Bilancio energetico della produzione dell'alluminio dal minerale e tramite riciclo e relative emissioni di CO₂

Risparmio energetico

1. Processo di ottenimento dell’alluminio dal minerale

L’Alluminio si ottiene dalla roccia Bauxite mediante processo elettrochimico che prevede l’elettrolisi della bauxite fusa con elettrodi di grafite. Il processo è comunque riconducibile complessivamente alla seguente reazione: $$ 2Al_{2}O_{3}+3C \longrightarrow 4Al + 3CO_{2}$$ Quindi da \(2 moli\) di \(Al_{2}O_{3} \) si ottengono \(4 moli\) di Alluminio (pari a \(4 moli * 27\frac{g}{mol} = 108g \)). Calcoliamo ora il \(\Delta H\) di reazione che a pressione costante corrisponde al calore di reazione. $$ \begin{align*} \Delta H° Al_{2}O_{3} &= - 1675.7 \frac{kJ}{mol} \\ \Delta H° C &= 0.0 \frac{kJ}{mol} \\ \Delta H° CO_{2} &= -393.51 \frac{kJ}{mol}\\ \Delta H° Al &= 0.0 \frac{kJ}{mol} \\ \end{align*} $$ $$ \Delta H \text{reazione} = ((4*0.0 + 3*(-391.51)) - (( 2*(-1675.7) + 3*0.0 )) = +2170.87 kJ $$ La reazione è pertanto endotermica e per produrre \(108 g\) di Alluminio servono \(2170,87 kJ \) di energia. In proporzione per ottenere \(1kg\) di Alluminio servirebbero \(20099 kJ\)

2. Processo di ottenimento dell’alluminio da riciclo

In questo caso il metallo recuperato andrebbe portato dalla temperatura ambiente \( (20 °C ) \) fino alla temperatura di fusione \( (660°C) \) per ottenere poi la sua fusione completa. Per i calcoli consideriamo \( 1 kg \) di Alluminio riciclato \( (1000g /27\frac{g}{mol} = 37,04 moli) \) $$ \begin{align*} Cs Al &= 0.897 \frac{kJ}{kg*K} \\ C Lat. Al &= 10.79 \frac{kJ}{mol} \\ \end{align*} $$ $$ \begin{align*} Q1 &= m*Cs* ( Tf-Ti) \\ Q1 &= 1kg* 0.897\frac{kJ}{kg*K}* (933.47K - 293.15K) \\ Q1 &= 574.4 kJ \text{ per portare l’Alluminio alla temperatura di fusione.} \end{align*} $$ $$ \begin{align*} Q2 &= C Lat. Al *N°moli. \\ Q2 &= 10.79 \frac{kJ}{mol} * 37.04 mol \\ Q2 &= 399.7 kJ \text{ per fondere 1kg di Alluminio} \end{align*} $$ $$ Q_{tot.} = Q1+Q2= 574.4+399.7 = 974.1 kJ $$

3. Risparmio (R) di energia

$$ \begin{align*} R &= ( 20099 - 974.1)kJ \\ R &= 19124.9 kJ \text{ per produrre 1kg di Alluminio} \\ \end{align*} $$

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Risparmio Emissioni CO₂

Calcolo emissioni di CO₂ per 1kg di Alluminio prodotto

Da minerale:

Bisogna considerare l’emissione di \(CO_{2} \) sia dalla reazione che per il consumo energetico.

Da reazione:

Per \( 4 moli \) di Alluminio \( (108g) \) si sviluppano \(3 moli\) di \(CO_{2} \) pari a \(3mol*44\frac{g}{mol} = 132g\) di \( CO{2} \) : In proporzione per \(1kg\) di Alluminio si sviluppano \(1.22 kg\) di \(CO_{2}\).

Da consumo energetico:

Per produrre \(1kg\) di Alluminio servono \(20099kJ\) di energia. Supponendo sia prodotta da metano \( (PC =52000 \frac{kJ}{kg} )\), servirebbero \(20099 : 52000 = 0.39 kg\) di metano pari a moli \(\frac{390}{16} = 24\) .Essendo la combustione del metano data dalla reazione \(CH_{4} +2 O_{2} \longrightarrow CO_{2} +2 H_{2}O\) si otterrebbero \(24 moli\) di \( CO_{2} \) pari a \(24mol*44\frac{g}{mol} = 1063g\) ossia \(1.063kg\).

In totale per \( 1kg \) di allumino si sviluppano \(1,22+1,063 = 2,283 kg\) di \( CO_{2} \).

Produzione di 1kg alluminio da riciclo:

Essendo il consumo energetico pari a \(974kJ\) in proporzione ai precedenti calcoli si producono \((1.063/22099)*974= 0.047kg\) di \( CO_{2} \). Il risparmio di \( CO_{2} \) emessa risulta essere pari a \(2.283-0.047 = 2.236 kg\) di \( CO_{2} \) per ogni kg di Alluminio prodotto con il riciclo.