シリコンメタル411を製造するために必要なエネルギー量はどれくらいですか？

ソーラーパネルの前を通り過ぎたり、ハイエンドのスマートフォンを手にしたり、軽量アルミニウムのエンジン部品を搭載した車を運転したりしたことがあるなら、シリコンメタル 411 が作ったものを使ったことがあるでしょう。しかし、ほとんどの人が気づいていないのは、原石を重要なグレードのシリコンに変える作業が、最もエネルギーを大量に消費する工業プロセスの 1 つであるということです。過去 10 年間、この材料の開発に取り組んできたサプライヤーとして、私はいつも「シリコン メタル 411 を作るのにどれくらいのエネルギーが必要ですか?」と尋ねられます。これは単純な数字ではなく、多くの変数に依存しますが、ほとんどの教科書では省略されている実際の内訳がわかりました。

まず、シリコン メタル 411 が実際にどのようなものであるかを確認しましょう。そのエネルギー需要について話すとき、これで戦いの半分は終わりだからです。半導体に使用される超高純度シリコンとは異なります (これについては、次の記事で説明します)。優れた品質の高純度シリコン金属リンク、ただし 411 は純度がかなり低くなります)、411 グレードは主にアルミニウム合金に使用されます。約 98.5% のシリコンに加えて、少量の鉄、アルミニウム、カルシウムが含まれているため、これらの主な不純物は 4、1、1 と呼ばれています。冶金の分野で働いているためにここに来た人は、主にアルミニウムのインゴットに使用される 553 などの他の一般的なグレードにも精通しているかもしれません。詳細については、アルミニウムインゴット鉱物冶金用シリコンメタル 553リンクも。 411 の不純物レベルは単なるランダムではありません。実際、溶融アルミニウムに混合する際に追加の処理が必要ないため、アルミニウム精錬のエネルギーコストを下げるために調整されています。ただし、その調整は、すべてのエネルギーの魔法が起こる炉に到着するずっと前から始まります。

シリコン メタル 411 のベースは海岸のシリコン砂ではなく、特定の地域で採掘された、主に SiO2 でできた珪岩の硬い結晶岩です。鉱石の純度はエネルギー使用にも影響を与えるため、私たちは金属シリコンがどこから来たのかについてよく話します。シリコンメタル産地詳細については。しかし、適切な珪岩を使用したとしても、SiO2 を元素状シリコンに変えるのは炭素熱還元反応です。つまり、珪岩を炭素源 (石炭、コークス、木材チップなど) とともに巨大なアーク炉で超高温で加熱し、酸素を除去します。これが最初の大きなエネルギーシンクであり、シリコンメタル 411 の総エネルギーのほとんどがここで使用されます。

数字を出してみますが、専門用語を多用したものは使わないことを約束します。 411 や 553 などのグレードを製造するシリコン製錬所のほとんどは、生産される金属シリコン 1 トンあたり 11,000 ～ 13,000 キロワット時 (kWh) の電力を使用します。待ってください。これは膨大な数字です。1 トンの材料の場合、これは米国の平均的な家庭で 1 年以上電力を供給するのに十分な量です (参考までに、平均的な家庭は年間約 10,700 kWh を使用します)。しかし問題は、それがエネルギーの総量です。どれでもシリコンメタルですよね？ 411 グレードはそれに大きな差はありませんが、不純物の仕様により若干の違いがあります。

なぜ範囲なのか？すべてはプロセスの効率と原材料の品質にかかっています。珪岩の鉄やアルミニウムの含有量がすでに高い場合は、411 の 1% の不純物制限に達するために後でそれらの元素をそれほど多く追加する必要がないため、追加の加熱ステップが削減されます。一部の製錬所では、反応の副産物である一酸化炭素ガスを無駄にせずに捕捉して燃焼させて熱を発生させる、いわゆる「密閉炉」技術を使用しています。これにより、1 トンあたり 500 ～ 1,000 kWh の削減が可能となり、コストと二酸化炭素排出量の両方の点で大きな問題となります。逆に、炉に入れる前にさらに処理が必要な低グレードの珪岩、または断熱性の低い古い炉を使用している場合は、11,000 ～ 13,000 kWh の範囲の上限に達する可能性があります。

ちょっと待ってください。しかし、電気だけでなく、他のエネルギー入力についてはどうなのでしょうか?多くの人は炭素源 (コークス、石炭) もエネルギーであることを忘れていますが、そのほとんどは電気エネルギーではなくプロセス燃料としてカウントされます。すべてのエネルギー（電力と前処理、炉の運転、廃熱用の燃料を加えたもの）を合計すると、シリコン メタル 411 1 トンあたり約 14,000 ～ 16,000 kWh になります。しかし、サプライヤーがシリコン メタルのエネルギー要件について話すとき、ほとんどの場合電力に焦点を当てます。これは、施設ごとに変化する大きな変数であるためです。電気料金は最終的な 411 価格の大きな部分を占めるため、これは顧客にとって最も大きな影響を与える部分でもあります。

私がいつも混乱しているもう 1 つの点は、シリコン メタル 411 と他のグレードの違いです。 2202 はステンレス鋼に使用される高純度の合金グレードで、より低い不純物レベルを得るにはより正確な反応が必要なため、通常はもう少し多くのエネルギー (1 トンあたり 12,000 ～ 14,000 kWh 近く) を消費します。先ほど述べたアルミニウムインゴットのグレードである 553 は、不純物の制限が少し広いため、実際には下限にあり、1 トンあたり約 10,500 ～ 12,000 kWh です。 553 の仕様について詳しくは、553金属シリコンの物性それについて詳しく知りたい場合は、リンクを参照してください。しかし、411 は主力製品であり、その特定の不純物ニーズに合わせてプロセスを確立しているため、そのエネルギー需要は私のようなサプライヤーにとって最も安定しています。

ここで、エネルギー使用に影響を与える現実世界の要因について話しましょう。それはページ上の単なる数字ではないからです。私がカナダやノルウェーの再生可能な水力発電のような安価な場所で製錬所を経営しているとします。シリコンメタル 411 のエネルギーコストは、西ヨーロッパのような電気代の高い場所の製錬所よりもはるかに低くなります。しかし、それでも、コアのエネルギー要件はそれほど変化しません。反応は依然として同じなので、電力が安くなったからといって、10,000 kWh から 15,000 kWh に上がるわけではありません。何が変わるかというと、サプライヤーがそのエネルギーをどのように最適化するかです。私たちの多くは (私も含めて) より効率的な炉に切り替え、廃熱回収システムを追加し、さらにはリサイクルされたシリコンスクラップを使用して総生産エネルギーを削減しています。待ってください。適切にリサイクルされた金属シリコンは、生の珪岩を溶かす必要がないため、一次生産に必要なエネルギーの 10 ～ 15% と、はるかに少ないエネルギーで済みます。しかし、411 グレードは、リサイクルされたスクラップの不純物レベルが異なる可能性があるため、ほとんどが一次グレードであり、そのため、ほとんどのサプライヤーは、アルミニウム精錬業者の一貫性を保つために、そのグレードには一次グレードのみを使用しています。

もう 1 つのよくある質問は、シリコン メタル 411 のエネルギー使用量が他の金属と比べて非常に高いのはなぜですか?これを、エネルギーが重いと人々が考えているアルミニウムと比較してみましょう。アルミニウムは1トンあたり約15,000kWhを使用しますよね？待ってください。これは一次シリコンとほぼ同じですが、シリコン金属のプロセスでは、珪岩内の非常に強力な化学結合を切断するため、材料単位あたりのエネルギー消費がはるかに高くなります。 SiO2 の Si-O 結合は自然界で最も強い結合の 1 つであるため、これを分解するには大量の熱が必要です。そのため、シリコン金属のアーク炉は、製錬所から得られる溶融アルミニウムよりもはるかに高温である約 2,000 ℃の超高温で稼働します。これは単なるランダムな高い数値ではありません。それは化学で必要です。

さて、実際にシリコンメタル 411 を使用する人々にとって最も重要な部分に移りましょう。このエネルギー要件はどのような影響を与えるのでしょうか。あなたの仕事？金属鋳造会社やアルミニウム生産会社の場合、411 グレードのエネルギー使用量はコストに直接関係します。エネルギー価格が上昇すると、シリコンメタル 411 の価格も上昇します。なぜなら、それが私のようなサプライヤーにとって最大の投入コストだからです。そのため、当社はより効率的な炉を使用し、よりクリーンな電力を調達し、廃棄物を削減するために原材料の配合を最適化するなど、エネルギー使用量を削減する方法に常に取り組んでいます。たとえば、一部のサプライヤーは自社の炉に炭素回収システムを追加しています。これにより排出量が削減され、副産物の一部を再利用することもできるため、追加の燃料の必要性が減ります。過去 2 年間、私の施設で小規模の廃熱回収をテストしており、411 の 1 トンあたりのエネルギー使用量を約 8% 削減できました。特に月に数千トンを生産している場合には、少なからぬ効果が得られます。

待ってください。しかし、明確にしておきたいのですが、シリコン メタル 411 には「万能の」エネルギー数値はありません。私が見たことのある数値は、超効率の密閉炉では 1 トンあたり 10,800 kWh という低い数値も、古い、あまり最適化されていない炉では 13,500 kWh という高い数値も見られました。電気エネルギーに限れば、業界平均は 1 トンあたり約 12,000 kWh です。他のすべてのエネルギー投入量（前処理用の燃料、原材料の輸送など）を含めると、1 トンあたり約 14,500 kWh に跳ね上がります。しかし、新しいテクノロジーが登場し、送電網がよりクリーンになるにつれて、その平均値は毎年変化します。数年前、平均は 13,000 kWh でしたので、これは改善されてきています。

また、よくある誤解も打ち破ってみましょう。高純度のシリコンは 411 よりもはるかに多くのエネルギーを消費すると考える人もいます。それは事実ですが、思っているほど多くはありません。で取り上げられているような半導体用の高純度シリコン。優れた品質の高純度シリコン金属、より多くの総エネルギーを使用しますが、それは 411 または 2202 グレードを最初に達成した後でのみです。精製プロセス (シーメンス プロセスなどの方法を使用) では、不純物をすべて取り除くためにシリコンを何度も溶融および再結晶化する必要があるため、1 トンあたりさらに 100,000 kWh 以上の電力が追加されます。しかし、それは411後のことなので、私たちが話している411の生産エネルギーにはカウントされません。

では、シリコン メタル 411 の市場に参入している場合、これは何を意味するのでしょうか?まず、サプライヤーにエネルギー効率について尋ねることが有益です。古い断熱されていない炉を使用しているサプライヤーは、全体的なコストが高くなり、それがお客様に転嫁される可能性があり、二酸化炭素排出量も大きくなります。パートナーをお探しの場合、プロセス効率 (密閉炉の使用、廃熱回収、最適化された原材料調達など) を優先するパートナーであれば、より安定した 411 グレードを提供してくれるだけでなく、エネルギーの無駄が少ないため、価格も安くなります。また、必要なグレードを正確に入手していることを確認してください。必要以上に高純度のグレードにお金を支払わないでください。エネルギーコストが価格に組み込まれることになるためです。

結局のところ、シリコン メタル 411 は多くの産業にとって重要な材料であり、そのエネルギー要件はそのストーリーの大きな部分を占めています。サプライヤーとして、私は常に品質、コスト、エネルギー使用のバランスに重点を置いています。それが顧客が必要としているものだからです。小規模な金属製造業者であっても、大規模なアルミニウム生産者であっても、411 の製造にエネルギーがどのように使用されるかを理解することは、より賢明な購入決定を下すのに役立ちます。当社の 411 グレード、または 553 などの他のシリコン金属製品について詳しく知りたい場合は、次のリンクをチェックしてください。3303 グレードのシリコン金属合金産業または、先ほど述べたものをご利用いただくか、特定のニーズについてご相談ください。

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参考文献:

1. 国際エネルギー機関。 （2022年）。工業用金属生産のエネルギー集約度。
2. シリコン金属工業会（2023年）。商用シリコングレードのグレード仕様とプロセス効率。
3. 米国エネルギー省。 （2021年）。金属製造におけるエネルギー削減を実現する先進工業炉技術。
4. 欧州アルミニウム協会。 （2022年）。アルミニウム合金におけるシリコン金属の役割とエネルギーへの影響。