liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Review of measures for improved energy efficiency in production-related processes in the aluminium industry: From electrolysis to recycling
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0002-6790-3867
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, Faculty of Science & Engineering.ORCID iD: 0000-0003-0360-6019
2018 (English)In: Renewable & sustainable energy reviews, ISSN 1364-0321, E-ISSN 1879-0690, Vol. 93, p. 525-548Article, review/survey (Refereed) Published
Abstract [en]

The aluminium industry is facing a challenge in meeting the goal of halved greenhouse gas emissions by 2050, while the demand for aluminium is estimated to increase 2–3 times by the same year. Energy efficiency will play an important part in achieving the goal. The paper’s aim was to investigate possible production-related energy efficiency measures in the aluminium industry. Mining of bauxite and production of alumina from bauxite are not included in the study. In total, 52 measures were identified through a literature review. Electrolysis in primary aluminium production, recycling and general measures constituted the majority of the 52 measures. This can be explained by the high energy intensity of electrolysis, the relatively wide applicability of the general measures and the fact that all aluminium passes through either electrolysis or recycling. Electrolysis shows a higher number of emerging/novel measures compared to the other processes, which can also be explained by its high energy intensity. Processing aluminium with extrusion, rolling, casting (shape-casting and casting of ingots, slabs and billets), heat treatment and anodising will also benefit from energy efficiency. However, these processes showed relatively fewer measures, which might be explained by the fact that to some extent, these processes are not as energy demanding compared, for example, to electrolysis. In many cases, the presented measures can be combined, which implies that the best practice should be to combine the measures. There may also be a future prospect of achieving carbon-neutral and coal-independent electrolysis. Secondary aluminium production will be increasingly important for meeting the increasing demand for aluminium with respect to environmental and economic concerns and strengthened competitiveness. Focusing on increased production capacity, recovery yields and energy efficiency in secondary production will be pivotal. Further research and development will be required for those measures designated as novel or emerging.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2018. Vol. 93, p. 525-548
Keywords [en]
Aluminum industry, Aluminum production, Energy efficiency, Electrolysis, Recycling, Efficiency measures
National Category
Manufacturing, Surface and Joining Technology Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-148404DOI: 10.1016/j.rser.2018.05.043ISI: 000440966900039OAI: oai:DiVA.org:liu-148404DiVA, id: diva2:1215594
Funder
Swedish Energy Agency, 40552-1Available from: 2018-06-08 Created: 2018-06-08 Last updated: 2020-04-20Bibliographically approved
In thesis
1. Improved Energy Efficiency in the Aluminium Industry and its Supply Chains
Open this publication in new window or tab >>Improved Energy Efficiency in the Aluminium Industry and its Supply Chains
2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Energy is an essential resource in the daily lives of humans. However, the extraction and use of energy has an impact on the environment. The industrial sector accounts for a large share of the global final energy use and greenhouse gas (GHG) emissions. The largest source of industrial GHG emissions is energy use. The production and processing of aluminium is energy- and GHG-intensive, and uses significant amounts of fossil fuels and electricity. At the same time, the global demand for aluminium is predicted to rise significantly by the year 2050. Improved energy efficiency is one of the most important approaches for reducing industrial GHG emissions. Additionally, improved energy efficiency in industry is a competitive advantage for companies due to the cost reductions that energy efficiency improvements yield.

The aim of this thesis was to study improved energy efficiency in the individual companies and the entire supply chains of the aluminium industry. This included studying energy efficiency measures, potentials for energy efficiency improvements and energy savings, and which factors inhibit or drive the work to improve energy efficiency. The aim and the research questions were answered by conducting a literature review, focus groups, questionnaires and calculations of effects on primary energy use, GHG emissions, and energy and CO2 costs.

This thesis identified several energy efficiency measures that can be implemented by the individual companies in the aluminium industry and the aluminium casting foundries. The individual companies have large potentials for improving their energy efficiency. Energy efficiency measures within the electrolysis process have significant effects on primary energy use, GHG emissions, and energy and CO2 costs. This thesis showed that joint work between the companies in the supply chains of the aluminium industry is needed in order to achieve further energy efficiency improvements compared to the companies only working on their own. The joint work between the companies in the supply chain is needed to avoid sub-optimisation of the total energy use throughout the entire supply chain. Better communication and closer collaboration between all the companies in the supply chain are two of the most important aspects of the joint work to improve energy efficiency. An energy audit for the entire supply chain could be conducted as a first step in the joint work between the companies in the supply chains. Another important aspect is to increase the use of secondary aluminium or remelted material waste rather than primary aluminium.

The companies in the Swedish aluminium industry and the aluminium casting foundries have come some way in their work to improve energy efficiency within their own facilities. However, the results in this thesis indicate that cost-effective technology and improved management can, in total, save 126–185 GWh/year in the Swedish aluminium industry and 8–15 GWh/year in the Swedish aluminium casting foundries.

This thesis identified several demands regarding economics, product quality and performance, and environment placed on the companies and products in the supply chains that affect energy use and work to improve energy efficiency. These demands can sometimes counteract each other, and some demands are more important to meet than improving energy efficiency. This implies that improving the energy efficiency of the supply chains as well as designing products so they are energy-efficient in their use phase can sometimes be difficult. The results in this thesis indicate that it would be beneficial if the companies reviewed these demands to see whether any of them could be changed.

Both the economic aspects and demands from customers and authorities were shown to be important drivers for improved energy efficiency in the supply chains. However, placing demands on energy-efficient production and a company’s improved energy efficiency would require those placing the demands to have deeper knowledge compared to demanding green energy, for example. Requiring a company to implement an energy management system to ensure active work to improve energy efficiency would be easier for the customer than demanding a certain level of energy efficiency in the company’s processes. Additionally, energy audits and demands on conducted energy audits could act as drivers for improved energy efficiency throughout the supply chains.

This thesis showed that the most important barriers to improved energy efficiency within the individual companies include different types of risks as well as the cost of production disruption, complex production processes and technology being inappropriate at the site. Similar to the supply chains, important drivers for improved energy efficiency within the individual companies were shown to be economic aspects and demands from customers and authorities. However, the factors that are most important for driving the work to improve energy efficiency within the individual companies include the access to and utilisation of knowledge within the company, corporate culture, a longterm energy strategy, networking within the sector, information from technology suppliers and energy audits.

Abstract [sv]

Energi är en viktig resurs i människors dagliga liv, men utvinningen och användningen av energi påverkar miljön. Industrin står för en stor andel av den globala slutliga energianvändningen och de globala utsläppen av växthusgaser. Den största källan till industriella växthusgasutsläpp är energianvändning. Produktionen och bearbetningen av aluminium är energiintensiv och har stora utsläpp av växthusgaser och använder betydande mängder fossila bränslen och elektricitet. Samtidigt beräknas efterfrågan på aluminium öka avsevärt globalt till år 2050. Energieffektivisering är ett av de viktigaste medlen för att minska industriella växthusgasutsläpp. Dessutom är energieffektivisering inom industrin en konkurrensfördel för företagen på grund av de minskade kostnader som energieffektivisering medför.

Syftet med den här avhandlingen var att studera hur energianvändningen kan bli effektivare i de enskilda företagen och hela försörjningskedjorna i aluminiumindustrin. Detta inkluderade att studera energieffektiviseringsåtgärder, potentialer för energieffektivisering och energibesparing samt vilka faktorer som hindrar eller driver arbetet med energieffektivisering. Syftet och frågeställningarna besvarades genom litteraturstudier, fokusgrupper, enkäter samt beräkningar av påverkan på primärenergianvändning, växthusgasutsläpp och energi- och koldioxidkostnader.

Denna avhandling identifierade flera energieffektiviseringsåtgärder som kan genomföras av de enskilda företagen inom aluminiumindustrin och aluminiumgjuterierna. De enskilda företagen har stora potentialer för effektivare energianvändning. Energieffektiviseringsåtgärder inom elektrolysen har stor påverkan på primärenergianvändning, växthusgasutsläpp samt energi- och koldioxidkostnader.

Denna avhandling visade att det gemensamma arbetet mellan företagen i aluminiumindustrins försörjningskedjor är viktigt för att uppnå ytterligare effektiviseringar av energianvändningen jämfört med om de individuella företagen skulle arbeta enbart på egen hand. Det gemensamma arbetet mellan företagen i försörjningskedjan är viktigt för att undvika suboptimering av den totala energianvändningen i hela försörjningskedjan. Bättre kommunikation och närmare samarbete mellan alla företagen i försörjningskedjan är två av de viktigaste aspekterna i det gemensamma arbetet för att uppnå effektivare energianvändning. En energikartläggning av hela försörjningskedjan kan genomföras som ett första steg i det gemensamma arbetet mellan företagen. En annan viktig aspekt är att öka användningen av sekundärt aluminium eller omsmält processkrot snarare än att använda primärt aluminium.

Företagen i den svenska aluminiumindustrin och aluminiumgjuterierna har kommit en bit på vägen i deras arbeten mot effektivare energianvändning inom deras egna anläggningar. Dock visade resultaten i denna avhandling att kostnadseffektiv teknik och förbättrad energiledning totalt kan spara 126–185 GWh/år i den svenska aluminiumindustrin och 8–15 GWh/år i de svenska aluminiumgjuterierna.

Denna avhandling identifierade flera krav rörande ekonomi, produktkvalitet och -prestanda samt miljö som ställs på företagen och produkterna i försörjningskedjorna och som påverkar energianvändningen och arbetet mot effektivare energianvändning. Dessa krav kan ibland motverka varandra och vissa krav är viktigare att möta än att effektivisera energianvändningen. Detta innebär att det ibland kan vara svårt att energieffektivisera försörjningskedjorna samt att designa energianvändande produkter så att de är energieffektiva i användningsfasen. Resultaten i denna avhandling visar att det skulle vara fördelaktigt om företagen granskar kraven för att se om något av kraven skulle kunna ändras.

Både de ekonomiska aspekterna och krav från kunder och myndigheter visade sig vara viktiga drivkrafter för energieffektivisering i försörjningskedjorna. Om krav ställs på energieffektiv produktion och effektivare energianvändning inom ett företag behöver de aktörer som ställer kraven ha djupare kunskaper jämfört med om de till exempel skulle kräva användandet av grön energi. Ett krav på implementeringen av ett energiledningssystem för att säkerställa ett aktivt arbete med energieffektivisering skulle vara lättare för kunden att ställa än att kräva en viss energieffektiviseringsnivå i leverantörens processer. Dessutom kan energikartläggningar och krav på genomförda energikartläggningar fungera som drivkrafter för energieffektivisering i försörjningskedjorna.

Denna avhandling visade att de viktigaste hindren mot energieffektivisering inom de enskilda företagen är olika typer av risker samt kostnader för produktionsstörningar, komplexa produktionsprocesser och att tekniken inte är applicerbar inom anläggningen. I likhet med försörjningskedjorna uppkom de ekonomiska aspekterna och krav från kunder och myndigheter som viktiga drivkrafter för energieffektivisering inom de enskilda företagen. Dock är de viktigaste faktorerna för att driva på arbetet med energieffektivisering inom de enskilda företagen tillgången till och utnyttjandet av kunskap inom företaget, företagskulturen, en långsiktig energistrategi, nätverkande inom branschen, information från teknikleverantörer och energikartläggningar.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2020. p. 131
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 2063
National Category
Energy Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-165252 (URN)10.3384/diss.diva-165252 (DOI)9789179298739 (ISBN)
Public defence
2020-05-15, Online through Zoom (contact magnus.karlsson@liu.se) and ACAS, A Building, Campus Valla, Linköping, 10:15 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Available from: 2020-04-20 Created: 2020-04-20 Last updated: 2020-10-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1923 kB)4717 downloads
File information
File name FULLTEXT03.pdfFile size 1923 kBChecksum SHA-512
3cbf398ec7309b28dc745430b7e7fea71f9c49509e8a80e589b571129944c6addd225aebf6dd97e44a3bdf71804cc31c738a87ebc4bd26b0d1bdf97d7c4cad40
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textFull text from author's home page

Authority records

Haraldsson, JoakimJohansson, Maria

Search in DiVA

By author/editor
Haraldsson, JoakimJohansson, Maria
By organisation
Energy SystemsFaculty of Science & Engineering
In the same journal
Renewable & sustainable energy reviews
Manufacturing, Surface and Joining TechnologyEnergy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4749 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 676 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf