Purifying The ‘miracle Metal’: How To Decarbonize Aluminum

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

[See artikkel on osa esimese kolijate koalitsiooni liikmete sarjast. Algatuse kohta saate lugeda rohkem lugusid siin.]

Alumiiniumi on kirjeldatud kui "imemetall." Kuigi see on maapõues kõige rikkalikum metall, muutis selle rafineerimisega seotud keerukus 19. sajandil alumiiniumi hõbedast või kullast väärtuslikumaks. Napoleon III hindas seda nii kõrgelt, et serveeris oma auväärseimatele külalistele toite alumiiniumist taldrikutel. See on tänapäevalgi väärtuslik materjal, mida hinnatakse selle kerge mitmekülgsuse, sõjaväelise tugevuse, korrosioonikindluse ja selle tõttu, et see on lõputult taaskasutatav.

Niisiis, mis ei meeldi? Noh, energiamahukad protsessid, mis muudavad toores boksiidimaagi puhtaks metalliks, kiirgavad keskmiselt 16 tonni CO2 iga tonni primaaralumiiniumi kohta toodetud. Sektor tervikuna genereerib ümber 1.1 miljardit tonni CO2 igal aastal, mis moodustab 2 protsenti ülemaailmsetest inimtegevusest tingitud heitkogustest. Üle 60 protsenti neist heitkogustest pärineb tarbitud elektri tootmisest sulatusprotsessi ajal.

Veelgi enam, nõudlus imemetalli järele, mida juhivad sellised tööstusharud nagu transpordi-, ehitus-, pakendamis- ja elektrisektor, prognooside kohaselt kasvab. 40. aastaks ligi 2030 protsenti. Kaks kolmandikku sellest kasvust on oodata Hiinast ja Aasiast, muret arvestades, et Hiina sulatusprotsess sõltub suuresti söeküttel töötavatest elektrijaamadest. Ilma ringlussevõtu ja dekarboniseerimise edusammudeta Sektori heitkogused võivad 2. aastaks jõuda peaaegu 2050 miljardi tonnini.

Karm sihtmärk First Movers Coalitionilt

Käputäiel uutel tehnoloogiatel on potentsiaali alumiiniumi puhastamiseks, kuid ainult kõige ambitsioonikamad täidavad Maailma Majandusfoorumi esimeste liikujate koalitsioon (FMC), ülemaailmne algatus, mille eesmärk on kasutada ettevõtete ostujõudu, et dekarboniseerida planeedi enim heitkoguseid tekitavad tööstusharud. FMC liikmed on võtnud endale eesmärgiks, et 10. aastaks toodetakse vähemalt 2030 protsenti nende iga-aastasest hankitavast primaaralumiiniumist peaaegu nullheite protsesside kaudu. Nullilähedane määratlus on raske asi: eraldab vähem kui kolm tonni CO2 ühe tonni primaaralumiiniumi kohta. See tähendab praeguste heitkoguste tohutut vähenemist 85 protsenti või rohkem.

Et mõista, kuidas sellist sügavat dekarboniseerimist saavutada, vajame alumiiniumi tootmisprotsessi kiiret ringkäiku. Tooraineks on boksiit – see kaevandatakse maapinnast ja rafineeritakse alumiiniumoksiidiks ehk "alumiiniumoksiidiks" mitmefaasilise protsessi käigus, mis hõlmab selle kuumutamist umbes 1,000 kraadini Celsiuse järgi. Selle kuumuse saavutamiseks põletavad paljud rafineerimistehased kohapeal fossiilkütuseid, mis eraldavad protsessi käigus suures koguses CO2. Teine protsess, mida nimetatakse sulatamiseks, muudab alumiiniumoksiidi puhtaks alumiiniummetalliks elektrolüüsi teel, mis kasutab palju elektrit ja süsinikanoode, mis eraldavad ka suures koguses CO2.

Olemasolevad taastuvenergia vormid – nagu hüdro- või päikeseenergia – toovad meid umbes kaks kolmandikku teest nullheitega alumiiniumi juurde.

Hea uudis on see, et olemasolevad taastuvenergia vormid – nagu hüdro- või päikeseenergia – toovad meid umbes kaks kolmandikku teest nullheitega alumiiniumi juurde. Saame kasutada puhast energiat uutes elektrifitseeritud kateldes ja kaltsineerimisseadmetes, mis on seotud boksiidimaagi rafineerimisega alumiiniumoksiidiks – ja ka elektrimahukas sulatusprotsessis. Kuid see võib lühikese aja jooksul olla kulukas. See tähendab tehaste viimist kohtadesse, kus on juurdepääs taastuvenergiale, ja rafineerimistehaste moderniseerimist uute seadmete paigaldamiseks.

Mõned esilekerkivad uued tehnoloogiad, mida saab rakendada olemasolevates alumiiniumitehastes, võivad aidata vähendada lõhet heitevaba alumiiniumi suunas. Sulatusprotsessi saab täielikult dekarboniseerida, asendades need süsinikanoodid inertsete anoodidega, mis eraldavad CO2 asemel hapnikku. Protsess, mida nimetatakse aurude mehaaniliseks kokkupressimiseks, võimaldab rafineerimiseks vajalikku soojusenergiat ringlusse võtta, mitte vabastada. Ülejäänud heitkoguste jaoks on olemas tehnoloogiad, nagu süsiniku kogumine, kasutamine ja säilitamine (CCUS), et peatada nii rafineerimis- kui ka sulatusprotsesside heitkogused. Kui mõnda neist läbimurdelistest tehnoloogiatest kasutatakse koos, võivad need viia kogu alumiiniumi tootmisprotsessi allapoole künnist, milleks on 3 tonni CO2 ühe tonni primaaralumiiniumi kohta.

Erinevalt enamikust teistest FMC sektoritest võib ringlussevõtt mängida suurt rolli alumiiniumisektori süsinikdioksiidiheite vähendamisel, eriti kuna metalli peetakse lõputult ringlussevõetavaks. Ringlussevõtt võtab umbes 5 protsenti uue alumiiniumi valmistamiseks vajalikust energiast, seega on see nii äriline kui ka keskkonnasõbralik. Alumiiniumi ümbersulatamine on tänapäeval laialt levinud rohkem kui 30 miljonit tonni taaskasutatud alumiiniumi igal aastal uute toodete juurde. See võib aidata kaasa ka õiglasele üleminekule, kuna kogumine, sorteerimine ja ringlussevõtt pakuvad potentsiaali uute töökohtade loomiseks, vähendades samal ajal alumiiniumi esmatootmise toetamiseks vajalikku loodusvarade kaevandamist.

Sellest tulenevalt on FMC seadnud oma liikmetele täiendava eesmärgi tagada, et 50. aastaks võetakse ringlusse vähemalt 2030 protsenti nende aastas kasutatavast alumiiniumist. Siiski ei piisa ainult ringlussevõtust, et vaigistada kasvavat ülemaailmset janu metalli järele – tegelikult katab see 2050. aastaks vaid poole eeldatavast nõudlusest. 1.5 kraadi C-joonistusega üleminekustrateegia, mille on avaldanud Partnerlus Mission Possible. Nii et primaaralumiiniumi tootmise võimalikult nullilähedane saavutamine jääb esmaseks prioriteediks.

Tehniline lahendus on olemas. Nüüd, et see teoks saaks

Kuigi alumiiniumi tootmise süsinikusisalduse vähendamise tehnoloogiad võivad eksisteerida prototüüpidena, nagu kõik uued tehnoloogiad, mis pole veel ulatust saavutanud, on need kallid. Nende turustamine on keeruline – ja see pole ainult kulu; alumiiniumi väärtusahel on keeruline ja pikk.

Võtke näiteks õllepurk, mis on tavaliselt valmistatud enam kui 50 protsendi ulatuses taaskasutatud alumiiniumist, kuid vajab siiski esmast alumiiniumi. Kõigepealt kaevandate boksiidi, seejärel rafineerite selle alumiiniumoksiidiks. Tihti läheb see puhtaks alumiiniumiks sulatamiseks mujale. Seejärel töödeldakse metall ketasteks või rullideks, ostetakse neid purkidesse mulgutavate ettevõtete poolt, müüakse joogiäridele ja villijatele, jaotatakse jaemüüjatele ning alles siis jõuab see tarbijani. Sellele pikale tarneahelale lisandub ostjate suurus. Kui terasel ja betoonil on suured "ankurostjad", näiteks autotootjad või riigihankeagentuurid, ostavad paljud mängijad alumiiniumi väikestes kogustes. Ja kõik asjaosalised – alates kaevandusettevõttest kuni jookide jaemüüjani – peavad olema kooskõlalised, et jagaksid süsinikdioksiidiheite vähendamise eesmärki ja kulusid.

Pallikorporatsioon, suur alumiiniumpakendite tootja ja FMC liige, on teinud esimese sammu oma väärtusahela partneritega vastavusse viimisel. Ettevõte on loomiseks teinud koostööd alumiiniumi tarnijate ning FMC liikmete Novelise ja Rio Tintoga Kanada esimene spetsiaalselt märgistatud madala süsinikusisaldusega joogipurk Corona õlle jaoks. Kann on valmistatud osaliselt taaskasutatud alumiiniumist koos peaaegu nullheitega primaarsest alumiiniumist, mis on rafineeritud hüdroenergiaga ja sulatatud kasvuhoonegaaside vaba inertse anoodi tehnoloogia nimega Elysis. Selle läbimurde on saanud võimalikuks tänu enneolematule koostööle kahe konkureeriva alumiiniumitööstuse hiiglase – Alcoa ja Rio Tinto – vahel, 13 miljoni dollari (CAD) investeeringu ja tehnilise toega Apple’ilt, millele lisandus 80 miljoni dollari (CAD) suurune lisainvesteering Kanadalt. ja Quebeci valitsused. Elysis on endiselt prototüübi staadiumis, kuid meeskonna eesmärk on teha tehnoloogia kaubanduslikult kättesaadavaks 2024. aastaks.

Väärtusahela ühtlustamine selliste koalitsioonide kaudu nagu FMC on süsinikdioksiidi vähendamiseks kriitilise tähtsusega. Ilma ühtse väärtusahelata ei pruugi tootjatele suunatud nõudlussignaalid tuua kaasa mingeid muutusi. Seda tüüpi koalitsioonid toovad kaasa ka paremad vestlused valitsustega erinevatel teemadel, alates ringlussevõtupoliitika karmistamisest kuni teadus- ja arendustegevusse kaasinvesteerimiseni.

Kui koos kasutatakse murrangulisi tehnoloogiaid, võivad need viia kogu alumiiniumi tootmisprotsessi allapoole künnist, milleks on 3 tonni CO2 ühe tonni primaaralumiiniumi kohta.

Valitsustel on esmase alumiiniumi rafineerimise ja sulatamise dekarboniseerimise soodustamisel võtmeroll. Lähis-Idal on võimalus panustada, kasutades oma rikkalikku päikeseenergia potentsiaali. Hiina näitab liikumist õiges suunas, sulgedes mõned söel töötavad rafineerimistoimingud ja avades uusi tehaseid piirkondades, kus on palju hüdroenergiat. Kuid valitsused võivad vajada ka sektorile otsest rahalist toetust. Alumiiniumi dekarboniseerimiseks vajalikud uued tehnoloogiad – sealhulgas täiendav taastuvenergia, CCUS ja sulatusprotsessi ümberkujundamine inertsete anoodide ümber – maksavad kuni 1. aastani umbes 2050 triljon dollarit, seega on tõenäoline, et riigid peavad sekkuma stiimulite, investeeringute ja turu- põhinevad meetmed. Selliste materjalide, nagu liitium või vask, mis on vähese süsinikdioksiidiheitega ülemineku jaoks üliolulised, tootmine on juba pälvinud valitsuse toetusi. Nii peab ka alumiinium, võttes arvesse selle rolli teistes sektorites, nagu transport ja akutehnoloogia, dekarboniseerimisel.

Euroopas Euroopa Liidu kavandatav süsiniku piiride kohandamise mehhanism (CBAM) on äratuskell alumiiniumitarnijatele, kes soovivad eksportida ühtsele turule. 2030. aastaks võiks CBAM kehtestada 100 euro suuruse maksu iga tonni süsinikdioksiidi kohta, mis sisaldub imporditud toodetes ja materjalides, jäljendades ELi heitkogustega kauplemise süsteemi (ETS) kulusid kohalikele tootjatele. 2-tonnise CO16 jalajäljega tonni alumiiniumi puhul võib see metalli maksumusele lisada 2 protsenti. Ehkki selline mehhanism võib aidata dekarboniseeritud alumiiniumil pärast turustamist pidevalt konkureerida, võib ettevõtete rahanduse tõrjumiseks ja süsinikdioksiidiheite vähendamiseks osutuda vajalikuks valitsuse otseinvesteeringute mudel läbimurdetehnoloogiasse.

Sektor on võidujooksus ajaga, et suurendada oma tekkivat peaaegu nullheite tootmist, et tagada vajalik tarne. Ettevõtted peavad võtma selge liidripositsiooni, et toetada süsihappegaasi vähendamise tehnoloogiate kasutuselevõttu, mis on vajalikud selleks, et viia sektor 2050. aastaks nullini. Sellega kaasnevad lisakulud, kuid sellised koalitsioonid nagu FMC aitavad luua nende kulude katmiseks vajalik läbipaistvus ja koostöö. Tehnoloogia on selleks, et see juhtuks – ja seda tasub tõsta kui mitte klaas, siis kindlasti madala süsinikusisaldusega õllepurk.

Selle artikli kaasautorid olid Jonathan Walter ning BCG Andrew Alcorta ja Henry Mumford.