Het ‘wondermetaal’ zuiveren: aluminium koolstofarm maken

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

[Dit artikel maakt deel uit van een serie van leden van de First Movers Coalition. Je leest meer verhalen over het initiatief hier.]

Aluminium is beschreven als een "wondermetaal.” Hoewel het het meest voorkomende metaal in de aardkorst is, maakte de complexiteit van de raffinage ervan aluminium in de 19e eeuw kostbaarder dan zilver of goud. Napoleon III waardeerde het zo dat hij zijn meest geëerde gasten hun eten op aluminium borden zou serveren. Het blijft vandaag een hoogwaardig materiaal, gewaardeerd om zijn lichtgewicht veelzijdigheid, sterkte van militaire kwaliteit, weerstand tegen corrosie en omdat het oneindig recyclebaar is.

Dus, wat is er niet leuk aan? Welnu, de energie-intensieve reeks processen die van ruw bauxieterts een puur metaal maken, stoten gemiddeld uit 16 ton CO2 voor elke ton primair aluminium geproduceerd. De sector als geheel genereert ongeveer 1.1 miljard ton CO2 per jaar, goed voor 2 procent van de wereldwijde door de mens veroorzaakte uitstoot. Meer dan 60 procent van deze emissies is afkomstig van de productie van de verbruikte elektriciteit tijdens het smeltproces.

Bovendien wordt voorspeld dat de vraag naar het wondermetaal - gedreven door industrieën zoals transport, bouw, verpakking en de elektrische sector - zal toenemen. tegen 40 met bijna 2030 procent toenemen. Tweederde van deze groei wordt verwacht uit China en Azië, een punt van zorg gezien het smeltproces in China sterk afhankelijk is van eigen kolencentrales. Zonder vooruitgang op het gebied van recycling en decarbonisatie, zou de de uitstoot van de sector zou tegen 2 kunnen oplopen tot bijna 2050 miljard ton.

Moeilijk doelwit van First Movers Coalition

Een handvol nieuwe technologieën hebben het potentieel om aluminium op te schonen, maar alleen de meest ambitieuze halen het moeilijke doel van de First Movers Coalition van het World Economic Forum (FMC), een wereldwijd initiatief om de koopkracht van bedrijven te benutten om de meest uitstotende industrieën ter wereld koolstofvrij te maken. Leden van de FMC hebben zich tot doel gesteld dat ten minste 10 procent van het primaire aluminium dat ze jaarlijks inkopen tegen 2030 zal worden geproduceerd via bijna-nulemissieprocessen. De definitie van "bijna nul" is het moeilijkste: minder dan drie ton CO2 uitstoten per ton primair aluminium. Dat betekent een enorme reductie van de huidige uitstoot van 85 procent of meer.

Om te begrijpen hoe we zo'n diepe decarbonisatie kunnen bereiken, hebben we een snelle rondleiding door het aluminiumproductieproces nodig. Bauxiet is de grondstof - het wordt uit de grond gewonnen en verfijnd tot aluminiumoxide, of "alumina", door middel van een meerfasig proces waarbij het wordt verhit tot ongeveer 1,000 graden Celsius. Om deze warmte te bereiken, verbranden veel raffinaderijen ter plaatse fossiele brandstoffen, die daarbij grote hoeveelheden CO2 uitstoten. Het tweede proces, bekend als smelten, verandert het aluminiumoxide in puur aluminiummetaal door middel van elektrolyse, waarbij veel elektriciteit en koolstofanodes worden gebruikt die ook grote hoeveelheden CO2 uitstoten.

Bestaande vormen van hernieuwbare energie - zoals waterkracht of zonne-energie - zullen ons ongeveer tweederde van de weg naar emissievrij aluminium brengen.

Het goede nieuws is dat bestaande vormen van hernieuwbare energie - zoals waterkracht of zonne-energie - ons ongeveer tweederde van de weg naar emissievrij aluminium zullen brengen. We kunnen schone energie gebruiken voor de nieuwe geëlektrificeerde ketels en calcineerders die betrokken zijn bij het raffineren van bauxieterts tot aluminiumoxide - en ook voor het elektriciteitsintensieve smeltproces. Maar dit kan op korte termijn duur uitpakken. Het betekent het verplaatsen van de fabrieken naar locaties met toegang tot hernieuwbare energie en het aanpassen van de raffinaderijen om de nieuwe apparatuur te installeren.

Sommige opkomende nieuwe technologieën - die kunnen worden geïmplementeerd in bestaande aluminiumfabrieken - kunnen helpen de kloof naar emissievrij aluminium te verkleinen. Het smeltproces kan volledig koolstofvrij worden gemaakt door die koolstofanoden te vervangen door inerte anodes die zuurstof uitstoten in plaats van CO2. Een proces dat bekend staat als "mechanische damprecompressie" zorgt ervoor dat de thermische energie die nodig is voor raffinage wordt gerecycled in plaats van vrijgegeven. En voor de resterende emissies zijn er technologieën zoals koolstofafvang, gebruik en opslag (CCUS) om emissies van zowel raffinage- als smeltprocessen op te vangen. Wanneer enkele van deze baanbrekende technologieën samen worden gebruikt, kunnen ze het hele aluminiumproductieproces onder de drempel van 3 ton CO2 per ton primair aluminium brengen.

In tegenstelling tot de meeste andere sectoren in de FMC, kan recycling een grote rol spelen in de reis naar het koolstofvrij maken van de aluminiumsector, vooral omdat het metaal als oneindig recyclebaar wordt beschouwd. Recycling kost ongeveer 5 procent van de energie die nodig is om nieuw aluminium te maken, dus het is zowel commercieel als ecologisch zinvol. Het omsmelten van aluminium is tegenwoordig wijdverspreid op grote schaal met meer dan 30 miljoen ton gerecycled aluminium jaarlijks terugvloeien naar nieuwe producten. Het kan ook bijdragen aan een rechtvaardige transitie, aangezien inzameling, sortering en recycling het potentieel bieden om nieuwe banen te creëren en tegelijkertijd de ontginning van natuurlijke hulpbronnen te verminderen die nodig is om de productie van primair aluminium te ondersteunen.

Daarom heeft de FMC een extra doel gesteld voor haar leden om ervoor te zorgen dat in 50 ten minste 2030 procent van het aluminium dat ze jaarlijks gebruiken, wordt gerecycled. Recycling alleen zal echter niet genoeg zijn om de groeiende wereldwijde honger naar metaal te stillen - in feite zal het tegen 2050 slechts aan de helft van de verwachte vraag voldoen, volgens de 1.5 graden C-uitgelijnde transitiestrategie gepubliceerd door het Mission Possible Partnership. Het blijft dus een topprioriteit om de primaire aluminiumproductie zo dicht mogelijk bij nul-emissie te krijgen.

De technische oplossing is er. Nu om het waar te maken

Hoewel de technologieën om de aluminiumproductie koolstofarm te maken in prototypevorm kunnen bestaan, zoals alle nieuwe technologieën die nog op schaal moeten komen, zijn ze duur. Het commercialiseren ervan is een uitdaging - en het zijn niet alleen de kosten; de waardeketen van aluminium is gecompliceerd en uitgebreid.

Neem bijvoorbeeld een bierblikje, dat doorgaans voor meer dan 50 procent uit gerecycled aluminium bestaat, maar toch primair aluminium nodig heeft. Eerst ontgin je het bauxiet, daarna raffineer je het tot aluminiumoxide. Het gaat vaak ergens anders heen om te worden omgesmolten tot puur aluminium. Het metaal wordt vervolgens verwerkt tot schijven of rollen, gekocht door bedrijven die ze in blikjes ponsen, verkocht aan drankenhandels en bottelaars, gedistribueerd naar detailhandelaren en bereikt dan pas de consument. Deze lange toeleveringsketen wordt verergerd door de omvang van de kopers. Terwijl staal en beton grote 'ankerkopers' hebben, zoals autofabrikanten of openbare inkoopbureaus, wordt aluminium door veel spelers in kleine hoeveelheden gekocht. En alle betrokken spelers - van het mijnbedrijf tot de drankenhandelaar - moeten op één lijn zitten om het doel en de kosten van decarbonisatie te delen.

bal Corporation, een grote fabrikant van aluminium verpakkingen en lid van de FMC, heeft een eerste stap gezet in de richting van afstemming met zijn waardeketenpartners. Het bedrijf werkt samen met aluminiumleveranciers en andere FMC-leden Novelis en Rio Tinto om te creëren Canada's eerste speciaal gemarkeerde, koolstofarme drankblikje voor Corona-bier. Het blikje is gedeeltelijk gemaakt van gerecycled aluminium, samen met bijna emissievrij primair aluminium, verfijnd met waterkracht en gesmolten met behulp van een broeikasgasvrije inerte anodetechnologie genaamd Elysis. Deze doorbraak is mogelijk gemaakt door een ongekende samenwerking tussen twee concurrerende giganten in de aluminiumindustrie — Alcoa en Rio Tinto — samen met een investering van $ 13 miljoen (CAD) en technische ondersteuning van Apple, plus een extra investering van elk $ 80 miljoen (CAD) van het Canadese en regeringen van Quebec. Elysis bevindt zich nog in de prototypefase, maar het team streeft ernaar om de technologie in 2024 commercieel beschikbaar te maken.

Het afstemmen van de waardeketen, via coalities zoals het FMC, is van cruciaal belang voor de inspanningen om de economie koolstofarm te maken. Zonder een afgestemde waardeketen leiden vraagsignalen naar producenten mogelijk niet tot enige verandering. Dit soort coalities leiden ook tot betere gesprekken met overheden over uiteenlopende onderwerpen, van aanscherping van recyclingbeleid tot mee-investeren in R&D.

Wanneer baanbrekende technologieën in combinatie worden gebruikt, kunnen ze het hele aluminiumproductieproces onder de drempel van 3 ton CO2 per ton primair aluminium brengen.

Overheden spelen een sleutelrol bij het stimuleren van het koolstofvrij maken van primaire aluminiumraffinage en -smelting. Het Midden-Oosten heeft een kans om bij te dragen, gebruikmakend van zijn overvloedige zonne-energiepotentieel. China laat beweging in de goede richting zien, door een aantal kolengestookte raffinageactiviteiten te sluiten en nieuwe fabrieken te openen in regio's die rijk zijn aan waterkracht. Maar overheden moeten mogelijk ook directe financiële steun aan de sector geven. De nieuwe technologieën die nodig zijn om aluminium koolstofvrij te maken – inclusief extra hernieuwbare energie, CCUS en het herontwerpen van het smeltproces rond inerte anodes – zullen tot 1 ongeveer $ 2050 biljoen kosten, dus het is waarschijnlijk dat staten zullen moeten ingrijpen met stimulansen, investeringen en markt- gebaseerde maatregelen. De productie van materialen zoals lithium of koper – van vitaal belang voor de overgang naar een koolstofarme economie – krijgt al overheidssubsidies. Dat geldt ook voor aluminium, gezien zijn rol bij het koolstofvrij maken van andere sectoren, zoals transport en batterijtechnologie.

In Europa, de Het door de Europese Unie voorgestelde mechanisme voor koolstofgrensaanpassing (CBAM) is een wake-up call voor aluminiumleveranciers die willen exporteren naar de interne markt. Tegen 2030 zou de CBAM een belasting van 100 euro per ton CO2 in geïmporteerde producten en materialen kunnen heffen, waarmee de kosten van het EU-emissiehandelssysteem (ETS) voor lokale producenten worden nagebootst. Voor een ton aluminium met een CO16-voetafdruk van 2 ton, zou dat 60 procent kunnen toevoegen aan de kosten van het metaal. Hoewel een dergelijk mechanisme kan helpen om koolstofvrij aluminium continu te laten concurreren, zodra het eenmaal op de markt is gebracht, kan het model van directe overheidsinvesteringen in baanbrekende technologie nodig zijn om bedrijfsfinanciering binnen te halen en het risico van koolstofarm maken te verkleinen.

De sector voert een race tegen de klok om haar ontluikende bijna-nul-emissieproductie op te schalen om de vereiste voorziening te leveren. Bedrijven moeten een duidelijke leiderspositie innemen om de inzet te ondersteunen van de diepe decarbonisatietechnologieën die nodig zijn om de sector op één lijn te brengen op weg naar netto nul in 2050. Er zullen extra kosten zijn, maar coalities zoals de FMC zullen helpen de transparantie en samenwerking die nodig zijn om die kosten aan te pakken. De technologie is er om het mogelijk te maken - en dat is de moeite waard, zo niet een glas, dan zeker een koolstofarm bierblikje.

Dit artikel is mede geschreven door Jonathan Walter en Andrew Alcorta en Henry Mumford van BCG.