Purifying The ‘miracle Metal’: How To Decarbonize Aluminum

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

[Ten artykuł jest częścią serii autorstwa członków koalicji First Movers. Możesz przeczytać więcej historii o inicjatywie tutaj.]

Aluminium zostało opisane jako „cudowny metal”. Chociaż jest to najobficiej występujący metal w skorupie ziemskiej, złożoność związana z jego rafinacją sprawiła, że w XIX wieku aluminium było cenniejsze niż srebro czy złoto. Napoleon III tak ją cenił, że swoim najzacniejszym gościom podawał jedzenie na aluminiowych talerzach. Do dziś pozostaje materiałem o wysokiej wartości, cenionym za swoją lekkość, wszechstronność, wytrzymałość klasy wojskowej, odporność na korozję i możliwość nieograniczonego recyklingu.

Więc czego nie lubić? Cóż, energochłonna seria procesów, które zamieniają surową rudę boksytu w czysty metal, emituje średnio 16 ton metrycznych CO2 na każdą tonę metryczną pierwotnego aluminium wytworzony. Sektor jako całość generuje ok 1.1 miliarda ton metrycznych CO2 każdego roku, co stanowi 2 procent globalnych emisji spowodowanych przez człowieka, Więcej niż 60 procent tych emisji pochodzi z produkcji zużytej energii elektrycznej podczas procesu wytapiania.

Co więcej, przewiduje się, że popyt na ten cudowny metal – napędzany przez branże takie jak transport, budownictwo, opakowania i sektor elektryczny – wzrośnie do wzrost o prawie 40 procent do 2030 r. Oczekuje się, że dwie trzecie tego wzrostu będą pochodzić z Chin i Azji, co jest problemem, biorąc pod uwagę, że chiński proces wytapiania jest w dużym stopniu uzależniony od elektrowni węglowych. Bez postępów w recyklingu i dekarbonizacji, emisje z tego sektora mogą wzrosnąć do prawie 2 miliardów ton do 2050 r.

Trudny cel ze strony First Movers Coalition

Kilka nowych technologii ma potencjał do oczyszczenia aluminium, ale tylko najbardziej ambitne spełniają trudny cel Koalicja First Movers Światowego Forum Ekonomicznego (FMC), globalna inicjatywa mająca na celu wykorzystanie siły nabywczej firm do dekarbonizacji najciężej emitujących gałęzi przemysłu na świecie. Członkowie FMC zobowiązali się do osiągnięcia celu, zgodnie z którym do 10 r. co najmniej 2030 procent pierwotnego aluminium, które nabywają rocznie, będzie produkowane w procesach o niemal zerowej emisji. Definicja „blisko zera” jest najtrudniejsza: emitowanie mniej niż trzech ton metrycznych CO2 na tonę metryczną aluminium pierwotnego. Oznacza to ogromną redukcję obecnych emisji o 85 procent lub więcej.

Aby zrozumieć, jak osiągnąć tak głęboką dekarbonizację, potrzebujemy krótkiej wycieczki po procesie produkcji aluminium. Surowcem jest boksyt — jest wydobywany z ziemi i rafinowany do postaci tlenku glinu lub „tlenku glinu” w wielofazowym procesie, który obejmuje ogrzewanie do około 1,000 stopni Celsjusza. Aby osiągnąć to ciepło, wiele rafinerii spala na miejscu paliwa kopalne, co powoduje emisję dużych ilości CO2. Drugi proces, znany jako wytapianie, zamienia tlenek glinu w czyste metaliczne aluminium poprzez elektrolizę, która zużywa dużo energii elektrycznej i anod węglowych, które również emitują duże ilości CO2.

Istniejące formy energii odnawialnej – takie jak energia wodna lub słoneczna – zapewnią nam około dwóch trzecich drogi do zerowej emisji aluminium.

Dobrą wiadomością jest to, że istniejące formy energii odnawialnej – takie jak energia wodna lub słoneczna – przybliżą nas o dwie trzecie drogi do zerowej emisji aluminium. Możemy wykorzystywać czystą energię do nowych zelektryfikowanych kotłów i kalcynatorów zaangażowanych w rafinację rudy boksytu w tlenek glinu — a także do energochłonnego procesu wytapiania. Ale to może być kosztowne w krótkim okresie. Oznacza to przeniesienie zakładów w miejsca z dostępem do energii odnawialnej oraz doposażenie rafinerii w nowe urządzenia.

Niektóre pojawiające się nowe technologie — które można wdrożyć w istniejących zakładach produkujących aluminium — mogą pomóc zmniejszyć lukę w kierunku aluminium o zerowej emisji. Proces wytapiania można całkowicie zdekarbonizować, zastępując te anody węglowe obojętnymi anodami, które emitują tlen zamiast CO2. Proces znany jako „mechaniczna rekompresja oparów” umożliwia recykling, a nie uwalnianie energii cieplnej potrzebnej do rafinacji. W przypadku pozostałych emisji istnieją technologie, takie jak wychwytywanie, wykorzystywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCUS), które przechwytują emisje zarówno z procesów rafinacji, jak i wytapiania. Połączenie kilku z tych przełomowych technologii może spowodować, że cały proces produkcji aluminium spadnie poniżej progu 3 ton metrycznych CO2 na tonę metryczną aluminium pierwotnego.

W przeciwieństwie do większości innych sektorów w FMC, recykling może odegrać dużą rolę w dążeniu do dekarbonizacji sektora aluminium, zwłaszcza że metal jest uważany za nieograniczony w recyklingu. Recykling pochłania około 5 procent energii potrzebnej do wytworzenia nowego aluminium, więc ma to zarówno sens komercyjny, jak i środowiskowy. Przetapianie aluminium jest dziś szeroko rozpowszechnione i obejmuje ponad 30 milionów ton metrycznych aluminium z recyklingu powraca do nowych produktów rocznie. Może również przyczynić się do sprawiedliwej transformacji, ponieważ zbiórka, sortowanie i recykling oferują potencjał tworzenia nowych miejsc pracy przy jednoczesnym ograniczeniu wydobycia zasobów naturalnych niezbędnych do wspierania produkcji aluminium pierwotnego.

W związku z tym FMC wyznaczyło swoim członkom dodatkowy cel, aby do 50 r. co najmniej 2030 procent aluminium, którego używają rocznie, zostało poddane recyklingowi. Jednak sam recykling nie wystarczy, aby zaspokoić rosnące globalne zapotrzebowanie na ten metal — w rzeczywistości zaspokoi tylko połowę oczekiwanego popytu do 2050 r. Strategia przejścia dostosowana do 1.5 stopnia C opublikowana przez Mission Possible Partnership. Tak więc osiągnięcie produkcji aluminium pierwotnego tak blisko zera, jak to tylko możliwe, pozostaje najwyższym priorytetem.

Rozwiązanie techniczne już jest. Teraz, aby to się stało

Chociaż technologie dekarbonizacji produkcji aluminium mogą istnieć w postaci prototypów, podobnie jak wszystkie nowe technologie, które jeszcze nie osiągnęły skali, są one drogie. Komercjalizacja ich stanowi wyzwanie — i nie chodzi tylko o koszty; łańcuch wartości aluminium jest skomplikowany i długi.

Weźmy na przykład puszkę piwa, która jest zwykle wykonana w ponad 50 procentach z aluminium pochodzącego z recyklingu, ale nadal wymaga aluminium pierwotnego. Najpierw wydobywa się boksyt, a następnie rafinuje się go w tlenek glinu. Często trafia gdzie indziej, aby zostać przetopionym na czyste aluminium. Metal jest następnie przetwarzany na krążki lub zwoje, kupowane przez firmy, które tłoczą je w puszkach, sprzedawane firmom zajmującym się napojami i rozlewniami, rozprowadzane do sprzedawców detalicznych i dopiero potem dociera do konsumenta. Ten długi łańcuch dostaw jest potęgowany przez wielkość nabywców. Podczas gdy stal i beton mają dużych „głównych nabywców”, takich jak producenci samochodów lub państwowe agencje zamówień publicznych, aluminium jest kupowane w niewielkich ilościach przez wielu graczy. A wszyscy zaangażowani gracze — od firmy wydobywczej po sprzedawcę napojów — muszą być zjednoczeni, aby dzielić cel i koszt dekarbonizacji.

Korporacja kulkowa, główny producent opakowań aluminiowych i członek FMC, wykonał pierwszy krok w kierunku dostosowania się do swoich partnerów w łańcuchu wartości. Firma połączyła siły z dostawcami aluminium i innymi członkami FMC, Novelis i Rio Tinto, aby stworzyć Pierwsza w Kanadzie specjalnie oznakowana puszka na napoje o niskiej zawartości węgla do piwa Corona. Puszka jest wykonana częściowo z aluminium pochodzącego z recyklingu oraz aluminium pierwotnego o niemal zerowej emisji, rafinowanego za pomocą energii wodnej i wytapianego przy użyciu technologia anody obojętnej bez gazów cieplarnianych o nazwie Elysis. Ten przełom był możliwy dzięki bezprecedensowej współpracy dwóch konkurujących ze sobą gigantów przemysłu aluminiowego — Alcoa i Rio Tinto — wraz z inwestycjami i wsparciem technicznym o wartości 13 milionów USD (CAD) ze strony Apple oraz dodatkowymi inwestycjami po 80 milionów USD (CAD) od kanadyjskiego i rządy Quebecu. Elysis jest wciąż na etapie prototypu, ale zespół zamierza udostępnić technologię komercyjnie do 2024 roku.

Ujednolicenie łańcucha wartości poprzez koalicje, takie jak FMC, ma kluczowe znaczenie dla działań na rzecz dekarbonizacji. Bez wyrównanego łańcucha wartości sygnały popytowe kierowane do producentów mogą nie prowadzić do żadnych zmian. Tego rodzaju koalicje prowadzą również do lepszych rozmów z rządami na różne tematy, od zaostrzenia polityki recyklingu po współinwestowanie w badania i rozwój.

Kiedy przełomowe technologie są stosowane w połączeniu, mogą sprawić, że cały proces produkcji aluminium spadnie poniżej progu 3 ton metrycznych CO2 na tonę metryczną aluminium pierwotnego.

Rządy mają do odegrania kluczową rolę w zachęcaniu do dekarbonizacji pierwotnej rafinacji i wytapiania aluminium. Bliski Wschód ma szansę wnieść swój wkład, wykorzystując swój ogromny potencjał energii słonecznej. Chiny pokazują ruch we właściwym kierunku, zamykając niektóre rafinerie zasilane węglem i otwierając nowe zakłady w regionach bogatych w energię wodną. Ale rządy mogą również potrzebować bezpośredniego wsparcia finansowego dla tego sektora. Nowe technologie potrzebne do dekarbonizacji aluminium – w tym dodatkowa energia odnawialna, CCUS i przeprojektowanie procesu wytapiania wokół obojętnych anod – będą kosztować około 1 biliona dolarów do 2050 r., więc jest prawdopodobne, że państwa będą musiały wkroczyć, oferując zachęty, inwestycje i rynek oparte na środkach. Produkcja materiałów takich jak lit czy miedź – niezbędnych do przejścia na gospodarkę niskoemisyjną – już teraz przyciąga dotacje rządowe. Tak samo musi być z aluminium, biorąc pod uwagę jego rolę w dekarbonizacji innych sektorów, takich jak transport i technologia akumulatorów.

W Europie Proponowany przez Unię Europejską mechanizm dostosowywania cen na granicach z emisją dwutlenku węgla (CBAM) to dzwonek alarmowy dla dostawców aluminium, którzy chcą eksportować na jednolity rynek. Do 2030 r. CBAM może nakładać podatek w wysokości 100 euro za tonę metryczną CO2 zawartego w importowanych produktach i materiałach, naśladując koszt unijnego systemu handlu emisjami (ETS) dla lokalnych producentów. W przypadku tony metrycznej aluminium o śladzie węglowym wynoszącym 16 ton metrycznych może to zwiększyć koszt metalu o 2 procent. Chociaż taki mechanizm może pomóc zdekarbonizowanemu aluminium konkurować na bieżąco po komercjalizacji, model bezpośrednich inwestycji rządowych w przełomową technologię może być konieczny, aby przyciągnąć finanse korporacyjne i zrezygnować ze ścieżki dekarbonizacji.

Sektor ten ściga się z czasem, aby zwiększyć skalę swojej rodzącej się produkcji o niemal zerowej emisji, aby zapewnić wymagane dostawy. Firmy muszą zająć wyraźną pozycję lidera, aby wspierać wdrażanie technologii głębokiej dekarbonizacji, które są potrzebne do dostosowania sektora do ścieżki do zerowej emisji netto do 2050 r. Pojawią się dodatkowe koszty, ale koalicje takie jak FMC pomogą stworzyć przejrzystość i współpraca wymagane w celu uwzględnienia tych kosztów. Technologia jest po to, aby to urzeczywistnić — i warto to podnieść, jeśli nie szklankę, to z pewnością niskoemisyjną puszkę piwa.

Współautorami tego artykułu są Jonathan Walter oraz Andrew Alcorta i Henry Mumford z BCG.