پایدارتر کردن آلومینیوم ( منظور این است که فرآیند تولید، استفاده یا بازیافت آلومینیوم به گونهای بهینه شود که تأثیرات منفی آن بر محیط زیست کاهش یابد. این میتواند شامل استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در فرآیند تولید، کاهش انتشار گازهای گلخانهای، بازیافت بیشتر آلومینیوم، یا کاهش مصرف منابع طبیعی باشد. هدف کلی این رویکرد، حفظ منابع طبیعی و کاهش آسیبهای زیستمحیطی است.) به یکی از اولویتهای اصلی تبدیل شده است. این فلز در بیشمار فرآیند مورد استفاده قرار میگیرد و حدود ۳٪ از کل انتشار گازهای گلخانهای جهان را به خود اختصاص میدهد. تغییر به استفاده از انرژی پاک بالاترین پتانسیل برای کربنزدایی را فراهم میکند. در مورد سایر فناوریها نیز گزینههای ممکن را بررسی خواهیم کرد، اما این گزینهها با هزینههایی همراه هستند.
نویسندگان
کوکو ژانگ Coco Zhang
گربن هیمنگا Gerben Hieminga
اوا مانتهای Ewa Manthey
ایگور فدوروف Egor Fedorov
حدود ۳٪ از انتشار گازهای گلخانهای جهانی توسط صنعت آلومینیوم ایجاد میشود.
در این مقاله
- بازیافت
- برق پاک
- آنودهای بیاثر
- هیدروژن
- جایگزینهای هیدروژن: بیوفیولها و الکتریفیکاسیون
- جذب و ذخیرهسازی کربن
- چالشهای پیش رو
صنعت آلومینیوم حدود ۳٪ از انتشار گازهای گلخانهای جهانی را به خود اختصاص داده و با افزایش تقاضا برای این فلز، اکنون ضروری است که فرآیندهای تولید کربنزدایی شوند.
چندین مسیر کربنزدایی مطرح شدهاند که در اینجا بر آنها تمرکز خواهیم کرد:
- بازیافت
- برق پاک
- آنودهای بیاثر، هیدروژن و
- جذب و ذخیرهسازی کربن (CCS)
در حالی که بازیافت یک روش بسیار مقرون به صرفه است، تأمین برق پاک برای تولید آلومینیوم بسته به منابع تولید و مکان، تصویر پیچیدهتری را به نمایش میگذارد. در همین حال، آنودهای بیاثر، هیدروژن و CCS فناوریهای نوظهوری برای صنعت آلومینیوم سبزتر هستند، اما در زمینه کاربرد، هزینه و زمانبندی تفاوتهایی دارند.
راهنمای شما برای مسیرهای کربنزدایی آلومینیوم
۱. انتشارهای غیرمستقیم ناشی از استفاده غیرمستقیم از برق ۶۲٪ از کل انتشارها را تشکیل میدهند
۲. آمادگی فناوری هیدروژن در سطح گستردهتری در تمام صنایع بالاتر است
۳. آمادگی فناوری CCS در سطح گستردهتری در تمام صنایع بالاست
۴. هزینه بستگی به منابع برق پاک (انرژیهای تجدیدپذیر، سوختهای فسیلی با CCS، هیدرو و انرژی هستهای) و مکان دارد. همچنین هزینه به این بستگی دارد که تولیدکنندگان آلومینیوم تصمیم بگیرند به شبکه پاکتر متصل شوند، برق پاک مستقل توسعه دهند و/یا قراردادهای خرید برق (PPA) را خریداری کنند.
- منبع: تحقیقات ING، شراکت Mission Possible، کمیسیون اروپا
چگونه آلومینیوم تولید میشود؟
همانطور که در مقاله قبلی خود بحث کردیم، تولید آلومینیوم را میتوان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد: معدنکاری و پالایش باکسیت، تصفیه آن به اکسید آلومینیوم، و الکترولیز آن به آلومینیوم.
- منبع: تحقیقات ING
بازیافت
یکی از مؤثرترین راهها برای کاهش انتشارهای صنعت آلومینیوم، بازیافت است. بازیافت تا ۹۵٪ انرژی کمتری نسبت به تولید آن مصرف میکند، که با در نظر گرفتن صرفهجویی در انرژی، هزینه را تا حد زیادی قابل مدیریت میسازد. ویژگیهای آلومینیوم اجازه میدهد که بارها و بارها بازیافت شود بدون اینکه کیفیت آن کاهش یابد. به همین دلیل، قوطیهای آلومینیوم بیشترین میزان بازیافت را در میان ظروف دارند و ۷۵٪ از کل آلومینیوم تولید شده تاکنون هنوز در حال استفاده است.
با این حال، علیرغم فواید زیستمحیطی قابل توجه، تنها حدود ۳۴٪ از آلومینیوم تولید شده در سال ۲۰۱۸ از مواد بازیافتی بود. بر اساس پیشبینیهای موسسه Rocky Mountain (RMI)، این رقم باید به ۵۴٪ افزایش یابد تا صنعت بتواند تا سال ۲۰۵۰ به انتشار خالص صفر برسد. سهم تولید آلومینیوم از مواد اولیه (یعنی جدید) از ۶۷٪ به ۴۶٪ کاهش خواهد یافت.
پیشبینی ورودیهای تولید آلومینیوم در سناریوی «خالص صفر تا ۲۰۵۰»
میلیون تن متریک
- منبع: موسسه Rocky Mountain
بیشتر باید به بازیافت پس از مصرف توجه شود تا بازیافت قبل از مصرف.
بازیافت قبل از مصرف به معنای استفاده مجدد از مواد باقیمانده از تولید آلومینیوم است، در حالی که بازیافت پس از مصرف به معنای جمعآوری محصولات آلومینیوم تکمیل شده (مثلاً قوطیهای نوشیدنی)، پردازش آنها و استفاده مجدد آنها به عنوان ورودی برای تولید است.
افزایش تامین مواد بازیافتی پس از مصرف میتواند نرخ بازیافت پس از مصرف را افزایش دهد. این میتواند نه تنها با داشتن علائم بازیافت مشخصتر و سطلهای زباله مناسب بلکه با بهبود تسهیلات جداسازی زباله در شهرها و شهرداریها انجام شود (بسیاری از مصرفکنندگان معتقدند که هر چیزی که در سطل زباله جدا میشود دوباره در تسهیلات پردازش مخلوط میشود).
برق پاک
سبز کردن ترکیب برق مورد استفاده یک تولیدکننده آلومینیوم میتواند پروفایل انتشار گازهای گلخانهای آن را به طور قابل توجهی تغییر دهد (کاهش انتشار Scope 2). تولید آلومینیوم یک فرآیند بسیار مصرفکننده برق است زیرا فرآیند الکترولیز به تنهایی نیاز به جریانهای الکتریکی دارد که به طور مداوم در حدود ۴۰۰ هزار آمپر جریان دارند. در سال ۲۰۲۱، نیمی از برق مورد استفاده برای فرآیند الکترولیز از زغالسنگ تأمین میشد و این عمدتاً به دلیل این است که چین بزرگترین تولیدکننده آلومینیوم در جهان است و تولید آلومینیوم در این کشور عمدتاً با زغالسنگ قدرت گرفته میشود.
برای رسیدن به انتشار خالص صفر تا سال ۲۰۵۰، حدود نیمی از برق مورد استفاده برای فرآیند الکترولیز باید از انرژیهای تجدیدپذیر، هستهای و هیدرو تأمین شود، بر اساس تحلیلی توسط شراکت Mission Possible (MPP)، یک ائتلاف متمرکز بر تسهیل کربنزدایی بخشهای با انتشار بالا. نیمی دیگر باید با برق سوخت فسیلی که دارای فناوری CCS است، تأمین شود.
ترکیب برق فرآیندهای الکترولیز اولیه
- منبع: موسسه بینالمللی آلومینیوم، شراکت Mission Possible، تحقیقات ING
کاهش انتشار Scope 2 از استفاده برق شامل اتصال به یک شبکه پاکتر، توسعه برق پاک مستقل برای استفاده مستقیم در تولید آلومینیوم یا خرید قراردادهای خرید برق تجدیدپذیر (PPAs) است. بهترین راه حل بستگی به استراتژی کلی شرکت و مکان تولید دارد. همانطور که قبلاً اشاره کردیم، چین در حال انتقال بسیاری از تولیدات آلومینیوم خود از مناطق غنی زغالسنگ به مناطق غنی هیدرو است.
بسیاری از شرکتها همچنین به قراردادهای خرید برق (PPAs) تکیه دارند. به عنوان مثال، رایو تینتو یک PPA تجدیدپذیر برای عملیات آلومینیوم خود در استرالیا امضا کرد، منطقهای که در آن زغالسنگ ۴۵٪ از مصرف برق در کورههای آلومینیوم را تشکیل میدهد. آلکوآ آلومینیوم EcoLum را میفروشد که عمدتاً در کورههای تولید شده با انرژی هیدرو تولید میشود. کاهش انتشار Scope 2 از منابع هیدرو و تجدیدپذیر میتواند راهی مقرون به صرفه برای تولید سبز باشد که نیاز به انتقال مکانهای تولید یا ساخت کارخانههای کاملاً جدید ندارد.
هستهای انتظار میرود بیش از ۲۰٪ از منبع برق الکترولیز را تشکیل دهد و ما موافقیم که انرژی هستهای نقش مهمی در کربنزدایی شبکه و به ویژه فعالیتهای مصرفکننده انرژی در بلندمدت ایفا میکند. فناوری نوین هستهای، راکتورهای کوچک مدولار (SMRs)، میتوانند منبع برق مستقل قدرتمندی باشند که قادر به تأمین برق برای یک یا چند سایت آلومینیوم بدون اتصال به شبکه باشند. با این حال، SMRها هنوز در مرحله تحقیقات و توسعه هستند. بنابراین، در کوتاهمدت تا میانمدت، به دلیل احتیاط در مورد نیروگاههای هستهای سنتی و مرحله ابتدایی فناوری SMRها، سهم هستهای در کربنزدایی شبکه محدود خواهد بود.
آنودهای بیاثر
از آنجایی که الکترولیز بیشترین بخش از انتشارهای تولید آلومینیوم را تشکیل میدهد، فناوریهای نوظهوری در حال توسعه برای کربنزدایی از این فرآیند هستند. یکی از این فناوریها که محبوبیت بیشتری پیدا میکند، آنودهای بیاثر است که جایگزین آنودهای کربنی در کورهها میشوند. به طور سنتی، اکسید آلومینیوم از طریق کوره با آنودهای کربنی عبور میکند، جایی که اکسیژن از اکسید جدا شده و با آنودهای کربنی واکنش میدهد.
در نتیجه، آلومینیوم با خلوص بالا تولید میشود، اما دیاکسید کربن (CO₂) نیز تولید میشود. آنود بیاثر، با این حال، عنصر کربن را شامل نمیشود و به جای آن از سرمتی، آلیاژهای فلزی یا مواد مناسب دیگر ساخته میشود. با استفاده از آنودهای بیاثر، محصولات فرآیند الکترولیز آلومینیوم، آلومینیوم با خلوص بالا و اکسیژن هستند.
فرآیند الکترولیز آلومینیوم – آنودهای سنتی در مقابل آنودهای بیاثر
- منبع: تحقیقات ING
این بدان معناست که آنودهای بیاثر پتانسیل حذف تقریباً تمام انتشارهای مستقیم (غیر مرتبط با برق و گرمایش) از فرآیند الکترولیز را دارند، که مزایای زیستمحیطی بزرگی را به همراه دارد. این فناوری هنوز در حال توسعه است و به صورت تجاری در دسترس نیست، اما چشمانداز آن امیدوارکننده است. در سال ۲۰۱۹، Elysis، یک شرکت مشترک بین آلکوآ و رایو تینتو، موفق به تولید آلومینیوم با استفاده از آنودهای بیاثر شد و شروع به ساخت اولین سلولهای نمونه در مقیاس تجاری فناوری آنودهای بیاثر در یک کوره رایو تینتو در کبک، کانادا کرد.
آنودهای بیاثر هنوز به صورت تجاری در دسترس نیستند، اما به دلیل موفقیت آزمایشیهای مذکور، این فناوری پتانسیل دارد که در مدت زمان کوتاهتری به طور گستردهتری اعمال شود. این واقعیت که آنودهای بیاثر همچنان در مرحله آزمایش و توسعه هستند، تخمین هزینه را دشوار میسازد، به ویژه در مورد بازار گستردهتر. اکنون برخی گروههای تحقیقاتی بر این باورند که هزینه نصب آنودهای بیاثر جدید احتمالاً «متوسط» در مقایسه با هیدروژن سبز و CCS برای الکترولیز آلومینیوم («بالا») خواهد بود. گزارشی منتشر شده توسط MPP پیشنهاد میکند که بازسازی کورهها برای شامل کردن آنودهای بیاثر امکانپذیر است اما نیاز به هزینههای قابل توجهی دارد که میتواند بازسازی آنودهای بیاثر را گزینهای کمتر جذاب از CCS در کورهها کند.
هیدروژن
هیدروژن به عنوان جایگزینی برای گاز طبیعی در فرآیندهای گرمایش صنعتی برای تولید فولاد، پتروشیمی و غیره مورد بررسی قرار گرفته است. همین تکنیک در تولید آلومینیوم نیز در حال توسعه است. معمولاً گاز طبیعی یا زغالسنگ در فرآیند تصفیه برای فراهم کردن محیطی گرم با دمای تقریبی ۳۰۰ درجه سانتیگراد برای هضم و ۹۵۰ درجه سانتیگراد برای کلسینهکردن سوخته میشود. با استفاده از هیدروژن به عنوان جایگزین، تنها آب به جای CO₂ از سوختن تولید میشود. چنین روشی میتواند انتشارهای غیرمستقیم مرتبط با تصفیه را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
با این حال، هزینه مانع از استفاده سریعتر از هیدروژن در صنعت آلومینیوم است. امروزه، هم هیدروژن سبز (تولید شده از الکترولیز آب با استفاده از انرژی تجدیدپذیر) و هم هیدروژن آبی (تولید شده از منابع سوخت فسیلی با CCS) هنوز به طور قابل مشاهدهای از هیدروژن خاکستری (تولید شده از سوختهای فسیلی بدون کاهش) گرانتر هستند. برای هیدروژن آبی، فناوریهای CCS پرهزینه برای پذیرش هستند؛ برای هیدروژن سبز، نه تنها الکترولیزورها گرانقیمت نصب هستند، بلکه در دسترس بودن و هزینه انرژی تجدیدپذیر نیز چالشی است.
در سال ۲۰۲۳، هیدروژن سبز در تمام کشورهای فهرستشده در زیر، طبق Bloomberg New Energy Finance، گرانتر از گاز طبیعی بود. و اختلاف قیمت به طور قابل توجهی در مناطقی که قیمت گاز طبیعی پایین و/یا هزینه انرژی تجدیدپذیر و الکترولیزورها بالا است، بیشتر است.
هزینههای متوسط هیدروژن سبز در مقایسه با قیمتهای گاز طبیعی در کشورهای منتخب
2023, $/MMBtu
- منبع: Bloomberg New Energy Finance
چشمانداز هزینه هیدروژن سبز ممکن است در میانمدت تا بلندمدت به طور قابل توجهی بهبود یابد، با احتمال اینکه کمترین هزینه هیدروژن سبز ممکن است تا حدود سال ۲۰۳۰ زیر کمترین هزینه هیدروژن خاکستری روند پیدا کند. مشوقهای سیاستی که توسط بسیاری از دولتها اجرا میشوند نیز میتوانند رقابتپذیری هزینه را افزایش دهند.
هزینه متوسط انواع مختلف هیدروژن در مقایسه با قیمتهای گاز طبیعی
دلار/MMBtu، بر اساس دادههای بیش از ۲۰ کشور
- منبع: Bloomberg New Energy Finance، تحقیقات ING
برای اینکه هیدروژن سریعتر توسعه یابد، زیرساختهای حمل و نقل آن — خطوط لوله، کامیونهای مناسب، کشتیها، یا ترکیبی از همه آنها — نیاز به تقویت قابل توجهی دارند.
امروزه، استفاده از هیدروژن برای کربنزدایی تولید در آلومینیوم کمتر از صنایع دیگر مصرفکننده انرژی دیده میشود. هیدرو در سال ۲۰۲۳ اولین دسته آلومینیوم جهان را در آزمایشی با هیدروژن تجدیدپذیر تولید کرد و از آنجا که آلومینیوم از ضایعات پسمصرف تولید شد، فرآیند تولید در اصل بدون کربن بود. میتوان امید داشت که چنین کاربردهایی با بلوغ صنعت هیدروژن گستردهتر شوند.
جایگزینهای هیدروژن: بیوفیولها و الکتریفیکاسیون
شایان ذکر است که فناوریهای رقیب میتوانند به عنوان جایگزینی برای هیدروژن عمل کنند. اینها شامل بیوفیولها، که میتوانند برای سوختن استفاده شوند، و الکتریفیکاسیون، که اساساً فرآیند سوختن را حذف میکند.
در میان بیوفیولها، گاز طبیعی تجدیدپذیر (RNG یا بیومتان) میتواند جایگزین گاز طبیعی فسیلی شود. و به دلیل اینکه RNG دارای همان ترکیب شیمیایی گاز طبیعی است، میتواند به عنوان یک سوخت «درونریزی» خدمت کند که نیاز به بازسازی زیرساخت کم دارد. اما همانطور که بسیاری از گزینههای انرژی پاک دیگر، قیمت RNG به طور قابل مشاهدهای بالاتر از گاز طبیعی است، به ویژه در مناطقی که قیمت گاز طبیعی پایین است. پذیرش RNG در صنعت آلومینیوم، بنابراین، پایین است و به حمایتهای سیاستی برای گسترش متکی خواهد بود.
در مورد الکتریفیکاسیون، برخی تحقیقات نشان میدهند که جایگزین کردن کورههای سنتی با کورههای الکتریکی میتواند مقرون به صرفهتر از سوختن هیدروژن در فرآیندهای حرارتی کم تا متوسط تصفیه در تولید آلومینیوم باشد. برای فرآیندهای حرارتی بالا در طی تصفیه، سوختهای پاک مانند هیدروژن گزینهای مناسبتر خواهند بود، با توجه به سطح دما و انرژی مورد نیاز.
جذب و ذخیرهسازی کربن
در نهایت، CCS یک فناوری نوظهور است که میتواند به صنعت آلومینیوم کمک کند تا کربنزدایی شود. CCS میتواند انتشار کربن را از دو بخش تولید آلومینیوم کاهش دهد:
- CO₂ تولید شده از گرمایش صنعتی و فرآیند
- CO₂ تولید شده در طول فرآیند الکترولیز زمانی که اکسید آلومینیوم با آنودهای کربنی واکنش میدهد
اگرچه فناوریهای CCS مدت طولانی وجود داشتهاند و به قابلیت تجاری رسیدهاند، اما کاربرد آنها در صنعت آلومینیوم بسیار نوپا است و با چالشهای خاص بخش مواجه است. در سال ۲۰۲۲، آلومینیوم بحرین (Alba) و صنایع سنگین میتسوبیشی یادداشت تفاهمی را امضا کردند تا بررسی کنند چگونه از فناوریهای CCS برای کاهش انتشار از کارخانههای Alba استفاده کنند، اما از آن زمان نتیجهای ملموس اعلام نشده است. اخیراً، Fives، یک گروه مهندسی صنعتی، کنسرسیومی با Aluminum Dunkerque، Trimet و Rio Tinto راهاندازی کرد تا راهحلهای CCS را توسعه دهد. هیدرو نیز اعلام کرد که قصد دارد CCS را در تولید آلومینیوم بررسی کند اما انتظار دارد تا سال ۲۰۳۰ یک آزمایش در مقیاس صنعتی توسعه دهد.
هزینه بالای اعمال فناوری به الکترولیز
بزرگترین چالش برای پذیرش CCS در تولید آلومینیوم، هزینه بالای اعمال فناوری به الکترولیز است. ابتدا، برای هر صنعت، به کارگیری CCS نیاز به هزینههای اولیه بالایی دارد که بدون مشوقهای سیاستی یا سایر جریانهای درآمدی مانند فروش کربن جذب شده، بازیابی آن دشوار است. برای الکترولیز آلومینیوم به طور خاص، هزینههای جذب میتواند حتی بالاتر باشد. یک عامل اصلی تعیینکننده هزینه جذب، فشار جزئی CO₂ در جریان گاز دودکش در نقطه منبع انتشار است، که مستقیماً با غلظت CO₂ مرتبط است: هرچه غلظت CO₂ بالاتر باشد، فشار جزئی آن بالاتر است و هزینه جذب به ازای هر تن پایینتر میباشد.
کورههای آلومینیوم یکی از کمترین فشارهای جزئی کربن در میان اکثر بخشها دارند. این امر هزینه جذب در کورههای آلومینیوم را بالا میبرد، احتمالاً دو تا چهار برابر هزینه CCS در تولید آهن و فولاد و تقریباً ۲۵ برابر هزینه در فرآوری گاز طبیعی، کود و تولید بیواتانول است. چنین هزینه بالای جذب CO₂ از کورهها، آنودهای بیاثر را به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده مطرح میکند، زیرا هدف آنها دستیابی به همان اثر است.
هزینه CCS در انواع مختلف فرآیندهای برق و صنعتی
به جز فشردهسازی CO₂ پاییندستی
دلار ۲۰۲۰ به ازای هر تن CO₂
- منبع: تخمینهای تحقیقات ING بر اساس موسسه جهانی CCS
با این حال، هزینه بالای هر واحد CCS تنها برای جذب CO₂ از کورهها اعمال میشود. هزینه برای تصفیه و گرمایش در بقیه فرآیند تولید بسیار کمتر است، در سطح قابل مقایسه با کاربردها در بسیاری از صنایع دیگر. این نشان میدهد که CCS هنوز میتواند پتانسیل خوبی برای کربنزدایی تولید آلومینیوم داشته باشد، فقط نه برای بخش الکترولیز در کوتاهمدت تا میانمدت.
چالشهای پیش رو
کاهش انتشار برای یک صنعت مصرفکننده انرژی مانند آلومینیوم چالشبرانگیز است، اما تلاشهایی در جریان است. شایان ذکر است که سادهترین روش تغییر به منابع برق پاک مانند هیدرو، خورشید، باد و انرژی هستهای میتواند به طور تقریبی ۷۵٪ کاهش انتشارهای صنعت را به صورت جهانی به همراه داشته باشد.
کاهش انتشارهای مستقیم از فرآیند تولید نیز مهم است، اگرچه بسیاری از فناوریهای ممکن، مانند هیدروژن و CCS، هنوز پرهزینه برای پیادهسازی هستند. اگرچه مصرفکنندگان آلومینیوم اکنون بیشتر به مدیریت انتشارهای Scope 3 علاقمند هستند، قیمت بالای آلومینیوم سبز مانع از رشد سریعتر تقاضا میشود. این بدان معنی است که سرمایهگذاری قابل توجهی برای تامین مالی تحقیقات و توسعه و بهبود زیرساختها لازم است.
سیاستهای دولتی برای تحقق این امر حیاتی است، چه به صورت مشوقهای مالی برای تولید آلومینیوم پاک، قیمتگذاری کربن، ابتکارات برای مراکز تولید آلومینیوم پاک یا روشهای دیگر. در مقالات آینده، مورد کسب و کار این فناوریها و سیاستها را بررسی خواهیم کرد.
ترجمه از : https://think.ing.com/articles/green-aluminum-article-2-aluminium-goes-green-what-can-be-done-to-cut-emissions
نسخه اصل مقاله:
بدون دیدگاه