Emissievrij en energiezuinig – Siliciumcarbide-recycling met RECOSiC©

RECOSiC gebruikt bijproducten uit het Acheson-proces en transformeert deze in een gesloten hightech-oven tot hoogwaardig siliciumcarbide. Het SiC bevindt zich aan het einde in poedervorm. © Fraunhofer IKTS / RECOSiC© gebruikt afval en bijproducten van het Acheson-proces en zet ze om in hoogzuiver siliciumcarbide in een gesloten hightech-oven. Het product van het proces is gepoederd SiC. © Fraunhofer IKTS

De grafiek toont de voordelen van RECOSiC ten opzichte van de Acheson-methode: de uitstoot van broeikasgassen en het energieverbruik dalen aanzienlijk, terwijl de opbrengst van kwalitatief hoogwaardig SiC veel hoger is. © Fraunhofer IKTS

De grafiek toont de voordelen van RECOSiC© in vergelijking met het Acheson-proces: de uitstoot van kooldioxide en het energieverbruik worden aanzienlijk verlaagd, terwijl de opbrengst van hoogwaardig SiC veel hoger is. © Fraunhofer IKTS

De onderzoekers werken eraan om in de toekomst ook defecte of gebruikte keramiekcomponenten als basis te kunnen gebruiken voor hoogwaardige SiC. © Fraunhofer IKTS / The researchers are also working on using defective or used ceramics-based components as feed stock for producing high-quality SiC in future. © Fraunhofer IKTS

Het industriële materiaal siliciumcarbide is gewild voor vele toepassingen. Het extreem harde en hittebestendige materiaal wordt bijvoorbeeld gebruikt voor vuurvaste componenten of voor halfgeleiders. Maar de productie is energie-intensief en stoot veel kooldioxide uit. Daarnaast ontstaan grote hoeveelheden bijproducten en afvalstoffen. Onderzoekers van het Fraunhofer-Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS hebben met RECOSiC© een bijzonder milieuvriendelijk recyclingproces ontwikkeld dat deze bijproducten en afvalstoffen weer omzet in hoogwaardig siliciumcarbide. Het innovatieve proces verbetert de opbrengst en vermindert ook de afhankelijkheid van grondstofleveranciers.

Het industriële materiaal siliciumcarbide (chemische formule: SiC) is vanwege zijn enorme hardheid – bijna zo hard als diamant – en zijn hittebestendigheid een gewilde grondstof in de industrie. SiC wordt toegepast in de chemische industrie, als technische keramiek, bij vuurvaste componenten, maar ook in halfgeleiders. Bij de productie in het zogenaamde Acheson-proces worden kwartszand en petrolkool in een cilindervormige openluchtoven op ongeveer 2500 °C verhit. Door de karbothermische reductie ontstaat siliciumcarbide als eindproduct. Het proces is niet ingewikkeld, maar het produceert wel veel CO2: alleen door de karbothermische reductie worden ongeveer 2,4 ton schadelijk gas uitgestoten per ton SiC. Daar komt nog eens het enorme stroomverbruik van 7,15 MWh/t voor de daglange werking van de oven bij. Hierbij ontstaan nog eens 1,8 ton CO2 per ton SiC.

»Het Acheson-proces is bijna 130 jaar oud en behoort tot de klassieke, vervuilende industriële processen die eigenlijk niet meer in onze tijd passen«, legt Jörg Adler uit, afdelingshoofd Niet-oxidische keramiek bij het Fraunhofer-Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS in Dresden. Zijn team heeft nu samen met de industriële partner ESK-SiC GmbH een recyclingproces ontwikkeld voor de afval- en bijproducten die tijdens het proces ontstaan. RECOSiC© vermindert de milieubelasting en zet de gerecyclede materialen om in hoogwaardig siliciumcarbide. De ESK-SiC GmbH, gevestigd in Frechen bij Keulen, beschikt over jarenlange ervaring in de behandeling en verfijning van grondstoffen.

Hightech-oven verandert afval- en bijproducten in SiC

In de randgebieden van de enorme openlucht-ovens van het Acheson-proces kan een aanzienlijk deel van de primaire grondstoffen kwartszand en kolen niet volledig reageren tot siliciumcarbide, omdat de temperatuur hier niet hoog genoeg is. Vanwege de omvang van de oven en de enorme hitte is een opstelling in de fabriekshal nauwelijks mogelijk. In de openluchtoven komen bovendien verontreinigingen uit de lucht. Het onvolledig omgezette SiC, evenals bijproducten en afvalstoffen, kunnen tot nu toe alleen worden gebruikt voor minderwaardige toepassingen of moeten worden afgevoerd. Hier biedt het gepatenteerde RECOSiC© uitkomst. »We verhitten deze bijproducten onder beschermgasatmosfeer in een hightech-oven tot temperaturen tot 2400 °C. Hieruit ontstaat weer hoogwaardig SiC. De energieopname bij RECOSiC© is 80 procent lager dan bij het Acheson-proces, waardoor ook de CO2-uitstoot aanzienlijk afneemt«, legt Adler uit.

In tegenstelling tot het Acheson-proces ontstaan er in de hightech-oven zeer weinig afvalstoffen of bijproducten. Verontreinigingen worden tijdens de chemische reactie afgescheiden of verdampt. Metalen zoals ijzer vormen bij hoge temperaturen bolletjes die mechanisch kunnen worden verwijderd. De opbrengst ligt daarmee bijna op 100 procent.

Een ander groot voordeel: bij RECOSiC© ontstaat hoogwaardig SiC met een zuiverheidsgraad van 99 procent en zelfs meer. Matthias Hausmann, directeur van de ESK-SiC GmbH, legt dat uit met een treffende vergelijking: »Het is ongeveer alsof je een proces hebt dat oud papier weer omtovert tot papier dat net zo goed of misschien zelfs beter is dan het originele papier.«

Specificaties en zuiverheid van SiC kunnen worden geregeld

Om deze hoge kwaliteit te bereiken, beperken de onderzoekers van het Fraunhofer IKTS zich niet tot het in de oven brengen van het materiaal. Het uitgangsmateriaal wordt eerst geanalyseerd, voorbehandeld en stoïchiometrisch aangevuld. Dit betekent dat de grondstoffen in exact de verhouding worden gemengd die nodig is om in het chemische proces de gewenste verbinding met de vereiste eigenschappen te laten ontstaan. Indien nodig vullen de experts ook bepaalde additieven aan. Vervolgens worden de procesparameters in de oven ingesteld. Daartoe behoren de hoogste temperatuur, de duur en de regeling van de temperatuurontwikkeling gedurende het hele proces. Zo kunnen ze het proces sturen en de eigenschappen van het eindproduct SiC, zoals korrelgrootte of zuiverheidsgraad, vooraf bepalen. Het team van het Fraunhofer IKTS profiteert hierbij ook van zijn jarenlange ervaring en expertise in keramische materialen.

»Samen met onze industriële partner ESK-SiC kunnen wij als technologiedienstverlener het grondstof SiC leveren met de gewenste specificaties voor de toepassing van de klant«, zegt Adler. »Tegelijkertijd kunnen we samen met partners in de keramiekindustrie op maat gemaakte grondstoffen en processen ontwikkelen die nieuwe producteigenschappen mogelijk maken, tot en met circulaire toepassingen.«

Het innovatieve proces verwerkt niet alleen bijproducten uit het Acheson-proces. Ook defecte of verbruikte keramiekcomponenten, zoals dieselpartikelfilters of hittebestendige tegels uit afvalverbrandingsovens, kunnen waarschijnlijk worden gerecycled. In principe is elk materiaal met minimaal 50 procent SiC-gehalte geschikt voor de omzetting in kwalitatief hoogwaardig siliciumcarbide.

Afhankelijkheid van grondstofleveranciers verminderen

Matthias Hausmann zegt: »Met RECOSiC© maken we een tot nu toe zeer vervuilend en klimaat-schadelijk industrieproces aanzienlijk schoner en besparen we bovendien waardevolle hulpbronnen. Dit is een belangrijke stap richting een duurzame kringloop-economie.«

Het efficiënter benutten van primaire grondstoffen vermindert ook de afhankelijkheid van buitenlandse grondstofleveranciers en de steeds fragielere toeleveringsketens. Het Fraunhofer IKTS heeft RECOSiC© ontwikkeld en getest met een installatie op pilot-schaal. De ESK-SiC GmbH heeft sinds het tweede kwartaal van 2023 een pilotinstallatie op industriële schaal in gebruik. Een verdere uitbreiding van de capaciteit is gepland. In dit kader ontstaan in de energie-intensieve grondstoffensector aantrekkelijke hightech-banen voor duurzame technologieën in Duitsland.