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: $$2A{l}_2{O}_3+3C⟶4Al+3C{O}_2$$ Quindi da $2moli$ di $A{l}_2{O}_3$ si ottengono $4moli$ di Alluminio (pari a $4moli\ast 27\frac{g}{mol}=108g$). Calcoliamo ora il $\mathrm{\Delta }H$ di reazione che a pressione costante corrisponde al calore di reazione. $$\begin{array}{rl}\mathrm{\Delta }H°A{l}_2{O}_3& =-1675.7\frac{kJ}{mol}\\ \mathrm{\Delta }H°C& =0.0\frac{kJ}{mol}\\ \mathrm{\Delta }H°C{O}_2& =-393.51\frac{kJ}{mol}\\ \mathrm{\Delta }H°Al& =0.0\frac{kJ}{mol}\end{array}$$ $$\mathrm{\Delta }H\text{reazione}=((4\ast 0.0+3\ast (-391.51))-((2\ast (-1675.7)+3\ast 0.0))=+2170.87kJ$$ La reazione è pertanto endotermica e per produrre $108g$ di Alluminio servono $2170,87kJ$ di energia. In proporzione per ottenere $1kg$ di Alluminio servirebbero $20099kJ$

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 $1kg$ di Alluminio riciclato $(1000g/27\frac{g}{mol}=37,04moli)$ $$\begin{array}{rl}CsAl& =0.897\frac{kJ}{kg\ast K}\\ CLat.Al& =10.79\frac{kJ}{mol}\end{array}$$ $$\begin{array}{rl}Q1& =m\ast Cs\ast (Tf-Ti)\\ Q1& =1kg\ast 0.897\frac{kJ}{kg\ast K}\ast (933.47K-293.15K)\\ Q1& =574.4kJ\text{ per portare l’Alluminio alla temperatura di fusione.}\end{array}$$ $$\begin{array}{rl}Q2& =CLat.Al\ast N°moli.\\ Q2& =10.79\frac{kJ}{mol}\ast 37.04mol\\ Q2& =399.7kJ\text{ per fondere 1kg di Alluminio}\end{array}$$ $$Q_{tot.}=Q1+Q2=574.4+399.7=974.1kJ$$

3. Risparmio (R) di energia

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

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Risparmio Emissioni CO₂

Calcolo emissioni di CO₂ per 1kg di Alluminio prodotto

Da minerale:

Bisogna considerare l’emissione di $C{O}_2$ sia dalla reazione che per il consumo energetico.

Da reazione:

Per $4moli$ di Alluminio $(108g)$ si sviluppano $3moli$ di $C{O}_2$ pari a $3mol\ast 44\frac{g}{mol}=132g$ di $CO2$ : In proporzione per $1kg$ di Alluminio si sviluppano $1.22kg$ di $C{O}_2$.

Da consumo energetico:

Per produrre $1kg$ di Alluminio servono $20099kJ$ di energia. Supponendo sia prodotta da metano $(PC=52000\frac{kJ}{kg})$, servirebbero $20099:52000=0.39kg$ di metano pari a moli $\frac{390}{16}=24$ .Essendo la combustione del metano data dalla reazione $C{H}_4+2O_2⟶C{O}_2+2H_{2}O$ si otterrebbero $24moli$ di $C{O}_2$ pari a $24mol\ast 44\frac{g}{mol}=1063g$ ossia $1.063kg$.

In totale per $1kg$ di allumino si sviluppano $1,22+1,063=2,283kg$ di $C{O}_2$.

Produzione di 1kg alluminio da riciclo:

Essendo il consumo energetico pari a $974kJ$ in proporzione ai precedenti calcoli si producono $(1.063/22099)\ast 974=0.047kg$ di $C{O}_2$. Il risparmio di $C{O}_2$ emessa risulta essere pari a $2.283-0.047=2.236kg$ di $C{O}_2$ per ogni kg di Alluminio prodotto con il riciclo.