Purificare il "metallo miracoloso": come decarbonizzare l'alluminio

Ripubblicato da Platone

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[Questo articolo fa parte di una serie di membri della First Movers Coalition. Puoi leggere altre storie sull'iniziativa qui.]

L'alluminio è stato descritto come un "metallo miracoloso. Sebbene sia il metallo più abbondante nella crosta terrestre, le complessità legate alla sua raffinazione hanno reso l'alluminio più prezioso dell'argento o dell'oro durante il XIX secolo. Napoleone III lo apprezzava così tanto che serviva ai suoi ospiti più onorati il cibo su piatti di alluminio. Rimane oggi un materiale di alto valore, apprezzato per la sua leggerezza, versatilità, robustezza di livello militare, resistenza alla corrosione e perché è riciclabile all'infinito.

Allora, cosa c'è che non va? Ebbene, la serie di processi ad alta intensità energetica che trasformano il minerale grezzo di bauxite in un metallo puro emette in media 16 tonnellate di CO2 per ogni tonnellata di alluminio primario prodotto. Il settore nel suo complesso genera intorno 1.1 miliardi di tonnellate di CO2 ogni anno, pari al 2% delle emissioni globali di origine antropica. Oltre Il 60 percento di queste emissioni deriva dalla produzione dell'elettricità consumata durante il processo di fusione.

Inoltre, si prevede che la domanda del metallo miracoloso, trainata da settori come i trasporti, l'edilizia, l'imballaggio e il settore elettrico, aumenterà aumentare di quasi il 40% entro il 2030. Due terzi di questa crescita sono attesi dalla Cina e dall'Asia, una preoccupazione dato che il processo di fusione della Cina dipende fortemente dalle centrali elettriche a carbone vincolate. Senza progressi nel riciclaggio e nella decarbonizzazione, il le emissioni del settore potrebbero raggiungere quasi i 2 miliardi di tonnellate entro il 2050.

Obiettivo difficile da First Movers Coalition

Una manciata di nuove tecnologie ha il potenziale per ripulire l'alluminio, ma solo le più ambiziose raggiungono il difficile obiettivo del Coalizione dei First Mover del World Economic Forum (FMC), un'iniziativa globale per sfruttare il potere d'acquisto delle aziende per decarbonizzare le industrie che emettono più pesantemente del pianeta. I membri della FMC si sono impegnati a raggiungere l'obiettivo che almeno il 10 percento dell'alluminio primario che acquistano ogni anno entro il 2030 sarà prodotto attraverso processi a emissioni prossime allo zero. La definizione di "quasi zero" è la parte difficile: emettere meno di tre tonnellate metriche di CO2 per tonnellata metrica di alluminio primario. Ciò rappresenta un'enorme riduzione delle emissioni attuali dell'85% o più.

Per capire come ottenere una decarbonizzazione così profonda, abbiamo bisogno di un rapido tour del processo di produzione dell'alluminio. La bauxite è la materia prima: viene estratta dal terreno e raffinata in ossido di alluminio, o "allumina", attraverso un processo multifase che include il riscaldamento a circa 1,000 gradi Celsius. Per raggiungere questo calore, molte raffinerie bruciano combustibili fossili in loco, che emettono grandi quantità di CO2 durante il processo. Il secondo processo, noto come fusione, trasforma l'allumina in puro alluminio metallico attraverso l'elettrolisi, che utilizza molta elettricità e anodi di carbonio che emettono anche grandi quantità di CO2.

Le forme esistenti di energia rinnovabile, come quella idroelettrica o solare, ci porteranno a circa due terzi del percorso verso l'alluminio a zero emissioni.

La buona notizia è che le forme esistenti di energia rinnovabile, come quella idroelettrica o solare, ci porteranno a circa due terzi del percorso verso l'alluminio a zero emissioni. Possiamo usare energia pulita per le nuove caldaie e calcinatori elettrificati coinvolti nella raffinazione del minerale di bauxite in allumina, e anche per il processo di fusione ad alta intensità di elettricità. Ma questo può essere costoso a breve termine. Significa spostare gli impianti in luoghi con accesso all'energia rinnovabile e adeguare le raffinerie per installare le nuove attrezzature.

Alcune nuove tecnologie emergenti, che possono essere implementate negli impianti di alluminio esistenti, possono aiutare a ridurre il divario verso l'alluminio a zero emissioni. Il processo di fusione può essere completamente decarbonizzato sostituendo quegli anodi di carbonio con anodi inerti che emettono ossigeno invece di CO2. Un processo noto come "ricompressione meccanica del vapore" consente di riciclare l'energia termica necessaria per la raffinazione anziché rilasciarla. E per le restanti emissioni, ci sono tecnologie come la cattura, l'uso e lo stoccaggio del carbonio (CCUS) per intercettare le emissioni sia dei processi di raffinazione che di fusione. Quando alcune di queste tecnologie rivoluzionarie vengono utilizzate insieme, possono portare l'intero processo di produzione dell'alluminio al di sotto della soglia di 3 tonnellate metriche di CO2 per tonnellata metrica di alluminio primario.

A differenza della maggior parte degli altri settori della FMC, il riciclaggio può svolgere un ruolo importante nel viaggio verso la decarbonizzazione del settore dell'alluminio, soprattutto perché il metallo è considerato infinitamente riciclabile. Il riciclaggio richiede circa il 5% dell'energia necessaria per produrre nuovo alluminio, quindi ha un senso commerciale oltre che ambientale. La rifusione dell'alluminio è oggi diffusa su larga scala con più di 30 milioni di tonnellate di alluminio riciclato rifluendo ogni anno su nuovi prodotti. Può anche contribuire a una transizione equa, poiché la raccolta, la cernita e il riciclaggio offrono il potenziale per creare nuovi posti di lavoro riducendo al contempo l'estrazione di risorse naturali necessarie per sostenere la produzione primaria di alluminio.

Di conseguenza, la FMC ha fissato un obiettivo aggiuntivo per i suoi membri per garantire che almeno il 50% dell'alluminio che usano ogni anno entro il 2030 venga riciclato. Tuttavia, il riciclaggio da solo non sarà sufficiente a placare la crescente sete globale di metallo: infatti, secondo il 2050, entro il XNUMX fornirà solo la metà della domanda prevista. Strategia di transizione allineata a 1.5 gradi C pubblicata da Mission Possible Partnership. Pertanto, portare la produzione di alluminio primario il più vicino possibile a zero emissioni rimane una priorità assoluta.

La soluzione tecnologica c'è. Ora per realizzarlo

Sebbene le tecnologie per decarbonizzare la produzione di alluminio possano esistere in forma di prototipo, come tutte le nuove tecnologie che devono ancora raggiungere la scala, sono costose. Commercializzarli è impegnativo e non è solo il costo; la catena del valore dell'alluminio è complicata ed estesa.

Prendiamo ad esempio una lattina di birra, che in genere è composta per oltre il 50% da alluminio riciclato ma richiede comunque alluminio primario. Prima estrai la bauxite, poi la raffini in allumina. Spesso va da qualche altra parte per essere fuso in alluminio puro. Il metallo viene quindi trasformato in dischi o bobine, acquistato da aziende che lo perforano in lattine, venduto ad aziende produttrici di bevande e imbottigliatori, distribuito ai rivenditori e solo successivamente raggiunge il consumatore. Questa lunga catena di approvvigionamento è aggravata dalle dimensioni degli acquirenti. Mentre l'acciaio e il cemento hanno grandi "acquirenti di riferimento", come i produttori di automobili o le agenzie statali per gli appalti, l'alluminio viene acquistato in piccole quantità da molti attori. E tutti gli attori coinvolti, dall'azienda mineraria al rivenditore di bevande, devono essere allineati per condividere l'obiettivo e il costo della decarbonizzazione.

Corporazione Palla, uno dei principali produttori di imballaggi in alluminio e membro della FMC, ha fatto un primo passo verso l'allineamento con i suoi partner della catena del valore. L'azienda ha collaborato con i fornitori di alluminio e altri membri della FMC Novelis e Rio Tinto per creare La prima lattina per bevande a basse emissioni di carbonio appositamente contrassegnata del Canada per la birra Corona. La lattina è realizzata in parte con alluminio riciclato insieme ad alluminio primario a emissioni quasi zero raffinato con energia idroelettrica e fuso utilizzando un tecnologia ad anodo inerte senza gas serra denominata Elysis. Questa svolta è stata resa possibile da una collaborazione senza precedenti tra due colossi concorrenti dell'industria dell'alluminio — Alcoa e Rio Tinto — insieme a 13 milioni di dollari canadesi di investimento e supporto tecnico da parte di Apple, oltre a un ulteriore investimento di 80 milioni di dollari canadesi ciascuno e i governi del Québec. Elysis è ancora allo stadio di prototipo, ma il team mira a rendere la tecnologia disponibile in commercio entro il 2024.

Allineare la catena del valore, attraverso coalizioni come la FMC, è fondamentale per gli sforzi di decarbonizzazione. Senza una catena del valore allineata, i segnali della domanda ai produttori potrebbero non portare ad alcun cambiamento. Questi tipi di coalizioni portano anche a conversazioni migliori con i governi su una serie di argomenti, dall'inasprimento delle politiche sul riciclaggio al co-investimento in ricerca e sviluppo.

Quando vengono utilizzate insieme tecnologie rivoluzionarie, è possibile portare l'intero processo di produzione dell'alluminio al di sotto della soglia di 3 tonnellate metriche di CO2 per tonnellata metrica di alluminio primario.

I governi hanno un ruolo chiave da svolgere nell'incoraggiare la decarbonizzazione della raffinazione e fusione dell'alluminio primario. Il Medio Oriente ha l'opportunità di contribuire, utilizzando il suo abbondante potenziale di energia solare. La Cina si sta muovendo nella giusta direzione, chiudendo alcune operazioni di raffinazione a carbone e aprendo nuovi impianti in regioni ricche di energia idroelettrica. Ma i governi potrebbero anche aver bisogno di fornire un sostegno finanziario diretto al settore. Le nuove tecnologie necessarie per decarbonizzare l'alluminio, compresa l'energia rinnovabile aggiuntiva, CCUS e la riprogettazione del processo di fusione attorno agli anodi inerti, costeranno circa 1 trilione di dollari fino al 2050, quindi è probabile che gli stati debbano intervenire con incentivi, investimenti e mercato- misure basate. La produzione di materiali come il litio o il rame, vitali per la transizione a basse emissioni di carbonio, attrae già sussidi governativi. Lo stesso vale per l'alluminio, dato il suo ruolo nell'aiutare a decarbonizzare altri settori come i trasporti e la tecnologia delle batterie.

In Europa, il Meccanismo di adeguamento del carbonio alla frontiera proposto dall'Unione europea (CBAM) è un campanello d'allarme per i fornitori di alluminio che desiderano esportare nel mercato unico. Entro il 2030, il CBAM potrebbe imporre una tassa di 100 euro per tonnellata di CO2 contenuta in prodotti e materiali importati, imitando il costo del sistema di scambio di quote di emissione dell'UE (ETS) per i produttori locali. Per una tonnellata metrica di alluminio con un'impronta di CO16 di 2 tonnellate metriche, ciò potrebbe aggiungere il 60 percento al costo del metallo. Sebbene un tale meccanismo possa aiutare l'alluminio decarbonizzato a competere su base continuativa una volta commercializzato, il modello di investimento diretto del governo in una tecnologia rivoluzionaria potrebbe essere necessario per affollare la finanza aziendale e deridere il percorso di decarbonizzazione.

Il settore è in corsa contro il tempo per aumentare la sua nascente produzione a emissioni quasi zero per fornire la fornitura necessaria. Le aziende devono assumere una chiara posizione di leadership, per supportare l'implementazione delle tecnologie di profonda decarbonizzazione necessarie per allineare il settore lungo un percorso verso lo zero netto entro il 2050. Ci saranno costi aggiuntivi, ma le coalizioni come FMC contribuiranno a creare il trasparenza e collaborazione necessarie per far fronte a tali costi. La tecnologia è lì per realizzarlo - e vale la pena alzare se non un bicchiere, allora sicuramente una lattina di birra a basse emissioni di carbonio.

Questo articolo è stato scritto in collaborazione da Jonathan Walter, Andrew Alcorta e Henry Mumford di BCG.