Очищение «чудо-металла»: как обезуглероживать алюминий

Без достижений в области переработки и декарбонизации выбросы алюминиевого сектора к 2050 году могут достичь почти 2 миллиардов метрических тонн.

Рамон Арратиа и Нэнси Гиллис

3 февраля 2023 г.

Алюминиевые компоненты. Изображение через Shutterstock/Rocharibeiro

[Эта статья является частью серии статей, написанных членами Коалиции первопроходцев. Больше историй об этой инициативе можно прочитать здесь.]

Алюминий называют «чудо-металлом». Хотя это самый распространенный металл в земной коре, сложности, связанные с его очисткой, в 19 веке сделали алюминий более ценным, чем серебро или золото. Наполеон III так ценил это, что подавал еду своим самым почетным гостям на алюминиевых тарелках. Сегодня он остается ценным материалом, который ценится за свою легкую универсальность, прочность военного уровня, устойчивость к коррозии и возможность неограниченной переработки.

Итак, что не нравится? Что ж, серия энергоемких процессов, которые превращают сырую бокситовую руду в чистый металл, выбрасывает в среднем 16 метрических тонн CO2 на каждую метрическую тонну произведенного первичного алюминия. В целом сектор ежегодно генерирует около 1,1 миллиарда тонн CO2, что составляет 2 процента мировых антропогенных выбросов. Более 60 процентов этих выбросов приходится на производство электроэнергии, потребляемой в процессе плавки.

Более того, прогнозируется, что к 2030 году спрос на чудо-металл, обусловленный такими отраслями, как транспорт, строительство, упаковка и электротехника, увеличится почти на 40 процентов. Две трети этого роста ожидается в Китае и Азии, что вызывает беспокойство. учитывая, что процесс плавки в Китае в значительной степени зависит от собственных угольных электростанций. Без достижений в области переработки и декарбонизации выбросы в этом секторе могут достичь почти 2 миллиардов метрических тонн к 2050 году.

Несколько новых технологий обладают потенциалом для очистки алюминия, но только самые амбициозные достигают жесткой цели Коалиции первопроходцев (FMC) Всемирного экономического форума, глобальной инициативы по использованию покупательной способности компаний для декарбонизации самых тяжелых на планете технологий. излучающие отрасли. Члены FMC поставили перед собой цель, чтобы к 2030 году не менее 10 процентов первичного алюминия, который они закупают ежегодно, производилось с помощью процессов, близких к нулевым выбросам. Определение «почти нуля» является трудным: выбросы менее трех метрических тонн CO2 на метрическую тонну первичного алюминия. Это представляет собой огромное сокращение текущих выбросов на 85 процентов и более.

Чтобы понять, как добиться такой глубокой декарбонизации, нам нужно быстро изучить процесс производства алюминия. Боксит — это сырье: его добывают из земли и перерабатывают в оксид алюминия, или «глинозем», посредством многофазного процесса, который включает его нагревание примерно до 1000 градусов по Цельсию. Чтобы добиться такого тепла, многие нефтеперерабатывающие заводы сжигают ископаемое топливо на месте, что приводит к выбросу большого количества CO2. Второй процесс, известный как плавка, превращает глинозем в чистый металлический алюминий посредством электролиза, при котором используется много электричества и угольные аноды, которые также выделяют большое количество CO2.

Хорошей новостью является то, что существующие виды возобновляемой энергии, такие как гидроэнергия или солнечная энергия, позволят нам пройти примерно две трети пути к нулевым выбросам алюминия. Мы можем использовать чистую энергию для новых электрифицированных котлов и обжиговых печей, используемых при переработке бокситовой руды в глинозем, а также для энергоемкого процесса плавки. Но в краткосрочной перспективе это может стоить дорого. Это означает перемещение заводов в места, где есть доступ к возобновляемым источникам энергии, и модернизацию нефтеперерабатывающих заводов для установки нового оборудования.

Некоторые новые технологии, которые могут быть внедрены на существующих алюминиевых заводах, могут помочь сократить разрыв в достижении алюминия с нулевым уровнем выбросов. Процесс плавки можно полностью обезуглерожить, заменив угольные аноды инертными анодами, которые выделяют кислород вместо CO2. Процесс, известный как «механическая рекомпрессия пара», позволяет повторно использовать тепловую энергию, необходимую для переработки, а не высвобождать. А для остальных выбросов существуют такие технологии, как улавливание, использование и хранение углерода (CCUS), позволяющие перехватывать выбросы как от процессов переработки, так и от процессов плавки. Когда несколько из этих революционных технологий используются вместе, они могут снизить уровень выбросов CO2 во всем процессе производства алюминия ниже порога в 3 метрические тонны CO2 на метрическую тонну первичного алюминия.