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2024 05/07

来源:双碳情报

深度分析 | 铝行业关键低碳技术研发与产业化进展分析

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铝行业关键低碳技术研发与产业化进展分析

铝是世界上仅次于钢铁的第二重要金属,在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域广泛应用。铝行业占我国有色行业碳排放总量的85%,是有色行业碳减排的重点领域。2024年3月25日,美国政府宣布美国历史上最大的工业脱碳投资,其中向铝行业的投资超过6.5亿美元,以振兴美国原铝行业并促进行业脱碳。本文梳理国际智库和主要国家铝行业低碳发展报告,总结铝行业减排的路径,分析关键低碳技术研发及产业化进展。

一、铝行业关键低碳技术

自2021年以来,国际铝业协会、可行使命伙伴关系(MPP)、美国、欧洲、加拿大、日本、中国等国家(地区)有色金属或铝业协会、等发布了多份铝行业低碳技术发展研究报告,如国际铝业协会(IAI)于2021年发布《2050年铝业温室气体排放路径》报告,指出铝行业减排路径;2023年9月,美国、欧洲、加拿大、日本等铝业协会联合发布《铝供应链迈向温室气体净零排放路径和全球公平市场:优先行动领域》等。从上述报告内容可以总结出铝行业碳减排的三种主要路径,分别为:电力脱碳、减少过程直接排放、废铝循环利用


(1)电力脱碳。原铝生产是一种电能密集型工业过程,提高低排放电力生产铝的比例是当务之急,也是短期内最大的潜在减排途径。2022年铝行业电解产生的温室气体占铝行业排放总量的约71%[1]。另外,该行业全球消耗的电力中约有55%是由生产商自备和自营的发电厂满足,而不是从电网购买的,尤其是在亚洲(中国约65%,亚洲其他地区95%)[2]。因此,电力脱碳结合碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的部署将是铝冶炼厂最重要的减排措施,尤其是拥有自身发电能力的冶炼厂。其中可再生能源发电、氢能发电已实现商业应用或示范,CCUS技术则处于示范阶段。根据国际能源署(IEA)2050净零排放情景,到2030年铝行业电力结构的排放强度将需要从目前的水平下降约60%[3]


(2)减少过程直接排放。铝业中非电力相关排放的主要来源是燃料燃烧、冶炼厂阳极消耗、辅助原料和运输等。在IEA 2050净零排放情景中,到2030年铝行业直接碳排放总量相对于目前需下降约18%,降至约2.2亿吨二氧化碳[4]。2022年用以供给热量和蒸汽的燃料燃烧所导致的排放量占该行业排放总量的16%,主要集中在氧化铝精炼过程,该过程的低碳变革性技术主要包括机械蒸汽再压缩(MVR)技术、氢煅烧与电煅烧等技术。与传统锅炉相比,机械蒸汽再压缩技术可减少95%排放。目前该技术处于商业示范阶段,在大规模部署之前,还需要进一步的研发工作以适应氧化铝精炼过程,预计从2027年起有望实现大规模部署[5]。氢煅烧和电煅烧是降低氧化铝煅烧过程碳排放的主要途径,这些煅烧炉仍处于实验室发展阶段,需要加大研发力度,电煅烧和氢煅烧有望于2030年/2035年实现大规模商业化[6]。2022年阳极消耗产生的温室气体排放约占铝行业排放总量的6%,其中惰性阳极由于几乎无温室气体排放而受到业界的广泛关注,是铝行业研究的重点。目前该技术处于商业化示范阶段,由于需要改造现有的设备而导致大额前期投资,预计在2030年前无法实现大规模商业部署。IEA预测,到2030年惰性阳极生产原铝的占比为7%左右[7]


(3)循环利用与资源效率。根据国际铝业协会研究,截至2050年,通过对100%的铝回收、改进废料分类、消除对消费前废料和金属的损耗,可将原铝需求降低20%。这将在2050年额外减少3亿吨绝对二氧化碳当量的排放,与减少直接排放的影响程度相当。在IEA 2050净零排放情景中,到2030年二次生产将扩大到铝产量的40%以上[8]。虽然目前该技术发展较为成熟并已在美、欧等发达国家大规模部署,但是仍面临着由于废铝合金杂质元素含量高而被降级利用的问题,亟需开发新技术以最大程度发挥废铝的价值,如杂质元素去除技术、杂质元素无害化加工技术以及固态再生铝电解技术等。


二、铝行业关键低碳技术研发进展

惰性阳极、提高废铝回收率与循环利用等是未来铝工业持续低碳化发展并实现碳中和目标的关键技术,研究人员开展了相关研究并取得一些进展。

(1)开发耐腐蚀、抗热震性、高化学稳定性以及易加工的惰性阳极是未来研发重点。目前惰性阳极研究主要集中在金属惰性阳极、陶瓷惰性阳极和金属陶瓷复合惰性阳极。其中金属惰性阳极材料研究主要集中在Cu-Al、Ni-Fe和Cu-Ni-Fe等金属合金;陶瓷惰性阳极材料研究主要集中在SnO2基、NiFe2O4基等陶瓷材料;金属陶瓷复合惰性阳极材料研究主要集中在M/NiFe2O4(M为金属相,Cu、Ni、Fe 或它们的二元/三元合金等)、Cu/Cu2O金属陶瓷等材料。但目前上述惰性阳极仍面临着不同的问题,如金属惰性阳极耐腐蚀性差;陶瓷电极的导电性差、抗热震性差、力学性能与焊接性能不佳等问题[9];金属陶瓷复合惰性阳极目前仍处于如何实现金属与陶瓷性能最佳平衡状态,有时可能会出现每种组成材料的弱点以及加工性差等问题。因此需要进一步优化上述惰性电极的性能以解决面临的问题或开发新型惰性阳极。2023年9月,东北大学首次提出采用氩等离子体作为电解铝的惰性阳极[10]。研究结果表明,采用氩等离子体作为惰性阳极可以消除铝电解中典型惰性阳极普遍存在的缺点,如高温抗氧化、耐氟熔盐腐蚀和可加工性问题,其在化学稳定性、抗热震性、成本以及操作等方面具有显著优势,为惰性阳极的发展提供了新的思路。


(2)降低废铝中杂质含量提高废铝资源利用价值。为解决废铝因含杂质而被降级利用问题,研究人员开展了杂质去除相关研究。2023年8月,美国节能和减排研究所宣布了一项铝工业新技术许可,其能够从回收铝的熔体中去除金属杂质,从而提高铝的质量,并使再生铝能够用于更多样化的应用,包括电动汽车制造。由于该项技术正在申请专利,具体技术细节暂处于保密状态[11]。2023年11月,北京科技大学研制出了航空航天铝废料的可持续回收创新工艺。研究发现,氩气泡漂浮工艺可以吸附夹杂物和氢气,获得航空级超洁净熔体[12]


三、铝行业关键低碳技术产业化进展

据国际铝业协会2024年2月发布的最新统计数据显示[13],2022年在全球铝产量有所增长的情况下,全球铝行业的温室气体排放总量首次出现下降。2022年全球铝产量增长了3.9%,从1.041亿吨增长到1.082亿吨。但铝行业的温室气体排放总量却从11.3亿吨二氧化碳当量下降到11.11亿吨二氧化碳当量,且原铝排放强度降幅大于产量增幅。这是铝行业在研究、开发和实施新技术、创新技术以及能源供应变化方面进行大量投资并不断取得进展的结果。


(1)清洁能源正在为铝行业电力脱碳提供解决方案

水电供电已在铝行业得到成功应用,从2022年原铝冶炼厂使用的电力来源百分比[14](表2)来看,在欧洲、北美洲和南美洲,水电供应了铝业80%以上的电力,北美的水电比例更是高达近96%。除水电外,铝企业也正在积极推进氢能、太阳能等清洁能源发电。巴林铝业(Alba)正在进行氢气发电的自备电站(第五电站第四电力综合体项目)项目,项目采用三菱电力M701JAC燃气轮机,该燃气轮机是世界上第一台专门为原铝冶炼厂制造的,是风冷J级燃气轮机和蒸汽轮机,联合循环发电能力为680.9兆瓦。该项目计划于2024年第四季度投入运营,第五电站总产能将从1800兆瓦提升至2481兆瓦,并降低温室气体排放浓度0.5吨/吨铝[15]。此外,太阳能在铝生产也已得到应用。2024年3月,全球最大氧化铝厂海德鲁Alunote开始转换使用太阳能电力,该太阳能电力由海德鲁、Equinor和Scatec在巴西北里奥格兰德州的Mendubim太阳能发电厂提供,该电厂的装机容量为531兆瓦[16]


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(2)通过惰性阳极技术生产的铝得到用铝企业认可,应用范围逐渐扩大

目前全球已研发成功的惰性阳极铝电解技术主要包括Elysis公司的Elysis™技术、俄罗斯铝业的惰性阳极工艺、海德鲁铝业的Halzero工艺。由美国铝业和力拓集团共同合资的Elysis公司于2019年采用惰性阳极首次成功生产无碳铝,并用于智能手机、汽车和饮料罐等[18],近期电缆制造商耐克森采用此突破性技术生产了低碳铝线杆[19]。俄罗斯铝业于2021年4月通过采用惰性阳极(由陶瓷或合金制成),生产出每吨铝二氧化碳当量低于0.01吨的高纯铝(铝纯度大于99%)并投放市场[20][21]。海德鲁自2016年以来一直致力于开发惰性电极技术,2023年3月,海德鲁宣布将建设一个由挪威政府支持的Halzero工艺测试设施[22],预计2025年建成并投入运行,到2030年有望实现工业规模的试点[23]


(3)氧化铝精炼过程正在进行电、氢燃料替代应用研究

巴西Alunote精炼厂于2022年安装了一台60兆瓦的电锅炉,以提供工厂的部分蒸汽需求,这是全球已知的首次使用电锅炉生产氧化铝,并正在考虑再安装两台,爱尔兰也在示范类似的方案。美国铝业公司正在澳大利亚氧化铝精炼中试行电煅烧以取代化石燃料,此外其还在建造一个使用机械蒸汽再压缩(一种热泵)发电的设施,该设施将于2024年开始运行[24]。力拓与澳大利亚可再生能源署(ARENA)于2021年开始合作研究使用氢气替代天然气以减少氧化铝精炼过程中的碳排放的可行性研究。2023年7月,力拓和住友开始建设氢气试点工厂,用于氧化铝精炼过程用氢试验,该试验预计每年可生产约6000吨氧化铝[25]


(4)多家企业投资废铝回收工厂建设,扩大废铝利用市场

2024年2月,海德鲁宣布将投资1.8亿欧元在西班牙新建一座铝回收厂,该新回收工厂每年将产生12万吨低碳再生铝,预计将于 2026 年开始生产[26]。2024年2月,美国MetalX和Manna Capital Partners公司计划投资超过 2 亿美元建设一个新的铝回收园区。此外,美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的全废铝剪切辅助加工和挤压工艺(ShAPE™)[27]即将投入商业化应用。2024年2月,PNNL宣布Atomic13公司与其签署了将ShAPE™专利技术商业化的独家协议。ShAPE技术可以将消费后废铝100%转化为高质量的挤压制品,产品碳含量降低90%。目前Atomic13正与挤压行业的一家领先设备公司合作进行第一条商业生产线设计,并与对建筑材料的可持续性和脱碳感兴趣的建筑商进行磋商,并计划在2025年初之前接受产品订单。


参考文献:

[1]International Aluminium Institute. Greenhouse Gas Emissions – Aluminium Sector. https://international-aluminium.org/statistics/greenhouse-gas-emissions-aluminium-sector/

[2]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023.https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[3]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023.https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[4]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023.https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[5]Mission Possible Partnership. Making 1.5 Aligned Aluminium possible. https://missionpossiblepartnership.org/wp-content/uploads/2022/10/Making-1.5-Aligned-Aluminium-possible.pdf

[6]European Aluminium.Net-Zero by 2050:Science-based Decarbonisation Pathways for the European Aluminium Industry.https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2024/01/European-Aluminium_Net-zero-by-2050_Executive-Summary.pdf

[7]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023.https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[8]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023.https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[9] Yong He, Ke-chao Zhou, Yan Zhang et.al. Recent progress of inert anodes for carbon-free aluminium electrolysis: a review and outlook. Journal of Materials Chemistry A. 2021,(9),25272-25285.

[10]Argon anodic plasma inert anode for Low-Temperature aluminium electrolysis. Chemical Engineering Journal.2023,472,145010.

[11]REMADE. REMADE Announces New Technology License For Aluminum Industry. https://www.prnewswire.com/news-releases/remade-announces-new-technology-license-for-aluminum-industry-301903711.html

[12] Sen Du, Shengen Zhang, Jianwen Wang et.al. Sustainable recycling of aerospace-grade ultra-clean 7050 aluminum alloy melts through argon refining without secondary aluminum dross generation. Journal of Materials Research and Technology.2023:27:2102-2116.

[13]International Aluminium Institute. Aluminium industry reports decline in greenhouse gas emissionshttps://international-aluminium.org/aluminium-industry-reports-decline-in-greenhouse-gas-emissions/

[14]International Aluminium Institute. Primary Aluminium Smelting Power Consumption. https://international-aluminium.org/statistics/primary-aluminium-smelting-power-consumption/

[15]Alba. Alba marks important milestone in PS5 Block 4 Project with the arrival of Mitsubishi Power M701JAC Gas Turbine. https://www.albasmelter.com/en/article/alba-marks-important-milestone-in-ps5-block-4-project-with-the-arrival-of-mitsubishi-power-m701jac-gas-turbine

[16]Hydro. Mendubim solar plant starts commercial operations and begins delivering clean energy to Alunorte alumina refinery. https://www.hydro.com/en/media/news/2024/mendubim-solar-plant-starts-commercial-operations-and-begins-delivering-clean-energy-to-alunorte-alumina-refinery/#:~:text=The+531+megawatt+%28MW%29+solar+plant+%28comprised+of,begun+delivering+electricity+to+Hydro%E2%80%99s+alumina+refinery+Alunorte.

[17]原铝生产中使用的电力包括Hall-Héroult工艺(包括从交流电整流为直流电)和普通冶炼厂辅助设备(包括污染控制设备)电解所用的电力,直至从罐中取出液态铝。它不包括用于铸造和工厂的电力。

[18]Elysis. Carbon free aluminium smelting a step closer: ELYSIS advances commercial demonstration and operates at industrial scale. https://elysis.com/en/carbon-free-aluminium-smelting-a-step-closer-elysis-advances-commercial-demonstration-and-operates

[19]Alcoa. Alcoa to supply Nexans with low-carbon aluminum, including metal from ELYSIS™ technology.https://news.alcoa.com/press-releases/press-release-details/2024/Alcoa-to-supply-Nexans-with-low-carbon-aluminum-including-metal-from-ELYSIS-technology/default.aspx

[20]含直接和间接排放

[21]РУСАЛ. РУСАЛ подтвердил беспрецедентно низкий углеродный след алюминия ALLOW INERTA.https://rusal.ru/press-center/press-releases/rusal-podtverdil-bespretsedentno-nizkiy-uglerodnyy-sled-alyuminiya-allow-inerta/

[22]Hydro. Hydro’s HalZero technology reaches a new milestone. https://www.hydro.com/en/media/news/2023/hydros-halzero-technology-reaches-a-new-milestone/

[23]Hydro. HalZero – pioneering zero-emission aluminium.https://www.hydro.com/en/media/on-the-agenda/hydros-roadmap-to-zero-emission-aluminium-production/halzero-zero-emission-electrolysis-from-hydro/

[24]IEA. Tracking Clean Energy Progress 2023. https://www.iea.org/energy-system/industry/aluminium

[25]Rio Tinto. Rio Tinto and Sumitomo to build Gladstone hydrogen pilot plant to trial lower-carbon alumina refining. https://www.riotinto.com/en/news/releases/2023/rio-tinto-and-sumitomo-to-build-gladstone-hydrogen-pilot-plant-to-trial-lower-carbon-alumina-refining

[26]Hydro invests EUR 180 million in new Spanish aluminium recycler to decarbonize European industries. https://www.hydro.com/en/media/news/2024/hydro-invests-eur-180-million-in-new-spanish-aluminium-recycler-to-decarbonize-european-industries/

[27]DOE. ShAPE™: Energy Efficient Manufacturing of Extraordinary Materials . https://www.energy.gov/eere/ammto/articles/shapetm-energy-efficient-manufacturing-extraordinary-materials

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