خالص سازی فلز معجزه گر: چگونه آلومینیوم را کربن زدایی کنیم

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

[این مقاله بخشی از مجموعه‌ای از اعضای ائتلاف اولین حرکت‌کنندگان است. می توانید داستان های بیشتری در مورد ابتکار مطالعه کنید اینجا کلیک نمایید.]

آلومینیوم به عنوان یک "فلز معجزه آسا.” در حالی که این فلز فراوان‌ترین فلز در پوسته زمین است، پیچیدگی‌های مربوط به پالایش آن، آلومینیوم را در قرن نوزدهم با ارزش‌تر از نقره یا طلا کرد. ناپلئون سوم آنقدر برای آن ارزش قائل بود که با افتخارترین مهمانانش غذایشان را در بشقاب های آلومینیومی سرو می کرد. این ماده امروزه به عنوان یک ماده با ارزش باقی مانده است که به دلیل تطبیق پذیری سبک وزن، استحکام نظامی، مقاومت در برابر خوردگی و بی نهایت قابل بازیافت است.

بنابراین، چه چیزی را دوست ندارید؟ خوب، یک سری فرآیندهای پر انرژی که سنگ معدن بوکسیت خام را به یک فلز خالص تبدیل می کنند به طور متوسط منتشر می کنند. 16 متریک تن CO2 برای هر تن متریک آلومینیوم اولیه تولید شده. این بخش به عنوان یک کل تولید می کند 1.1 میلیارد تن CO2 در هر سال، که 2 درصد از انتشار جهانی توسط انسان را تشکیل می دهد.است. بیش از 60 درصد از این گازهای گلخانه ای ناشی از تولید برق مصرفی است در طول فرآیند ذوب

علاوه بر این، پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای این فلز معجزه‌آسا – که توسط صنایعی مانند حمل‌ونقل، ساخت‌وساز، بسته‌بندی و بخش برق هدایت می‌شود. تا سال 40 تقریبا 2030 درصد افزایش یابد. دو سوم این رشد از چین و آسیا انتظار می رود، یک نگرانی با توجه به فرآیند ذوب چین به شدت به نیروگاه های زغال سنگ وابسته است. بدون پیشرفت در بازیافت و کربن زدایی، انتشار گازهای گلخانه ای این بخش می تواند تا سال 2 به حدود 2050 میلیارد تن برسد.

هدف سختی از ائتلاف First Movers

تعداد انگشت شماری از فناوری‌های جدید پتانسیل پاکسازی آلومینیوم را دارند، اما تنها جاه‌طلبانه‌ترین آنها می‌توانند به هدف سخت‌تر از اولین ائتلاف محرکان مجمع جهانی اقتصاد (FMC)، یک ابتکار جهانی برای مهار قدرت خرید شرکت‌ها برای کربن زدایی از سنگین‌ترین صنایع سیاره زمین. اعضای FMC به هدفی متعهد شده اند که حداقل 10 درصد از آلومینیوم اولیه ای که سالانه تهیه می کنند تا سال 2030 از طریق فرآیندهای انتشار نزدیک به صفر تولید شود. تعریف "نزدیک به صفر" کمی سخت است: انتشار کمتر از سه متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه. این نشان دهنده کاهش شدید انتشار گازهای گلخانه ای 85 درصدی یا بیشتر است.

برای درک چگونگی دستیابی به چنین کربن زدایی عمیق، به یک تور سریع از فرآیند تولید آلومینیوم نیاز داریم. بوکسیت ماده خام است - از زمین استخراج می شود و از طریق یک فرآیند چند فازی که شامل حرارت دادن آن تا حدود 1,000 درجه سانتیگراد است، به اکسید آلومینیوم یا "آلومینا" تبدیل می شود. برای دستیابی به این گرما، بسیاری از پالایشگاه ها سوخت های فسیلی را در محل می سوزانند که در این فرآیند مقادیر زیادی CO2 منتشر می کنند. فرآیند دوم که به نام ذوب شناخته می شود، آلومینا را از طریق الکترولیز به فلز آلومینیوم خالص تبدیل می کند که در آن از الکتریسیته و آندهای کربن زیادی استفاده می شود که همچنین مقادیر زیادی CO2 منتشر می کنند.

اشکال موجود انرژی های تجدیدپذیر - مانند انرژی آبی یا خورشیدی - ما را حدود دو سوم راه را به آلومینیوم بدون انتشار می رساند.

خبر خوب این است که اشکال موجود انرژی تجدیدپذیر - مانند انرژی آبی یا خورشیدی - ما را حدود دو سوم راه را به آلومینیوم بدون آلایندگی می‌رسانند. ما می‌توانیم از انرژی پاک برای دیگ‌های برقی جدید و کلسینرهای دخیل در تصفیه سنگ معدن بوکسیت به آلومینا و همچنین برای فرآیند ذوب شدید الکتریسیته استفاده کنیم. اما این می تواند در کوتاه مدت گران باشد. این به معنای انتقال نیروگاه ها به مکان هایی با دسترسی به انرژی تجدیدپذیر و مقاوم سازی پالایشگاه ها برای نصب تجهیزات جدید است.

برخی از فناوری‌های نوظهور - که می‌توانند در کارخانه‌های آلومینیوم فعلی پیاده‌سازی شوند - می‌توانند به کاهش شکاف به سمت آلومینیوم بدون انتشار کمک کنند. فرآیند ذوب را می توان با جایگزین کردن آندهای کربنی با آندهای بی اثر که به جای CO2 اکسیژن منتشر می کنند، کربن زدایی کامل کرد. فرآیندی که به عنوان "فشرده سازی مجدد بخار مکانیکی" شناخته می شود، انرژی حرارتی مورد نیاز برای پالایش را به جای آزاد شدن، بازیافت می کند. و برای انتشار باقیمانده، فناوری هایی مانند جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS) برای رهگیری انتشار گازهای گلخانه ای از هر دو فرآیند پالایش و ذوب وجود دارد. هنگامی که تعدادی از این فناوری‌های پیشرفت در کنار هم استفاده می‌شوند، می‌توانند کل فرآیند تولید آلومینیوم را به زیر آستانه 3 متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه برسانند.

بر خلاف بسیاری از بخش‌های دیگر در FMC، بازیافت می‌تواند نقش بزرگی در سفر به سمت کربن زدایی بخش آلومینیوم ایفا کند، به خصوص که فلز به‌طور بی‌نهایت قابل بازیافت در نظر گرفته می‌شود. بازیافت حدود 5 درصد از انرژی مورد نیاز برای ساخت آلومینیوم جدید را می گیرد، بنابراین حس تجاری و محیطی دارد. ذوب مجدد آلومینیوم امروزه در مقیاس گسترده ای با بیش از 30 میلیون تن آلومینیوم بازیافتی سالانه به محصولات جدید باز می گردد. همچنین می‌تواند به یک انتقال عادلانه کمک کند، زیرا جمع‌آوری، مرتب‌سازی و بازیافت پتانسیل ایجاد مشاغل جدید و کاهش استخراج منابع طبیعی مورد نیاز برای حمایت از تولید اولیه آلومینیوم را ارائه می‌دهد.

در نتیجه، FMC یک هدف اضافی برای اعضای خود تعیین کرده است تا اطمینان حاصل شود که حداقل 50 درصد آلومینیومی که سالانه استفاده می کنند تا سال 2030 بازیافت می شود. با این حال، بازیافت به تنهایی برای کاهش تشنگی فزاینده جهانی برای این فلز کافی نخواهد بود – در واقع، طبق گفته‌های این سازمان تا سال 2050 تنها نیمی از تقاضای مورد انتظار را تامین خواهد کرد. استراتژی انتقال 1.5 درجه C که توسط Mission Possible Partnership منتشر شده است. بنابراین تولید آلومینیوم اولیه تا حد امکان به صفر آلایندگی یک اولویت است.

راه حل فنی وجود دارد. حالا برای تحقق آن

در حالی که فناوری‌های کربن‌زدایی تولید آلومینیوم ممکن است در اشکال اولیه وجود داشته باشند، مانند تمام فناوری‌های جدیدی که هنوز به مقیاس نرسیده‌اند، گران هستند. تجاری سازی آنها چالش برانگیز است - و این فقط هزینه نیست. زنجیره ارزش آلومینیوم پیچیده و گسترده است.

به عنوان مثال، قوطی آبجو را در نظر بگیرید که معمولاً از بیش از 50 درصد آلومینیوم بازیافتی ساخته شده است اما همچنان به آلومینیوم اولیه نیاز دارد. ابتدا بوکسیت را استخراج می کنید، سپس آن را به آلومینا تصفیه می کنید. اغلب به جای دیگری می رود تا به آلومینیوم خالص ذوب شود. سپس این فلز به صورت دیسک یا سیم‌پیچ پردازش می‌شود، شرکت‌هایی که آن‌ها را در قوطی‌ها سوراخ می‌کنند، خریداری می‌شود، به شرکت‌های نوشابه و بطری‌فروشان فروخته می‌شود، به خرده‌فروشان توزیع می‌شود و تنها پس از آن به دست مصرف‌کننده می‌رسد. این زنجیره تامین طولانی با اندازه خریداران ترکیب شده است. در حالی که فولاد و بتن «خریداران لنگر» بزرگی مانند خودروسازان یا آژانس‌های تدارکات دولتی دارند، آلومینیوم در مقادیر کم توسط بسیاری از بازیکنان خریداری می‌شود. و همه بازیگران درگیر - از شرکت معدن گرفته تا خرده فروش نوشیدنی - باید برای سهیم شدن در هدف و هزینه کربن زدایی همسو باشند.

شرکت توپتولید کننده بزرگ بسته بندی آلومینیوم و عضو FMC، اولین حرکت را به سمت همسویی با شرکای زنجیره ارزش خود انجام داده است. این شرکت با تامین کنندگان آلومینیوم و دیگر اعضای FMC Novelis و Rio Tinto همکاری کرده است. اولین قوطی نوشیدنی با مارک خاص و کم کربن در کانادا برای آبجو کرونا این قوطی تا حدی از آلومینیوم بازیافتی به همراه آلومینیوم اولیه با انتشار تقریباً صفر ساخته شده است که با انرژی آبی تصفیه شده و با استفاده از ذوب ذوب شده است. فناوری آند بی اثر بدون گازهای گلخانه ای به نام Elysis. این پیشرفت با همکاری بی‌سابقه‌ای بین دو غول رقیب صنعت آلومینیوم - Alcoa و Rio Tinto - به همراه 13 میلیون دلار سرمایه‌گذاری و پشتیبانی فنی اپل، به‌علاوه سرمایه‌گذاری اضافی 80 میلیون دلاری (CAD) هر کدام از کانادا ممکن شده است. و دولت های کبک Elysis هنوز در مرحله نمونه اولیه است، اما تیم در نظر دارد تا سال 2024 این فناوری را به صورت تجاری در دسترس قرار دهد.

همسویی زنجیره ارزش، از طریق ائتلاف هایی مانند FMC، برای تلاش های کربن زدایی حیاتی است. بدون زنجیره ارزش همسو، سیگنال های تقاضا به تولیدکنندگان ممکن است منجر به تغییری نشود. این نوع ائتلاف ها همچنین منجر به گفتگوهای بهتر با دولت ها در مورد موضوعات مختلف، از سیاست های سخت تر در مورد بازیافت گرفته تا سرمایه گذاری مشترک در تحقیق و توسعه می شود.

هنگامی که یک فناوری پیشرفت در کنار هم استفاده می شود، می توانند کل فرآیند تولید آلومینیوم را به زیر آستانه 3 متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه برسانند.

دولت ها نقش کلیدی در تشویق کربن زدایی از پالایش و ذوب آلومینیوم اولیه دارند. خاورمیانه با استفاده از پتانسیل فراوان انرژی خورشیدی خود فرصتی برای مشارکت دارد. چین در حال حرکت در جهت درست است، برخی از عملیات های پالایشی با سوخت زغال سنگ را تعطیل می کند و نیروگاه های جدیدی را در مناطق پر انرژی آبی باز می کند. اما ممکن است دولت ها نیاز به حمایت مالی مستقیم از این بخش داشته باشند. فن‌آوری‌های جدید مورد نیاز برای کربن‌زدایی آلومینیوم - از جمله انرژی تجدیدپذیر اضافی، CCUS و طراحی مجدد فرآیند ذوب در اطراف آندهای بی‌اثر - تا سال 1 حدود 2050 تریلیون دلار هزینه خواهد داشت، بنابراین این احتمال وجود دارد که دولت‌ها مجبور شوند با مشوق‌ها، سرمایه‌گذاری و بازار وارد عمل شوند. اقدامات مبتنی بر تولید موادی مانند لیتیوم یا مس - حیاتی برای انتقال کم کربن - در حال حاضر یارانه های دولتی را جذب می کند. بنابراین، آلومینیوم نیز با توجه به نقشی که در کمک به کربن زدایی بخش‌های دیگر مانند حمل‌ونقل و فناوری باتری دارد، باید.

در اروپا، مکانیسم تنظیم مرز کربن پیشنهادی اتحادیه اروپا (CBAM) زنگ هشداری برای تامین کنندگان آلومینیوم است که به دنبال صادرات به بازار واحد هستند. تا سال 2030، CBAM می‌تواند مالیاتی معادل 100 یورو به ازای هر تن CO2 موجود در محصولات و مواد وارداتی وضع کند که هزینه طرح تجارت آلاینده‌های اتحادیه اروپا (ETS) را برای تولیدکنندگان محلی تقلید می‌کند. برای یک تن آلومینیوم با ردپای 16 متریک تنی CO2، این می تواند 60 درصد به هزینه فلز اضافه کند. در حالی که چنین مکانیزمی ممکن است به رقابت مداوم آلومینیوم کربن زدایی شده پس از تجاری شدن کمک کند، مدل سرمایه گذاری مستقیم دولت در فناوری پیشرفت ممکن است برای ازدحام در امور مالی شرکت ها و تمسخر مسیر کربن زدایی ضروری باشد.

این بخش در رقابتی با زمان برای افزایش تولید گازهای گلخانه ای نوپای خود به منظور ارائه عرضه مورد نیاز است. شرکت‌ها باید موضع رهبری روشنی اتخاذ کنند تا از استقرار فناوری‌های کربن زدایی عمیق که برای همسو کردن بخش در مسیر صفر تا سال 2050 مورد نیاز است، حمایت کنند. هزینه‌های اضافی وجود خواهد داشت، اما ائتلاف‌هایی مانند FMC به ایجاد شفافیت و همکاری لازم برای پرداختن به این هزینه ها. این فناوری برای تحقق آن وجود دارد - و اگر نه یک لیوان، پس مطمئناً یک قوطی آبجو کم کربن، ارزش آن را دارد.

این مقاله توسط جاناتان والتر و اندرو آلکورتا و هنری مامفورد از BCG نوشته شده است.