Sáez De Guinoa Sentre, Javier
Sáez De Guinoa Sentre, Javier (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2025
Abstract: El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, particularmente de CO2, es causado principalmente por actividades humanas, lo que plantea un desafio global crítico, ya que está provocando graves impactos medioambientales como eventos climáticos extremos, el aumento del nivel del mar y la pérdida de biodiversidad. El sector industrial, responsable de una parte significativa de las emisiones de CO2, debe efectuar la transición hacia métodos de producción con bajas emisiones de carbono para mitigar estos efectos, para lo cual se requieren soluciones innovadoras y diversificadas.
La producción de aluminio, responsable de aproximadamente el 3% de las emisiones industriales globales de CO2, enfrenta importantes desafios medioambientales debido al alto consumo energético y a la generación y gestión de los residuos de los procesos Bayer y Hall-Héroult. La naturaleza intensiva en energía de estos procesos, junto con las emisiones de CO2 derivadas del uso de energía de combustibles fósiles y el consumo de ánodos de carbono, contribuye de manera significativa a la huella de carbono del sector. Aunque importantes avances, como el uso de electricidad renovable y ánodos inertes, están mejorando las emisiones en las fundiciones de aluminio del proceso Hall-Héroult, las refinerías de alúmina que siguen el proceso Bayer provocan todavía las consecuencias de las altas demandas de energía térmica y la generación de residuos peligrosos de bauxita. La electrificación y las tecnologías de captura, utilización y almacenamiento de carbono ofrecen soluciones potenciales, pero desafios como los altos costos de inversión y la necesidad de soluciones a medida dificultan su implementación generalizada. Además, los esfuerzos para neutralizar y valorizar los residuos de bauxita siguen siendo insuficientemente explorados, lo que presenta un desafio significativo para la sostenibilidad de la industria.
En consecuencia, esta tesis propone el estudio de la industria actual de la alúmina y la posterior propuesta y evaluación de estrategias alternativas que podrían aplicarse para reducir su huella medioambiental. El primer objetivo de la tesis es medir el rendimiento ambiental de las refinerías de alúmina actuales. Para ello, se propone el modelado de una refinería convencional europea de alúmina utilizando herramientas de simulación adecuadas, como el software Aspen Plus Vl2, y referencias industriales y bibliográficas fiables. Los resultados de la modelización muestran que el consumo energético de la producción de alúmina se encuentra en el rango de 8,61-11,94 GJ por tonelada de alúmina producida.
La calidad y la forma del mineral son factores clave que influyen en su rendimiento energético, siendo la bauxita laterítica el mineral preferido para minimizar la demanda energética del proceso. Los resultados del modelo de producción de alúmina también son validados por empresas industriales, cuyos consumos energéticos muestran cifras y variabilidades similares, en el rango de 7,99-13,70 GJ por tonelada de alúmina. Los resultados obtenidos del modelo se recopilan para servir como base para un análisis ambiental, siguiendo la metodología del Análisis del Ciclo de Vida. Los hallazgos del estudio muestran la variabilidad del rendimiento ambiental de la producción de alúmina en función del combustible empleado, las características del mineral inicial y la logística de la cadena de suministro. La producción de 1 tonelada de alúmina a partir de bauxita se estima que emite alrededor de 0,99-1,26 toneladas de CO2 equivalente. Por lo tanto, los resultados revelan la necesidad de que los productores de alúmina tomen medidas para reducir las emisiones de CO2 debidas a su actividad. Por ello, las siguientes actividades de la investigación se centran en proponer y evaluar diferentes estrategias de descarbonización que podrían integrarse en las refinerías de alúmina existentes, mitigando sus impactos medioambientales.
Los productores actuales de alúmina ya están trabajando en la búsqueda de tecnologías más limpias para reducir los efectos medioambientales asociados con la producción de alúmina. Aunque se están realizando esfuerzos para reducir la generación de residuos de bauxita y buscar aplicaciones potenciales para estos residuos, las principales estrategias en desarrollo para reducir las emisiones de CO2 derivadas del uso de combustibles fósiles son la electrificación directa e indirecta de los procesos. Así, muchas empresas han informado sobre actividades y ensayos en el uso de compresión mecánica de vapor y calefacción resistiva directa como estrategias de electrificación directa que actualmente se encuentran en investigación. La producción de hidrógeno verde a través de electrólisis y su uso como combustible también es una alternativa innovadora de electrificación indirecta que está siendo investigada por las empresas de alúmina. Sin embargo, otras estrategias de descarbonización con un alto nivel de preparación tecnológica, como las tecnologías de captura de CO2, no están siendo desarrolladas públicamente por los productores de alúmina en el momento de presentar esta tesis. Por lo tanto, otro objetivo de esta tesis es evaluar los desafios técnicos y el rendimiento ambiental de tres estrategias de descarbonización integradas en la industria de la alúmina: la electrificación directa de los procesos de baja temperatura, la electrificación indirecta mediante la producción de hidrógeno verde y la captura y almacenamiento de CO2 postcombustión mediante una configuración de calcio-looping.
Se explora el potencial de utilizar una planta fotovoltaica solar para satisfacer las necesidades de energía térmica de una planta de producción de alúmina mediante la electrificación directa de procesos de baja y media temperatura (hasta 400ºC). A pesar de los impactos ambientales positivos, los resultados indican un efecto muy limitado en la reducción del consumo de combustibles fósiles, ya que la mayor parte de la demanda energética térmica se produce a altas temperaturas. Así, las emisiones directas de CO2 de la configuración propuesta se reducen en un 29%, disminuyendo de 599 a 428 kg de CO2 por tonelada de alúmina. Las reducciones adicionales deberían provenir de estrategias alternativas para descarbonizar la etapa de calcinación, que presenta la mayor demanda de energía térmica. En este sentido, también se propone la electrificación indirecta de esta etapa mediante el uso de un electrolizador para producir hidrógeno. El rendimiento ambiental del hidrógeno verde como fuente de energía térmica se considera altamente favorable, evitando casi todas las emisiones de CO2. Sin embargo, se identifican incertidumbres con respecto a su viabilidad económica y técnica debido a las altas demandas de energía térmica del proceso
de extracción de alúmina y la alta inversión energética requerida para la implementación de un electrolizador. Además, la ineficiencia de la electrólisis del agua aumenta excesivamente la penalización energética del CO2 evitado. El coste energético de la implementación de la electrificación indirecta se estima entre 6,41-9 ,08 GJ por tonelada de CO2 evitado. Por esta razón, esta tesis también propone examinar
la viabilidad de usar una planta de captura de CO2 basada en el sistema de calcium-looping, una propuesta novedosa para reducir las emisiones de CO2 en la producción de alúmina. El modelo de calcium-looping desarrollado muestra una baja penalización energética, de aproximadamente el 7% en comparación con el proceso Bayer convencional, junto con un coste energético específico de 1,45 GJ por tonelada de CO2 evitada, lo que lo convierte en una solución prometedora para mitigar las emisiones debidas a la extracción
de alúmina.
Los resultados favorables de la implementación de una planta de captura de CO2 como estrategia para mitigar los efectos medioambientales de la producción de alúmina llevan a la búsqueda de rutas alternativas para producir alúmina y la posible implementación de configuraciones similares de calciumlooping para mitigar las emisiones de CO2 de estas rutas. Las líneas de investigación más comunes respecto a la producción de alúmina son la idoneidad de mejoras al proceso Bayer, como la adecuación de la bauxita antes de ingresar al proceso o la subdivisión de la etapa de digestión del mineral en varios subprocesos. En cuanto a los métodos no basados en el proceso Bayer, el interés de la comunidad investigadora en el proceso Pedersen está creciendo como una ruta prometedora para obtener alúmina a partir de bauxita, gracias a la valorización del contenido de hierro del mineral, evitando la generación de residuos de bauxita.
Recientemente, también ha crecido el interés por minerales alternativos que contienen alúmina, como la anortosita, que, mediante el proceso AlSiCal, se puede transformar en tres materias primas críticas, como son la alúmina, la sílice y el carbonato de calcio.
Como consecuencia, la última parte de esta tesis propone el modelado y evaluación de ambas rutas para producir alúmina: los procesos Pedersen y AlSiCal. Además del estudio de las ventajas y desafios técnicos de cada alternativa, se propone la implementación de un sistema de captura de CO2 mediante calcium-looping en ambos procesos, con el objetivo también de encontrar posibles sinergias con la utilización del calcio de cada ruta, así como establecer una comparación equitativa con la investigación realizada sobre el proceso Bayer. Los resultados destacan el rendimiento prometedor de ambas alternativas como rutas complementarias para producir alúmina, siendo competitivas en términos energéticos con el estado actual de la industria de alúmina, al mismo tiempo que evitan los residuos de bauxita.
El proceso Pedersen muestra resultados especialmente favorables al tratar bauxitas con alto contenido de hierro, manifestando una demanda energética de 1 O, 16 GJ por tonelada de productos. Además, la penalización energética de implementar un sistema de captura de CO2 basado en calcium-looping también resulta significativamente baja, gracias al uso de carbonato de calcio como materia prima durante el proceso. El coste energético estimado de la captura de CO2 varía en el rango de 0,95-2,52 GJ por tonelada de CO2 evitada, dependiendo del grado de sustitución del CaCO3 requerido en el proceso Pedersen mediante el uso de CaO purgado del sistema de calcium-looping. Por otro lado, el proceso AlSiCal también muestra resultados prometedores, ya que su demanda energética se estima en 10,84 GJ por tonelada de productos. Sin embargo, la integración de un sistema de calcium-looping muestra resultados menos favorables debido a la alta intensidad energética de esta tecnología. No obstante, los resultados identifican el gran potencial de estas rutas para avanzar hacia una industria más limpia y eficiente en el uso de recursos, mostrando potenciales sinergias entre las diferentes rutas y entre otras industrias, como la del hierro o la sílice.
Abstract (other lang.): Increased greenhouse gas emissions, particularly CO2, are primarily caused by human activities, posing a critical global challenge that is leading to severe environmental impacts, such as extreme weather events, rising sea levels, and biodiversity loss. The industrial sector, responsible for a significant amount of CO2 emissions, must transition to low-carbon production methods to help mitigate these effects, for which diversified innovative solutions are required. Aluminium production, responsible for about 3% of global industrial CO2 emissions, faces important environmental challenges due to the high energy consumption and the generation and management of the residues of both the Bayer and Hall-Héroult processes. The energy-intensive nature of these processes, coupled with CO2 emissions from fossil fuel-based energy and carbon anode consumption, contributes crucially to the sector¿s carbon footprint. While advancements such as the use of renewable electricity and inert anodes are improving emissions in aluminium smelters, alumina refineries still struggle with high thermal energy demand and the generation of large volumes of bauxite residue. Electrification and carbon capture, utilization, and storage technologies offer potential solutions, but challenges like high investment costs and the need for tailored solutions hinder a widespread implementation. Additionally, efforts to neutralize and valorize bauxite residues remain underexplored, presenting a significant challenge to the industry's sustainability. Accordingly, this thesis proposes the study of the current alumina industry and the subsequent proposal and evaluation of alternative strategies that could be applied to reduce its environmental footprint. Hence, the first objective of the thesis is to measure the environmental performance of current alumina refineries. For this purpose, the modelling of a conventional European alumina refinery is raised using suitable simulation tools, as Aspen Plus V12 software, and reliable literature and industrial references. The results of the modelling show that the energy consumption of alumina production stands in the range of 8.61-11.94 GJ per tonne of alumina produced. The quality and form of the mineral results a key factor influencing its energy performance, being lateritic bauxite the preferred mineral to minimize the energy demand of the process. The results of the model of alumina production are also validated by industrial companies, whose energy consumptions show similar figures and variabilities, in the range of 7.99-13.70 GJ per tonne of alumina. The obtained results from the model are gathered to serve as the basis for an environmental analysis, following the Life Cycle Assessment methodology. The findings of the study show the variability on the environmental performance of alumina production depending on the fuel employed, the characteristics of the initial ore and the logistics of the supply chain. The production of 1 tonne of alumina from bauxite is estimated to emit around 0.99-1.26 tonnes of CO2 equivalent. Therefore, the results reveal the need for alumina producers to take actions to reduce the CO2 emissions due to their activity. Hence, the next research activities are focused on propose and evaluate different decarbonization strategies that could be integrated into existing alumina refineries, mitigating their environmental impacts. Current alumina producers are already working in the search for cleaner technologies to reduce the environmental effects associated with alumina production. While efforts are being made to reduce the generation of bauxite residue and to seek potential applications for this residue, the main strategies under development to reduce the CO2 emissions derived from the use of fossil fuels are the direct and indirect electrification of processes. Thus, many companies have reported activities and trials on the use of mechanical vapour recompression and direct resistive heating as direct electrification strategies being currently under research. The production of green hydrogen via electrolysis and its use as fuel is also an innovative alternative of indirect electrification that is being researched by alumina companies. However, other decarbonization strategies with high technological readiness level, such as CO2 capture technologies, are not being publicly developed by alumina producers at the moment of presenting this thesis. Therefore, another objective of this thesis is evaluating the technical challenges and the environmental performances of three decarbonization strategies integrated in the alumina industry: the direct electrification of lowtemperature processes, the indirect electrification via green hydrogen production, and the capture and storage of post-combustion CO2 through a calcium-looping configuration. The potential of using a solar photovoltaic plant to meet the thermal energy needs of an alumina production plant is explored by proposing the direct electrification of low and mid-temperature processes (up to 400ºC). Despite the positive environmental impacts, the results indicate a very limited effect in the reduction of fossil fuels consumption, as most of the thermal energy demand occurs at high temperatures. Thus, the direct CO2 emissions of the proposed configuration are reduced by 29%, decreasing from 599 to 428 kg of CO2 per tonne of alumina. Further reductions should come from alternative strategies to decarbonize the calcination stage, which presents the greatest thermal energy demand. In this regard, the indirect electrification of this stage using an electrolyser to produce hydrogen is also proposed. The environmental performance of green hydrogen as source of thermal energy is found to be highly favourable, avoiding nearly all the CO2 emissions. Nevertheless, uncertainties regarding its economic and technical feasibility are identified due to the high thermal energy demands of the alumina refining process and the high energy investment required for the implementation of an electrolyser. In addition, the inefficiency of water electrolysis increases excessively the energy penalty of the CO2 avoidance. The energy cost of the implementation of the indirect electrification is estimated at 6.41-9.08 GJ per tonne of CO2 avoided. For that reason, this thesis also proposes the examination of the feasibility of using a post combustion CO2 capture plant based on calcium looping, a novel proposal for reducing CO2 emissions in alumina production. The calcium looping model developed demonstrates a low energy penalty of approximately 7% compared to the conventional Bayer process, along with a specific primary energy cost of 1.45 GJ per tonne of CO2 avoided, making it a promising solution for mitigating the emissions due to the alumina refining. The favourable results of the implementation of a CO2 capture plant as a strategy to mitigate the environmental effects of alumina production lead to the search for alternative routes to produce alumina and the potential implementation of similar calcium-looping configurations to mitigate the CO2 emissions of these alternatives. The most common lines of research regarding the production of alumina are the suitability of enhancements to the Bayer process, such as the adjustment of bauxite before entering the process or the subdivision of the ore digestion step in several sub-stages. Focusing on non-Bayer methods, the interest of the research community in the Pedersen process is raising as a promising route to obtain alumina from bauxite thanks to the achievement of valorizing the iron content of the ore, avoiding the generation of bauxite residue. Recently, interest has also grown on alternative alumina containing minerals, such as anorthosite, which can be processed into three key raw materials (alumina, silica and calcium carbonate) following the AlSiCal process. As a consequence, the last part of the thesis proposes the modelling and evaluation of both routes to produce alumina: the Pedersen and the AlSiCal processes. In addition to the study of the advantages and technical challenges of each alternative, the implementation of a calcium-looping system to capture the CO2 emissions of the two processes is proposed, with the goal also of finding potential synergies with the utilization of calcium of each route, as well as establishing a fair comparison with the research conducted on the Bayer process. The results highlight the promising performance of both alternatives as complementary routes to produce alumina, being competitive energy-wise with the current state of alumina industry while avoiding bauxite residues. The Pedersen process shows especially favourable results when treating bauxites with high iron content, manifesting an energy demand of 10.16 GJ per tonne of products. Additionally, the energy penalty of implementin a CO2 capture system based on calcium looping results also significantly low, thanks to the use of calcium carbonate as a raw material during the process. The estimated energy cost of the CO2 capture varies in the range of 0.95-2.52 GJ per tonne of CO2 avoided, depending on the degree of substitution of the CaCO3 required in the Pedersen process by using purged CaO from the calcium looping system. On the other hand, the AlSiCal process also manifests promising results, as its energy demand is estimated at 10.84 GJ per tonne of products. The integration of a calcium-looping system, however, shows less favourable results because of the high energy intensity of the technology. Nevertheless, the results identify the great potential of these routes to move on towards a cleaner and more efficient industry.
La producción de aluminio, responsable de aproximadamente el 3% de las emisiones industriales globales de CO2, enfrenta importantes desafios medioambientales debido al alto consumo energético y a la generación y gestión de los residuos de los procesos Bayer y Hall-Héroult. La naturaleza intensiva en energía de estos procesos, junto con las emisiones de CO2 derivadas del uso de energía de combustibles fósiles y el consumo de ánodos de carbono, contribuye de manera significativa a la huella de carbono del sector. Aunque importantes avances, como el uso de electricidad renovable y ánodos inertes, están mejorando las emisiones en las fundiciones de aluminio del proceso Hall-Héroult, las refinerías de alúmina que siguen el proceso Bayer provocan todavía las consecuencias de las altas demandas de energía térmica y la generación de residuos peligrosos de bauxita. La electrificación y las tecnologías de captura, utilización y almacenamiento de carbono ofrecen soluciones potenciales, pero desafios como los altos costos de inversión y la necesidad de soluciones a medida dificultan su implementación generalizada. Además, los esfuerzos para neutralizar y valorizar los residuos de bauxita siguen siendo insuficientemente explorados, lo que presenta un desafio significativo para la sostenibilidad de la industria.
En consecuencia, esta tesis propone el estudio de la industria actual de la alúmina y la posterior propuesta y evaluación de estrategias alternativas que podrían aplicarse para reducir su huella medioambiental. El primer objetivo de la tesis es medir el rendimiento ambiental de las refinerías de alúmina actuales. Para ello, se propone el modelado de una refinería convencional europea de alúmina utilizando herramientas de simulación adecuadas, como el software Aspen Plus Vl2, y referencias industriales y bibliográficas fiables. Los resultados de la modelización muestran que el consumo energético de la producción de alúmina se encuentra en el rango de 8,61-11,94 GJ por tonelada de alúmina producida.
La calidad y la forma del mineral son factores clave que influyen en su rendimiento energético, siendo la bauxita laterítica el mineral preferido para minimizar la demanda energética del proceso. Los resultados del modelo de producción de alúmina también son validados por empresas industriales, cuyos consumos energéticos muestran cifras y variabilidades similares, en el rango de 7,99-13,70 GJ por tonelada de alúmina. Los resultados obtenidos del modelo se recopilan para servir como base para un análisis ambiental, siguiendo la metodología del Análisis del Ciclo de Vida. Los hallazgos del estudio muestran la variabilidad del rendimiento ambiental de la producción de alúmina en función del combustible empleado, las características del mineral inicial y la logística de la cadena de suministro. La producción de 1 tonelada de alúmina a partir de bauxita se estima que emite alrededor de 0,99-1,26 toneladas de CO2 equivalente. Por lo tanto, los resultados revelan la necesidad de que los productores de alúmina tomen medidas para reducir las emisiones de CO2 debidas a su actividad. Por ello, las siguientes actividades de la investigación se centran en proponer y evaluar diferentes estrategias de descarbonización que podrían integrarse en las refinerías de alúmina existentes, mitigando sus impactos medioambientales.
Los productores actuales de alúmina ya están trabajando en la búsqueda de tecnologías más limpias para reducir los efectos medioambientales asociados con la producción de alúmina. Aunque se están realizando esfuerzos para reducir la generación de residuos de bauxita y buscar aplicaciones potenciales para estos residuos, las principales estrategias en desarrollo para reducir las emisiones de CO2 derivadas del uso de combustibles fósiles son la electrificación directa e indirecta de los procesos. Así, muchas empresas han informado sobre actividades y ensayos en el uso de compresión mecánica de vapor y calefacción resistiva directa como estrategias de electrificación directa que actualmente se encuentran en investigación. La producción de hidrógeno verde a través de electrólisis y su uso como combustible también es una alternativa innovadora de electrificación indirecta que está siendo investigada por las empresas de alúmina. Sin embargo, otras estrategias de descarbonización con un alto nivel de preparación tecnológica, como las tecnologías de captura de CO2, no están siendo desarrolladas públicamente por los productores de alúmina en el momento de presentar esta tesis. Por lo tanto, otro objetivo de esta tesis es evaluar los desafios técnicos y el rendimiento ambiental de tres estrategias de descarbonización integradas en la industria de la alúmina: la electrificación directa de los procesos de baja temperatura, la electrificación indirecta mediante la producción de hidrógeno verde y la captura y almacenamiento de CO2 postcombustión mediante una configuración de calcio-looping.
Se explora el potencial de utilizar una planta fotovoltaica solar para satisfacer las necesidades de energía térmica de una planta de producción de alúmina mediante la electrificación directa de procesos de baja y media temperatura (hasta 400ºC). A pesar de los impactos ambientales positivos, los resultados indican un efecto muy limitado en la reducción del consumo de combustibles fósiles, ya que la mayor parte de la demanda energética térmica se produce a altas temperaturas. Así, las emisiones directas de CO2 de la configuración propuesta se reducen en un 29%, disminuyendo de 599 a 428 kg de CO2 por tonelada de alúmina. Las reducciones adicionales deberían provenir de estrategias alternativas para descarbonizar la etapa de calcinación, que presenta la mayor demanda de energía térmica. En este sentido, también se propone la electrificación indirecta de esta etapa mediante el uso de un electrolizador para producir hidrógeno. El rendimiento ambiental del hidrógeno verde como fuente de energía térmica se considera altamente favorable, evitando casi todas las emisiones de CO2. Sin embargo, se identifican incertidumbres con respecto a su viabilidad económica y técnica debido a las altas demandas de energía térmica del proceso
de extracción de alúmina y la alta inversión energética requerida para la implementación de un electrolizador. Además, la ineficiencia de la electrólisis del agua aumenta excesivamente la penalización energética del CO2 evitado. El coste energético de la implementación de la electrificación indirecta se estima entre 6,41-9 ,08 GJ por tonelada de CO2 evitado. Por esta razón, esta tesis también propone examinar
la viabilidad de usar una planta de captura de CO2 basada en el sistema de calcium-looping, una propuesta novedosa para reducir las emisiones de CO2 en la producción de alúmina. El modelo de calcium-looping desarrollado muestra una baja penalización energética, de aproximadamente el 7% en comparación con el proceso Bayer convencional, junto con un coste energético específico de 1,45 GJ por tonelada de CO2 evitada, lo que lo convierte en una solución prometedora para mitigar las emisiones debidas a la extracción
de alúmina.
Los resultados favorables de la implementación de una planta de captura de CO2 como estrategia para mitigar los efectos medioambientales de la producción de alúmina llevan a la búsqueda de rutas alternativas para producir alúmina y la posible implementación de configuraciones similares de calciumlooping para mitigar las emisiones de CO2 de estas rutas. Las líneas de investigación más comunes respecto a la producción de alúmina son la idoneidad de mejoras al proceso Bayer, como la adecuación de la bauxita antes de ingresar al proceso o la subdivisión de la etapa de digestión del mineral en varios subprocesos. En cuanto a los métodos no basados en el proceso Bayer, el interés de la comunidad investigadora en el proceso Pedersen está creciendo como una ruta prometedora para obtener alúmina a partir de bauxita, gracias a la valorización del contenido de hierro del mineral, evitando la generación de residuos de bauxita.
Recientemente, también ha crecido el interés por minerales alternativos que contienen alúmina, como la anortosita, que, mediante el proceso AlSiCal, se puede transformar en tres materias primas críticas, como son la alúmina, la sílice y el carbonato de calcio.
Como consecuencia, la última parte de esta tesis propone el modelado y evaluación de ambas rutas para producir alúmina: los procesos Pedersen y AlSiCal. Además del estudio de las ventajas y desafios técnicos de cada alternativa, se propone la implementación de un sistema de captura de CO2 mediante calcium-looping en ambos procesos, con el objetivo también de encontrar posibles sinergias con la utilización del calcio de cada ruta, así como establecer una comparación equitativa con la investigación realizada sobre el proceso Bayer. Los resultados destacan el rendimiento prometedor de ambas alternativas como rutas complementarias para producir alúmina, siendo competitivas en términos energéticos con el estado actual de la industria de alúmina, al mismo tiempo que evitan los residuos de bauxita.
El proceso Pedersen muestra resultados especialmente favorables al tratar bauxitas con alto contenido de hierro, manifestando una demanda energética de 1 O, 16 GJ por tonelada de productos. Además, la penalización energética de implementar un sistema de captura de CO2 basado en calcium-looping también resulta significativamente baja, gracias al uso de carbonato de calcio como materia prima durante el proceso. El coste energético estimado de la captura de CO2 varía en el rango de 0,95-2,52 GJ por tonelada de CO2 evitada, dependiendo del grado de sustitución del CaCO3 requerido en el proceso Pedersen mediante el uso de CaO purgado del sistema de calcium-looping. Por otro lado, el proceso AlSiCal también muestra resultados prometedores, ya que su demanda energética se estima en 10,84 GJ por tonelada de productos. Sin embargo, la integración de un sistema de calcium-looping muestra resultados menos favorables debido a la alta intensidad energética de esta tecnología. No obstante, los resultados identifican el gran potencial de estas rutas para avanzar hacia una industria más limpia y eficiente en el uso de recursos, mostrando potenciales sinergias entre las diferentes rutas y entre otras industrias, como la del hierro o la sílice.
Abstract (other lang.): Increased greenhouse gas emissions, particularly CO2, are primarily caused by human activities, posing a critical global challenge that is leading to severe environmental impacts, such as extreme weather events, rising sea levels, and biodiversity loss. The industrial sector, responsible for a significant amount of CO2 emissions, must transition to low-carbon production methods to help mitigate these effects, for which diversified innovative solutions are required. Aluminium production, responsible for about 3% of global industrial CO2 emissions, faces important environmental challenges due to the high energy consumption and the generation and management of the residues of both the Bayer and Hall-Héroult processes. The energy-intensive nature of these processes, coupled with CO2 emissions from fossil fuel-based energy and carbon anode consumption, contributes crucially to the sector¿s carbon footprint. While advancements such as the use of renewable electricity and inert anodes are improving emissions in aluminium smelters, alumina refineries still struggle with high thermal energy demand and the generation of large volumes of bauxite residue. Electrification and carbon capture, utilization, and storage technologies offer potential solutions, but challenges like high investment costs and the need for tailored solutions hinder a widespread implementation. Additionally, efforts to neutralize and valorize bauxite residues remain underexplored, presenting a significant challenge to the industry's sustainability. Accordingly, this thesis proposes the study of the current alumina industry and the subsequent proposal and evaluation of alternative strategies that could be applied to reduce its environmental footprint. Hence, the first objective of the thesis is to measure the environmental performance of current alumina refineries. For this purpose, the modelling of a conventional European alumina refinery is raised using suitable simulation tools, as Aspen Plus V12 software, and reliable literature and industrial references. The results of the modelling show that the energy consumption of alumina production stands in the range of 8.61-11.94 GJ per tonne of alumina produced. The quality and form of the mineral results a key factor influencing its energy performance, being lateritic bauxite the preferred mineral to minimize the energy demand of the process. The results of the model of alumina production are also validated by industrial companies, whose energy consumptions show similar figures and variabilities, in the range of 7.99-13.70 GJ per tonne of alumina. The obtained results from the model are gathered to serve as the basis for an environmental analysis, following the Life Cycle Assessment methodology. The findings of the study show the variability on the environmental performance of alumina production depending on the fuel employed, the characteristics of the initial ore and the logistics of the supply chain. The production of 1 tonne of alumina from bauxite is estimated to emit around 0.99-1.26 tonnes of CO2 equivalent. Therefore, the results reveal the need for alumina producers to take actions to reduce the CO2 emissions due to their activity. Hence, the next research activities are focused on propose and evaluate different decarbonization strategies that could be integrated into existing alumina refineries, mitigating their environmental impacts. Current alumina producers are already working in the search for cleaner technologies to reduce the environmental effects associated with alumina production. While efforts are being made to reduce the generation of bauxite residue and to seek potential applications for this residue, the main strategies under development to reduce the CO2 emissions derived from the use of fossil fuels are the direct and indirect electrification of processes. Thus, many companies have reported activities and trials on the use of mechanical vapour recompression and direct resistive heating as direct electrification strategies being currently under research. The production of green hydrogen via electrolysis and its use as fuel is also an innovative alternative of indirect electrification that is being researched by alumina companies. However, other decarbonization strategies with high technological readiness level, such as CO2 capture technologies, are not being publicly developed by alumina producers at the moment of presenting this thesis. Therefore, another objective of this thesis is evaluating the technical challenges and the environmental performances of three decarbonization strategies integrated in the alumina industry: the direct electrification of lowtemperature processes, the indirect electrification via green hydrogen production, and the capture and storage of post-combustion CO2 through a calcium-looping configuration. The potential of using a solar photovoltaic plant to meet the thermal energy needs of an alumina production plant is explored by proposing the direct electrification of low and mid-temperature processes (up to 400ºC). Despite the positive environmental impacts, the results indicate a very limited effect in the reduction of fossil fuels consumption, as most of the thermal energy demand occurs at high temperatures. Thus, the direct CO2 emissions of the proposed configuration are reduced by 29%, decreasing from 599 to 428 kg of CO2 per tonne of alumina. Further reductions should come from alternative strategies to decarbonize the calcination stage, which presents the greatest thermal energy demand. In this regard, the indirect electrification of this stage using an electrolyser to produce hydrogen is also proposed. The environmental performance of green hydrogen as source of thermal energy is found to be highly favourable, avoiding nearly all the CO2 emissions. Nevertheless, uncertainties regarding its economic and technical feasibility are identified due to the high thermal energy demands of the alumina refining process and the high energy investment required for the implementation of an electrolyser. In addition, the inefficiency of water electrolysis increases excessively the energy penalty of the CO2 avoidance. The energy cost of the implementation of the indirect electrification is estimated at 6.41-9.08 GJ per tonne of CO2 avoided. For that reason, this thesis also proposes the examination of the feasibility of using a post combustion CO2 capture plant based on calcium looping, a novel proposal for reducing CO2 emissions in alumina production. The calcium looping model developed demonstrates a low energy penalty of approximately 7% compared to the conventional Bayer process, along with a specific primary energy cost of 1.45 GJ per tonne of CO2 avoided, making it a promising solution for mitigating the emissions due to the alumina refining. The favourable results of the implementation of a CO2 capture plant as a strategy to mitigate the environmental effects of alumina production lead to the search for alternative routes to produce alumina and the potential implementation of similar calcium-looping configurations to mitigate the CO2 emissions of these alternatives. The most common lines of research regarding the production of alumina are the suitability of enhancements to the Bayer process, such as the adjustment of bauxite before entering the process or the subdivision of the ore digestion step in several sub-stages. Focusing on non-Bayer methods, the interest of the research community in the Pedersen process is raising as a promising route to obtain alumina from bauxite thanks to the achievement of valorizing the iron content of the ore, avoiding the generation of bauxite residue. Recently, interest has also grown on alternative alumina containing minerals, such as anorthosite, which can be processed into three key raw materials (alumina, silica and calcium carbonate) following the AlSiCal process. As a consequence, the last part of the thesis proposes the modelling and evaluation of both routes to produce alumina: the Pedersen and the AlSiCal processes. In addition to the study of the advantages and technical challenges of each alternative, the implementation of a calcium-looping system to capture the CO2 emissions of the two processes is proposed, with the goal also of finding potential synergies with the utilization of calcium of each route, as well as establishing a fair comparison with the research conducted on the Bayer process. The results highlight the promising performance of both alternatives as complementary routes to produce alumina, being competitive energy-wise with the current state of alumina industry while avoiding bauxite residues. The Pedersen process shows especially favourable results when treating bauxites with high iron content, manifesting an energy demand of 10.16 GJ per tonne of products. Additionally, the energy penalty of implementin a CO2 capture system based on calcium looping results also significantly low, thanks to the use of calcium carbonate as a raw material during the process. The estimated energy cost of the CO2 capture varies in the range of 0.95-2.52 GJ per tonne of CO2 avoided, depending on the degree of substitution of the CaCO3 required in the Pedersen process by using purged CaO from the calcium looping system. On the other hand, the AlSiCal process also manifests promising results, as its energy demand is estimated at 10.84 GJ per tonne of products. The integration of a calcium-looping system, however, shows less favourable results because of the high energy intensity of the technology. Nevertheless, the results identify the great potential of these routes to move on towards a cleaner and more efficient industry.
Pal. clave: proceso bayer ; descarbonización ; residuo de bauxita ; eficiencia térmica ; economía circular
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica
Plan(es): Plan 514
Knowledge area: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 01 12 2025
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2025
Contribution of the TFG/M to Sustainability: Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación. Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles.
Fecha de embargo : 2026-12-01
Permalink:
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