes a multidisciplinary collaboration that contributes to future development towards reduced CO2 emissions. The project includes 3 PhD candidates and 1 MSc studies, important for the recruitment in the industry. Extensive dissemination of scientific results are planned. Communication of project findings to the society is a priority several outreach articles will be published in national media and public events arranged in addition to publication on project web site. Results will be spread to the project partners through newsletters and project meetings.