السلسلة: التعدين والمواد • المنشور 6
الألمنيوم، النحاس والمعادن النادرة — عروق القوة
الصلب هو عظامنا؛ الألمنيوم هو أجنحتنا؛ النحاس هو أعصابنا؛ ومعادن البطاريات هي الأيونات التي تحافظ على كل شيء حيًا. في هذا الجزء نقوم بتوصيل الكوكب — بالطاقة النظيفة، والأفران النظيفة، والمصانع التي تتصرف كجيران.
مهمة اليوم
أظهر كيف نصنع الألمنيوم والنحاس ومعادن البطاريات بدون دخان
انشر الأحمال المحسوبة مسبقًا، والبصمات، وتدفقات المنتجات.
صمم "عروق" العالم لتعمل بالطاقة الشمسية من مصنع البذور الخاص بنا (الجزء 3).
لماذا هذه المعادن (الجهاز العصبي للحضارة)
الألومنيوم يجعل الهياكل خفيفة، مقاومة للتآكل، وسريعة الشحن. النحاس ينقل الإلكترونات برشاقة: المحركات، المحولات، قضبان التوصيل. النيكل، الكوبالت، المنغنيز & الليثيوم تضبط كيمياء البطاريات. في بنائنا، كلها كهربائية من المنجم إلى المنتج — لا ديزل، لا فحم.
- الحرارة الكهربائية (الحث، المقاومة) تحل محل الموقدات.
- الحلقات المغلقة تلتقط الغازات المنبعثة وتعاد تدوير المياه.
- مصنع البذور الشمسية (الجزء 3) يطبع الميجاوات لتشغيل كل شيء.
الألومنيوم — خفيف، سريع، قابل لإعادة التدوير بلا حدود
العملية بنظرة سريعة
- Bauxite → Bayer (الحفر، الغسل، الهضم، الترسيب) → Alumina
- Alumina → Smelter (Hall‑Héroult) مع كهرباء نظيفة (يفضل الأنودات الخاملة)
- Casthouse: قضبان، ألواح، سبائك المصاهر؛ Rolling/Extrusion بجوارها
ورقة غش لكل طن (توضيحية)
| الخطوة | الكهرباء | ملاحظات |
|---|---|---|
| تكرير الألومينا | ~0.4–1.0 MWh/t Al | مضخات الهضم، أفران الكلسنة مكهربة |
| الصهر (الخلايا) | ~14–16 MWh/t Al | أقل مع الأنودات الخاملة & استرداد الحرارة |
| الصب/التشطيب | ~1–3 MWh/t Al | أفران الحث، الفلاتر |
إعادة تدوير الخردة: ~1–1.5 MWh/t (الذوبان & الصب) — لماذا نحب الحلقات المغلقة.
لماذا الأنودات الخاملة؟
هم يتجنبون استهلاك الأنود الكربوني وارتفاعات مركبات الفلور الكربونية، ويقللون من ثاني أكسيد الكربون في العملية، ويبسطون الأبخرة. نحن لا نزال نشغل نظام الالتقاط والترشيح الكامل؛ الهواء من حولنا من أجل الغروب، وليس المداخن.
النحاس — الأسلاك، اللفائف، والدفء
العملية بنظرة سريعة
- مركز الكبريتيد → الصهر السريع & التحويل → الأنودات
- التكرير الكهربائي (ER) → الكاثود 99.99%
- المرحلة النهائية: مطحنة القضبان، سلك المينا، قضيب التوصيل، الرقائق
ورقة غش لكل طن (توضيحية)
| الخطوة | الكهرباء | ملاحظات |
|---|---|---|
| الصهر/التحويل (المساعدات الكهربائية) | ~0.4–0.8 MWh/t Cu | الفرن طارد للحرارة؛ نحن نلتقط الحرارة |
| التكرير الكهربائي | ~2.0–3.0 MWh/t Cu | حمل التيار المستمر المستقر = أفضل صديق للشبكة الصغيرة |
| مطاحن القضبان/الرقائق | ~0.1–0.3 MWh/t Cu | المحركات & التلدين، كلها كهربائية |
نوجه الغازات المنبعثة إلى مصنع حمض؛ لا توجد مشاعل، فقط المنتجات.
لماذا لا نستخدم solvent extraction/electrowinning (SX/EW) هنا؟
تتألق SX/EW للأكاسيد والمحاليل؛ الكبريتيدات تحب الصهر + ER. لا نزال نشغل خطوط النقع الخضراء للنفايات والجداول منخفضة الدرجة لجعل كل ذرة مهمة.
لوحة سريعة لمعادن البطاريات — Ni, Co, Mn, Li
كيمياء البطارية هي بوفيه. نصمم المصانع كقطع Lego: نقع/HPAL أو تكليس → MHP أو محلول → electrowinning/التبلور → كبريتات/هيدروكسيدات. كلها كهربائية. دوائر المياه مغلقة. تم اختيار المواد الكيميائية للعقلانية.
الكهرباء لكل طن (توضيحية، تشمل الحرارة المكهربة)
| المنتج | كيلوواط ساعة لكل طن منتج | ملاحظات |
|---|---|---|
| كبريتات النيكل (من اللاتيريت عبر HPAL + EW) | ~3,800–10,200 | EW + e‑steam لـ HPAL؛ يعتمد على الموقع والخام |
| كبريتات الكوبالت | ~1,600–4,400 | EW + التبلور |
| كبريتات المنغنيز | ~780–2,330 | تحميص/نقع كهربي؛ تلميع |
| هيدروكسيد الليثيوم (من سبودومين) | ~3,700–8,300 | E‑calciners + أجهزة التبلور |
تعكس النطاقات درجة الخام/المحلول الملحي، ومعدلات إعادة التدوير، ومدى شدة كهربة حرارة العملية.
أحمال "جنة التيار المستمر الثابت"
- توفر أكوام Electrowinning تيارًا مستمرًا ثابتًا → سهل التخزين المؤقت باستخدام التخزين.
- تهمس أجهزة التبلور والمضخات بأدب؛ نحن نؤجل الوقت باستخدام التخزين الحراري.
- كل شيء يجلس على نفس الشبكة الشمسية الصغيرة مع الصلب، النحاس، والزجاج (الأجزاء 3–5).
ولكن المواد الكيميائية؟
نحن نوحد استخدام المواد الكيميائية غير الضارة أو القابلة لإعادة التدوير (مثل دوائر الأمونيا، أنظمة الكبريتات)، نلتقط الأبخرة، ونحافظ على الماء في دوائر مغلقة. "النفايات" تصبح مدخلات للجيران (مثل الحمض لمحلات النقش، القاعدة للتحييد).
سيناريوهات المصنع المحسوبة مسبقًا
مجمعات مصاهر الألمنيوم
| الطاقة الاستيعابية | متوسط الحمل | الحد الأدنى للطاقة الشمسية | تخزين 12 ساعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| 500 ألف طن/سنة | ~0.8–1.1 غيغاواط | ~4.1–5.6 غيغاواط ذروة | ~9.6–13.2 غيغاواط ساعة | تطابق أرقام الجزء 4 |
| 1.0 مليون طن/سنة | ~1.6–2.2 غيغاواط | ~8.2–11.3 غيغاواط ذروة | ~19–26 غيغاواط ساعة | الأنودات الخاملة تدفع الحد الأدنى |
PV “min” حسب Avg(MW)×5.14 (5.5 PSH، 85% العائد). نحن نزيد الحجم لتشغيل التدحرج والجيران.
مجمعات كاثود النحاس
| الطاقة الاستيعابية | متوسط الحمل | الحد الأدنى للطاقة الشمسية | تخزين 12 ساعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| 1.0 مليون طن/سنة | ~280–450 ميغاواط | ~1.44–2.31 GWp | ~3.4–5.4 GWh | ER يهيمن، مستقر جداً |
| 2.0 Mt/yr | ~560–900 MW | ~2.9–4.6 GWp | ~6.8–10.8 GWh | إضافة مصنع حمض، خط رقائق |
حرارة الصهر طاردة للحرارة — نقوم بتوجيهها إلى شبكات البخار والجيران.
معادن البطاريات — تحديد حجم الحرم الجامعي بسرعة
| المنتج | حجم المحطة | متوسط الحمل الكهربائي | الحد الأدنى للطاقة الشمسية | تخزين 12 ساعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| كبريتات النيكل | 100 kt/yr | ~50–130 MW | ~260–670 MWp | ~0.6–1.6 GWh | HPAL + EW، حرارة مكهربة |
| كبريتات الكوبالت | 50 kt/yr | ~9–25 MW | ~46–129 MWp | ~0.1–0.3 GWh | غالبًا ما يقترن مع Ni |
| كبريتات المنغنيز | 300 kt/yr | ~30–80 MW | ~154–411 MWp | ~0.36–0.96 GWh | تغذية LMFP/NMC الأولية |
| هيدروكسيد الليثيوم | 100 kt/yr | ~50–100 MW | ~257–514 MWp | ~0.6–1.2 GWh | مسار Spodumene مكهرب |
نعتبر الحرارة كمستأجر كهربائي (E‑boilers، مضخات الحرارة). الأرقام تشمل مكافئات الحرارة المكهربة.
البصمات، المياه والجيران
البصمات النموذجية
- الألمنيوم 1 مليون طن/سنة: فرن الصهر + بيت الصب ~60–100 هكتار؛ حقل الطاقة الشمسية 8–11 كم² قريب
- النحاس 1 مليون طن/سنة: صهر/تحويل/ER ~30–60 هكتار؛ حقل الطاقة الشمسية 1.4–2.3 كم²
- حرم البطاريات: كتل بمساحة 20–60 هكتار لكل منتج؛ مرافق ومختبرات مشتركة
الماء والهواء
- تبريد بحلقة مغلقة؛ مياه الأمطار من مروج الطاقة الشمسية تغذي مياه التعويض.
- مصانع الأحماض ومرشحاتها تحصر SO₂ وHF في منتجات، لا في كتابة على السماء.
- الضوضاء أقل من 85 ديسيبل عند السياج؛ السيور مغطاة؛ ممل جداً عن قصد.
مناجمنا تترك بحيرات (الجزء 1). أفراننا تترك ضوء الشمس. الدخان الوحيد هو البخار في صباح بارد، وربما سنوجهه إلى المغسلة.
Tap‑to‑open Q&A
يبدو أن الألمنيوم يستهلك طاقة كبيرة — هل هذه مشكلة؟
هذه ميزة. الألمنيوم هو بطارية في شكل معدن: الكهرباء المحملة مسبقاً تتحول إلى قرن من الضوء، هيكل مقاوم للصدأ يعاد تدويره بحوالي 10% من الطاقة. مع مصنعنا الشمسي البذري، نطبع الميجاوات أولاً، ثم نصب الأجنحة.
كيف نحافظ على نظافة النحاس إذا كان الفرن "ساخناً"؟
صهر الكبريتيد طارد للحرارة — نلتقط الحرارة، نزيل SO₂ لصنع حمض الكبريتيك (منتج ثمين)، وندير جميع المساعدات كهربائياً. قاعة ER هي حمل مستمر بالتيار المستمر يحب الطاقة الشمسية + التخزين.
هل مواد تفاعل معادن البطاريات ضارة؟
نختار الكيميائيات من أجل العقلانية (حلقات الكبريتات والأمونيا)، نغلق مسارات البخار، ونعيد تدوير المياه. النفايات الصلبة خاملة ومصممة لإعادة الاستخدام حيثما أمكن. إذا لم يتصرف كاشف كيميائي بشكل مناسب، فلا يتم دعوته.
هل يمكن لهذه الحُرُم الجامعية أن تعيش بالقرب من المدن؟
نعم — هذا هو الهدف. المحركات الكهربائية، الخطوط المغلقة، والحلقات المغلقة تحول "الصناعة الثقيلة" إلى جار هادئ. البحيرة من الجزء 1 تصبح حديقة بحلول السنة الخامسة.
التالي: Mega Vans & Flywheels — Trucks as Rolling Batteries (الجزء 7). سنحوّل اللوجستيات إلى تخزين للطاقة ونجعل الموقع يشعر وكأنه باليه.