Tinh chế 'Kim loại thần kỳ': Cách khử cacbon cho nhôm

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

[Bài viết này là một phần trong loạt bài của các thành viên của First Movers Coalition. Bạn có thể đọc thêm những câu chuyện về sáng kiến tại đây.]

Nhôm đã được mô tả như là một “kim loại kỳ diệu.” Mặc dù nó là kim loại dồi dào nhất trong vỏ trái đất, nhưng sự phức tạp liên quan đến việc tinh chế nó đã khiến nhôm trở nên quý hơn bạc hoặc vàng trong thế kỷ 19. Napoléon III coi trọng nó đến mức ông sẽ phục vụ những vị khách danh dự nhất của mình đồ ăn của họ trên những chiếc đĩa nhôm. Ngày nay, nó vẫn là một vật liệu có giá trị cao, được đánh giá cao về tính linh hoạt nhẹ, độ bền cấp độ quân sự, khả năng chống ăn mòn và vì nó có thể tái chế vô hạn.

Vì vậy, những gì không thích? Chà, một loạt quy trình sử dụng nhiều năng lượng biến quặng bauxite thô thành kim loại nguyên chất thải ra trung bình 16 tấn CO2 cho mỗi tấn nhôm nguyên sinh sản xuất. Toàn bộ ngành tạo ra khoảng 1.1 tỷ tấn CO2 mỗi năm, chiếm 2% lượng khí thải nhân tạo toàn cầu. Nhiều hơn 60 phần trăm lượng khí thải này đến từ việc sản xuất điện năng tiêu thụ trong quá trình luyện kim.

Hơn nữa, nhu cầu đối với kim loại kỳ diệu - được thúc đẩy bởi các ngành công nghiệp như giao thông vận tải, xây dựng, đóng gói và ngành điện - được dự đoán sẽ tăng gần 40% vào năm 2030. Hai phần ba mức tăng trưởng này dự kiến đến từ Trung Quốc và châu Á, một mối lo ngại do quá trình luyện kim của Trung Quốc phụ thuộc nhiều vào các nhà máy nhiệt điện than cố định. Nếu không có những tiến bộ trong tái chế và khử cacbon, lượng khí thải của ngành có thể tăng lên gần 2 tỷ tấn vào năm 2050.

Mục tiêu khó khăn từ First Movers Coalition

Một số ít công nghệ mới có tiềm năng làm sạch nhôm, nhưng chỉ những công nghệ tham vọng nhất mới đáp ứng được mục tiêu khó khăn của Liên minh những người dẫn đầu của Diễn đàn kinh tế thế giới (FMC), một sáng kiến toàn cầu nhằm khai thác sức mua của các công ty để khử cacbon cho các ngành công nghiệp thải ra nhiều khí thải nhất hành tinh. Các thành viên của FMC đã cam kết thực hiện mục tiêu rằng ít nhất 10 phần trăm nhôm sơ cấp mà họ mua hàng năm vào năm 2030 sẽ được sản xuất thông qua các quy trình phát thải gần như bằng không. Định nghĩa về “gần bằng 2” là một điều khó khăn: thải ra ít hơn ba tấn CO85 trên mỗi tấn nhôm sơ cấp. Điều đó thể hiện mức giảm đáng kể lượng khí thải hiện tại từ XNUMX% trở lên.

Để hiểu làm thế nào để đạt được quá trình khử cacbon sâu như vậy, chúng ta cần một chuyến tham quan nhanh về quy trình sản xuất nhôm. Bauxite là nguyên liệu thô — nó được khai thác từ lòng đất và tinh chế thành oxit nhôm, hay “alumina,” thông qua một quy trình nhiều giai đoạn bao gồm nung nóng nó đến khoảng 1,000 độ C. Để đạt được mức nhiệt này, nhiều nhà máy lọc dầu đốt nhiên liệu hóa thạch tại chỗ, thải ra một lượng lớn CO2 trong quá trình này. Quá trình thứ hai, được gọi là luyện kim, biến alumin thành kim loại nhôm nguyên chất thông qua quá trình điện phân, sử dụng nhiều điện và cực dương carbon cũng thải ra một lượng lớn CO2.

Các dạng năng lượng tái tạo hiện có — chẳng hạn như thủy điện hoặc năng lượng mặt trời — sẽ giúp chúng ta đi được khoảng XNUMX/XNUMX chặng đường tới nhôm không phát thải.

Tin tốt là các dạng năng lượng tái tạo hiện có — chẳng hạn như thủy điện hoặc năng lượng mặt trời — sẽ giúp chúng ta đi được khoảng XNUMX/XNUMX chặng đường tới nhôm không phát thải. Chúng ta có thể sử dụng năng lượng sạch cho các lò hơi và lò nung điện khí hóa mới liên quan đến việc tinh chế quặng bauxite thành alumin - và cả cho quy trình luyện kim sử dụng nhiều điện năng. Nhưng điều này có thể tốn kém trong ngắn hạn. Điều đó có nghĩa là di chuyển các nhà máy đến các địa điểm có khả năng tiếp cận với năng lượng tái tạo và trang bị thêm cho các nhà máy lọc dầu để lắp đặt thiết bị mới.

Một số công nghệ mới nổi - có thể được triển khai tại các nhà máy nhôm hiện có - có thể giúp thu hẹp khoảng cách hướng tới nhôm không phát thải. Quá trình luyện kim có thể được khử cacbon hoàn toàn bằng cách thay thế các cực dương cacbon đó bằng các cực dương trơ thải ra oxy thay vì CO2. Một quy trình được gọi là “nén lại hơi cơ học” cho phép tái chế năng lượng nhiệt cần thiết cho quá trình tinh chế thay vì giải phóng. Và đối với lượng khí thải còn lại, có các công nghệ như thu hồi, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS) để chặn khí thải từ cả quá trình tinh chế và nấu chảy. Khi một số công nghệ đột phá này được sử dụng kết hợp, chúng có thể đưa toàn bộ quy trình sản xuất nhôm xuống dưới ngưỡng 3 tấn CO2 trên mỗi tấn nhôm sơ cấp.

Không giống như hầu hết các lĩnh vực khác trong FMC, tái chế có thể đóng một vai trò quan trọng trong hành trình hướng tới khử cacbon cho lĩnh vực nhôm, đặc biệt là khi kim loại này được coi là có thể tái chế vô hạn. Tái chế chiếm khoảng 5% năng lượng cần thiết để tạo ra nhôm mới, vì vậy nó có ý nghĩa thương mại cũng như môi trường. Quá trình nấu chảy lại nhôm ngày nay được phổ biến rộng rãi với hơn 30 triệu tấn nhôm tái chế chảy trở lại sản phẩm mới hàng năm. Nó cũng có thể góp phần hướng tới quá trình chuyển đổi công bằng, vì việc thu gom, phân loại và tái chế mang lại khả năng tạo việc làm mới đồng thời giảm việc khai thác tài nguyên thiên nhiên cần thiết để hỗ trợ sản xuất nhôm sơ cấp.

Do đó, FMC đã đặt mục tiêu bổ sung cho các thành viên của mình để đảm bảo rằng ít nhất 50 phần trăm nhôm họ sử dụng hàng năm vào năm 2030 được tái chế. Tuy nhiên, chỉ riêng việc tái chế sẽ không đủ để giải tỏa cơn khát kim loại đang gia tăng trên toàn cầu - trên thực tế, nó sẽ chỉ cung cấp một nửa nhu cầu dự kiến vào năm 2050, theo báo cáo của Ủy ban. Chiến lược chuyển tiếp phù hợp với 1.5 độ C do Mission Possible Partnership xuất bản. Vì vậy, việc sản xuất nhôm sơ cấp càng gần mức phát thải càng tốt vẫn là ưu tiên hàng đầu.

Giải pháp công nghệ là ở đó. Bây giờ để làm cho nó xảy ra

Mặc dù các công nghệ sản xuất nhôm khử cacbon có thể tồn tại ở dạng nguyên mẫu, giống như tất cả các công nghệ mới chưa đạt được quy mô, nhưng chúng rất tốn kém. Thương mại hóa chúng là một thách thức — và đó không chỉ là chi phí; chuỗi giá trị nhôm phức tạp và kéo dài.

Lấy một lon bia làm ví dụ, thường được làm bằng hơn 50% nhôm tái chế nhưng vẫn yêu cầu nhôm nguyên sinh. Đầu tiên bạn khai thác bauxite, sau đó bạn luyện nó thành alumin. Nó thường được chuyển đến một nơi khác để nấu chảy thành nhôm nguyên chất. Kim loại này sau đó được xử lý thành đĩa hoặc cuộn, được mua bởi các công ty đục lỗ thành lon, bán cho các doanh nghiệp nước giải khát và nhà đóng chai, phân phối cho các nhà bán lẻ và chỉ sau đó mới đến tay người tiêu dùng. Chuỗi cung ứng dài này được kết hợp bởi quy mô của người mua. Trong khi thép và bê tông có “người mua neo” lớn, chẳng hạn như các nhà sản xuất ô tô hoặc cơ quan mua sắm nhà nước, thì nhôm được nhiều người chơi mua với số lượng nhỏ. Và tất cả những người chơi có liên quan - từ công ty khai thác mỏ đến nhà bán lẻ đồ uống - phải được liên kết để chia sẻ mục tiêu và chi phí khử cacbon.

Tập đoàn bóng, nhà sản xuất bao bì nhôm lớn và là thành viên của FMC, đã thực hiện bước đầu tiên hướng tới việc liên kết với các đối tác trong chuỗi giá trị của mình. Công ty đã hợp tác với các nhà cung cấp nhôm và các thành viên FMC khác là Novelis và Rio Tinto để tạo ra Lon nước giải khát ít carbon được đánh dấu đặc biệt đầu tiên của Canada cho bia Corona. Chiếc lon được làm một phần từ nhôm tái chế cùng với nhôm sơ cấp gần như không phát thải được tinh chế bằng thủy điện và nấu chảy bằng cách sử dụng một công nghệ cực dương trơ không phát thải khí nhà kính gọi là Elysis. Bước đột phá này đã được thực hiện nhờ sự hợp tác chưa từng có giữa hai gã khổng lồ cạnh tranh trong ngành công nghiệp nhôm — Alcoa và Rio Tinto — cùng với khoản đầu tư trị giá 13 triệu đô la (CAD) và hỗ trợ kỹ thuật từ Apple, cộng với khoản đầu tư bổ sung trị giá 80 triệu đô la (CAD) cho mỗi bên từ Canada. và chính phủ Quebec. Elysis vẫn đang ở giai đoạn nguyên mẫu, nhưng nhóm đang đặt mục tiêu đưa công nghệ này ra thị trường vào năm 2024.

Việc sắp xếp chuỗi giá trị, thông qua các liên minh như FMC, là rất quan trọng đối với các nỗ lực khử cacbon. Nếu không có chuỗi giá trị phù hợp, tín hiệu nhu cầu gửi tới nhà sản xuất có thể không dẫn đến bất kỳ thay đổi nào. Những loại liên minh này cũng dẫn đến các cuộc đối thoại tốt hơn với các chính phủ xung quanh nhiều chủ đề, từ việc thắt chặt các chính sách về tái chế đến đồng đầu tư vào R&D.

Khi sử dụng kết hợp các công nghệ đột phá, chúng có thể đưa toàn bộ quy trình sản xuất nhôm xuống dưới ngưỡng 3 tấn CO2 trên mỗi tấn nhôm nguyên sinh.

Các chính phủ có vai trò quan trọng trong việc khuyến khích quá trình khử cacbon trong quá trình luyện và luyện nhôm sơ cấp. Trung Đông có cơ hội đóng góp bằng cách sử dụng tiềm năng năng lượng mặt trời dồi dào của mình. Trung Quốc đang cho thấy sự đi đúng hướng, đóng cửa một số hoạt động lọc dầu chạy bằng than và mở các nhà máy mới ở những khu vực có nhiều thủy điện. Nhưng các chính phủ cũng có thể cần cung cấp hỗ trợ tài chính trực tiếp cho lĩnh vực này. Các công nghệ mới cần thiết để khử cacbon nhôm - bao gồm năng lượng tái tạo bổ sung, CCUS và thiết kế lại quy trình luyện kim xung quanh cực dương trơ - sẽ tiêu tốn khoảng 1 nghìn tỷ đô la cho đến năm 2050, vì vậy có khả năng các quốc gia sẽ phải can thiệp bằng các biện pháp khuyến khích, đầu tư và thị trường- các biện pháp dựa Việc sản xuất các vật liệu như lithium hoặc đồng - rất quan trọng đối với quá trình chuyển đổi carbon thấp - đã thu hút được trợ cấp của chính phủ. Nhôm cũng vậy, vì vai trò của nó trong việc giúp khử cacbon trong các lĩnh vực khác như giao thông vận tải và công nghệ pin.

Ở châu Âu Cơ chế điều chỉnh biên giới carbon được đề xuất của Liên minh Châu Âu (CBAM) là hồi chuông cảnh tỉnh cho các nhà cung cấp nhôm muốn xuất khẩu vào thị trường chung. Đến năm 2030, CBAM có thể đánh thuế 100 euro trên mỗi tấn CO2 có trong các sản phẩm và nguyên liệu nhập khẩu, giống như chi phí của chương trình mua bán khí thải (ETS) của EU đối với các nhà sản xuất địa phương. Đối với một tấn nhôm với lượng khí thải CO16 là 2 tấn, điều đó có thể làm tăng thêm 60% giá thành của kim loại. Mặc dù một cơ chế như vậy có thể giúp nhôm khử cacbon cạnh tranh trên cơ sở liên tục sau khi được thương mại hóa, mô hình đầu tư trực tiếp của chính phủ vào công nghệ đột phá có thể cần thiết để thu hút tài chính doanh nghiệp và ngăn chặn con đường khử cacbon.

Lĩnh vực này đang chạy đua với thời gian để mở rộng quy mô sản xuất khí thải gần như bằng không mới ra đời nhằm cung cấp nguồn cung cần thiết. Các công ty cần có một vị trí lãnh đạo rõ ràng, để hỗ trợ triển khai các công nghệ khử cacbon sâu cần thiết để điều chỉnh ngành theo lộ trình hướng tới mức 2050% ròng vào năm XNUMX. Sẽ có thêm chi phí, nhưng các liên minh như FMC sẽ giúp tạo ra tính minh bạch và hợp tác cần thiết để giải quyết các chi phí đó. Công nghệ ở đó để biến điều đó thành hiện thực — và điều đó đáng để nâng lên nếu không phải là một chiếc ly, thì chắc chắn là một lon bia ít carbon.

Bài báo này do Jonathan Walter, Andrew Alcorta và Henry Mumford của BCG đồng tác giả.