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鋁工業應對氣候變化的新進展

媒體:新浪  作者:Grandfield
專業號:張方譯 2020/4/27 21:55:28

氣候變化使鋁冶煉的溫室氣體排放成為人們關注的一個焦點。鋁工業其它重要的可持續性議題還包括赤泥庫的完整性和安全性、廢物處理(廢槽襯、浮渣等)、耗水量、工作條件、生物多樣性等。在這篇文章中,我們將回顧過去減少溫室氣體排放的工作,以及行業內圍繞“綠色”低碳鋁營銷和認證的最新趨勢。在澳大利亞能源政策的背景下,討論了利用太陽能分解水來獲取氫氣替代化石燃料發電的前景。

生命周期分析

生命周期分析(LCA)是應用于許多行業的可持續性評估的重要工具。30多年來,鋁工業一直在評估其溫室氣體排放量,許多公司、行業協會和大學對不同冶煉廠和技術的排放量進行了從搖籃到大門的生命周期研究和計算。例如,Keniry1、國際鋁業協會(IAI)2-3與Mahadevan研究了印度的工業排放;Zhang4等人對中國的鋁冶煉廠進行了研究;麥格理大學(MacquarieUniversity)的研究(2019)6;以及Kvande和Welch7在2018年對盡量減少二氧化碳排放的步驟進行的深入分析。美國鋁業協會已經對鋁的生產和終端應用進行了從搖籃到搖籃的LCA研究,時間跨度從1993年至今,涉及鋁的應用領域汽車、飲料容器等。他們對原鋁產業的最新分析是在2013年,當時他們更新了生命周期清單(LCI)數據庫。LCI是生命周期分析評價的一部分,涉及產品的單位投入和產出的匯總,包括一次資源開采、制造、分銷、使用和最終處置或回收。

溫室氣體排放一般分為以下3個方面:

范圍1-直接發生在作業現場的。

范圍2-使用外購電力、熱力、蒸汽所產生的間接溫室氣體排放。

范圍3-其它間接排放,如采購材料和燃料的提取和生產、公司不擁有或控制的車輛運輸有關的活動、范圍2以外的與電力有關的活動(如輸電和配電損耗)、外包活動及廢物處理等。

生命周期評價有時是針對單個工廠,有時是針對同一區域具有相似能源消費模式的工廠。盡管在核算排放時存在一些困難,主要是排放范圍和排放因子的不同,特別是隨著時間的推移,政府間氣候變化專門委員會((IPCC)的評估報告修改了用于確定每項活動的二氧化碳排放量的溫室效應潛能值(GWPs),但各方對所取得的結果仍有合理的共識。ISO標準14040和14044規定了這種方法。生命周期評價方法已與世界資源研究所(WRI)和世界可持續發展商業理事會(WBCSD)的溫室氣體議定書相結合。

通常,溫室氣體排放要包括現場直接排放(范圍1)和廠外間接排放(范圍2,特別是發電)。其它外地排放量(范圍3)包括與材料輸入有關的排放,即氧化鋁、鋁土礦、石油焦和瀝青(2022, -8.00, -0.39%)生產中的排放。報告的二氧化碳排放量中,包括哪些項目并非總是清晰的。到目前為止,最大的排放源是電力生產。以煤為動力的冶煉廠的噸鋁碳排放約為15-20噸,而使用100%水電的地區噸鋁碳排放小于4噸(范圍1、2和3)。許多使用燃煤發電的鋁冶煉廠都分布在中國,因此原鋁近70%的工業排放源于中國。

在冶煉廠生命周期評價中,往往忽略了鑄造過程的排放。然而,它們確實對碳的總負荷量有貢獻,特別是對于含鎂和硅高的合金產品,它們的碳足跡更高些,噸鋁排放約為20噸8。

氧化鋁生產過程中的排放量各不相同。一個研究報告稱,每噸氧化鋁的二氧化碳排放量為1.2噸,或每噸原鋁中氧化鋁的二氧化碳排放量為2.3噸。Kvande和Welch4根據鋁協會的數據得出每噸鋁的平均排放量為1.5噸。澳大利亞鋁協(Australian Aluminium Council)估計,澳大利亞冶煉廠每噸氧化鋁的二氧化碳排放量為0.7噸(折合噸鋁1.3噸)。與其它投入相比,鋁土礦開采的溫室氣體排放量很小。根據工藝和實踐,煅后石油焦噸鋁二氧化碳排放量約為0.4噸。

如何減少排放

Kvande和Welch的論文研究了排放的來源以及如何減少排放。其中包括降低電耗、降低碳耗、降低壓降、提高鑄造能效、使用更高電流的電解槽、實施更好的電解槽MHD和總線設計,以及改進電解槽控制以降低陽極效應。解決這些問題,使整個行業的能源效率得到了很好的提高(圖4)。一些在試驗中的技術顯示,能將電耗降到低于12000kwh/t。

全氟碳化合物(PFCs),尤其是CF4和C2F2在電解槽的陽極效應期間被釋放。這些氣體具有很高的全球變暖潛力。減少陽極效應的工作導致全行業PFC排放強度大幅降低,噸鋁二氧化碳排放從5噸降至0.6噸(自1990年以來減少了90%)。有關PFC排放的更多詳情,請參閱A.Tabereaux9和Wong和Welch10的研究。IAI今年公布了其2018年陽極效應調查結果。絕對排放量已從每年1億噸降至2018年的3600萬噸。最佳案例現在為噸鋁排放0.06噸二氧化碳6。

惰性陽極

許多研發實踐活動和投資已經投向于惰性陽極技術,這是131年前首次提出的想法。主要項目已在俄羅斯、挪威、中國、北美和其它國家得以開展11。Elysis是力拓和美鋁共同開發惰性陽極技術的合資企業。2019年12月,他們將用這一工藝生產的首批鋁運往合作伙伴蘋果(9161, 651.00, 7.65%)公司。新聞稿將其描述為無碳熔煉技術,消除了所有直接溫室氣體。這一數字似乎沒有考慮到范圍3的排放量,如氧化鋁。該假設還認為電力來自水力發電。然而,盡管蘋果公司是一家知名度很高的客戶,但進入電子行業的實際鋁金屬量在全球鋁需求中所占比例很小,不到1%。

至于惰性陽極是否是一種可行的解決方案,問題仍然存在。例如,有人指出,惰性陽極比碳陽極具有更高的理論能量要求12,因為它們不利用儲存在碳中的電化學能量。對于使用煤電的鋁廠來說,這意味著溫室氣體的排放量比使用碳陽極要大。惰性陽極電解槽,如采用煤電并不比炭陽極環保,它比炭陽極排放的CO2還要多;采用氣電兩者排放的CO2差別不大;只有在采用水電等清潔能源的情況下惰性陽極才比炭陽極環保,排放的CO2要少一些。如果使用惰性陽極的冶煉廠從以煤電為主的的電網的接入電力,并說自己是在消耗水電,那么這個冶煉廠基本上是在剝奪水電的優勢,因為水電可能會在其它地方使用。

雖然惰性陽極是一個值得歡迎的改進技術,但有關惰性陽極的許多其它問題仍有待解答,例如陽極材料的可用性。目前,已經有木炭作為石油焦的一種碳中和替代品的研究,但還需要進一步的工作。

碳捕獲

碳捕獲和固存(CCS)也有可能減少霍爾-埃魯電解槽溫室氣體的排放。主要缺點是分離二氧化碳需要大約0.5kWh/kg的能量。即便如此,考慮到與更高的能源需求相關的二氧化碳排放量,CCS在理論上看起來比惰性陽極更有益。作為一種臨時解決方案,CCS可能在減少燃煤發電排放方面發揮作用。

霍爾-埃魯電解法的替代工藝

多年來,人們一直在研究傳統霍爾-埃魯的替代工藝和變體,如導流型陰極電解槽、碳熱還原和氯化鋁電解。就溫室氣體而言,它們可能比標準的霍爾-埃魯要好13。任何考慮氯化物工藝的人員,都應仔細研究氯化鎂電解生產鎂的歷史以及在該領域已經遇到的困難。

對排放量的最大潛在影響,是將該行業轉變為可再生能源,由于全球經濟體的水力資源大多已被開發利用,我們必須將太陽能視為可再生能源的主要來源。

可再生能源

鋁工業面臨的一個大問題是,當能源供應的變化非常劇烈時,如何利用可再生能源為冶煉廠供電。太陽能是這方面的重點之一,當然風能和地熱能也可能是可再生能源組合的一部分,核能顯然也是一種選擇。力拓目前正在20個地點安裝小型示范性可再生發電廠,但沒有一個是為鋁冶煉廠安裝的14。由于太陽能和電池技術的成本正在迅速下降,因此轉向太陽能將降低運營成本。據彭博新能源財經BloombergNEF預測,到2030年,在大多數地區,風能和太陽能將比煤炭或天然氣便宜。

解決可再生能源可變性的一種方法,是利用太陽能分解水,并在夜間循環中使用燃料電池中的氫。第一步可能是將太陽能產生的氫氣送入天然氣發電站。商用氫燃料燃氣輪機發電機現已上市。太陽能產生的氫能的排放量,將接近水力發電的排放量。

另一個機會是調整冶煉廠的電力消耗,使冶煉廠基本上作為電網中的電池,對可再生能源的變化做出快速反應。EnPot技術是由新西蘭Energia Potior有限公司開發的一種有利于提高冶煉廠調節能力的技術。與當前的電池系統相比,這種技術對電網穩定性的影響可能要大得多。

澳大利亞正在大力推廣氫18。澳大利亞聯邦政府已經承諾提供1.46億澳元。澳大利亞研究組織CSIRO有一個關于氨用于氫運輸技術的重大項目,其中包括澳大利亞和日本公司支持的氫能供應鏈(HESC),該項目是日本政府工業脫碳戰略的一部分。在這種情況下,使用褐煤,但該過程包括碳捕獲和封存。其它項目包括建設一個220千瓦的電解槽,該電解槽使用太陽能或電網可再生能源,以支持昆士蘭州政府的燃料電池電動車流。氫是鋼鐵生產中合適的還原劑,但不適用于鋁生產。

另一件需要考慮的事情是,與氧化鋁精煉相關的排放也需要處理,以達到零碳鋁。目前,似乎還沒有能夠利用可再生能源的煅燒爐。

可持續發展組織和認證

參與和推進可持續發展的組織很多。例如,CDP(即以前的碳信息披露項目)有3600家公司的溫室氣體數據,可供購買。其它機構包括世界資源研究所(WRI)和世界可持續發展工商理事會(WBCSD)。

使用低碳排放電力生產的綜合性鋁業公司,正在努力展現低碳優勢,他們在市場上將其鋁金屬區歸為低碳排放的“綠色”鋁。對外聲稱你有低碳可持續經營是一回事,但并非所有這些說法都是經過獨立評估或核實的。為了支持他們的主張,很多公司正在積極加入并響應鋁業管理倡議(ASI),并獲得對其公司績效和流程的認證。ASI是一個全球性的多利益相關方公益組織,致力于制定標準和認證,以促進整個鋁供應鏈(從礦山到鋁的下游用戶)的負責任生產、采購和材料管理。ASI有兩個標準,ASI績效標準定義了治理、環境和社會要求,ASI監管鏈標準規定了使用質量平衡模型監測整個鋁價值鏈中ASI鋁的采購和生產的要求。全球可持續發展標準聯盟ISEAL是一個全球成員組織,致力于制定可靠的可持續發展標準,ASI于2018年12月成為ISEAL的準成員,并于2019年12月成為正式成員。

生產鋁土礦、氧化鋁或鋁金屬(無論是原鋁還是再生鋁)或在其產品中使用鋁(例如用于包裝、汽車等)的公司,須在加入ASI兩年內至少有一個設施符合ASI績效標準,以維持成員資格。

對ASI標準的認證,獨立地驗證了鋁產業鏈企業可持續性實踐的水平。這類認證計劃已適用于其它商品,如林業、無沖突礦產中的鉆石、鎢、鉭、鈷等。倫敦金屬交易所正在根據經合組織的采購標準,實施倫敦金屬交易所金屬的監管鏈標準。

ASI性績效標準包括對現有鋁冶煉廠溫室氣體排放的若干要求,主要內容如下:

應每年說明并公開披露實質性的溫室氣體排放和各種能源使用情況。

實體應制定有時限的減排目標,并實施可實現這些目標的計劃。目標應涵蓋最重要的直接和間接的排放源。

證明他們已經落實了必要的管理體系、評估程序和運營控制,以限制直接的溫室氣體排放。

在2020年或之前開始生產的電解鋁廠,它們在生產鋁時范圍1和范圍2溫室氣體排放水平應控制在每噸鋁排放低于8噸二氧化碳當量,并在在2030年或更早達到這一目標。

對2020年以后開始生產的電解鋁廠,它們在生產鋁時范圍1和范圍2溫室氣體排放水平應控制在每噸鋁排放低于8噸二氧化碳當量。

為保持實體間的一致性,須采用國際鋁協會的方法或與其一致的方法進行溫室氣體核算。有關陽極生產、發電、冶煉(電解)和熔鑄的排放,必須都包含在計算中,不管它們是直接或間接的排放源。換言之,有關陽極生產和熔鑄的排放,必須納入計算范圍,即使它們屬于范圍3下的排放定義。

ASI績效標準沒有規定用于確定溫室氣體排放或如何設定減排目標的方法,但支持指導文件指的是現有的方法,如WRI和WBCSD的溫室氣體排放協議。注意,范圍3的排放,特別是與氧化鋁和鋁土礦生產關聯的排放,不包括在8噸CO2/噸鋁的數據中。

噸鋁排放8噸二氧化碳的目標,約為目前全球平均值的一半,也是使用天然氣冶煉廠的一個延伸目標。這意味著,如果按照現有的工藝和技術并沒有大的變化,沒有一家任何使用燃煤電廠電能的鋁冶煉廠,能夠在2030以后得到認證。因為將煤炭GHG排放量提高到這一水平將是非常困難的。然而,燃煤供電的冶煉廠目前約占所有冶煉廠的60%。特別是,中國冶煉能力的快速增長主要是以煤為主。中國的冶煉廠90%是燃煤的,10%是水力發電的17。同樣,印度的冶煉廠完全依靠燃煤發電。

超過8t CO2/t鋁的GHG排放目標的公司,如果他們聲明并能夠向其獨立的ASI審核員證明他們的排放量在2030年之前將低于8t/t,則仍然可以獲得認證。然而,ASI績效標準并不要求公司詳細公開披露他們將如何滿足這一要求。要求企業公布有時限的溫室氣體減排目標,并實施實現這些目標的計劃,但報告進展情況并非強制性的。

可以理解的是,對于ASI的公開披露要求存在一些敏感問題。企業可能不愿意分享所有細節,因為有些信息與競爭優勢有關,例如每噸能源使用量或凈碳消耗量。在ASI網站上,審核報告和公開摘要可用于描述范圍等。在這些報告中,有指向公司文件的鏈接,如提供標題編號的可持續性報告。例如,阿聯酋環球鋁業(已獲得ASI認證)的報告稱,“2018年,我們冶煉、鑄造和電力生產的溫室氣體強度為歷史最低值,為噸鋁7.93噸二氧化碳(超過了我們2018年7.97噸的目標)。”

下游企業要想獲得認證,就必須使用經過認證的原材料作為投入。中國的生產和加工企業,已經并希望獲得認證,可能需要進口ASI認證的金屬,以滿足標準,因為還沒有中國的主要生產商獲得認證(雖然即將有一個認證的公告)。

中國的水電鋁冶煉廠將很容易達到8t/t鋁的目標,有跡象表明,中國鋁冶煉廠正開始從煤電向水電轉移。宏橋集團、中國鋁業、云南鋁業、其亞金屬、河南神火等正在云南水電豐富地區建造運營鋁冶煉廠。云南共有7家冶煉廠正在使用水電。另外還有多家鋁冶煉廠,在云南以外地區以水電鋁運營,它們是漢江丹江口鋁業、國電黃河水電(青海)、阿壩鋁廠(博塞)等。目前中國使用水電冶煉廠的總產能約為280萬噸/年。轉向水力發電的主要動力是降低成本。

國際鋁協估計,云南的電網的發電排放為0.24千克CO2/千瓦時的電力,以此測算噸鋁用電排放約3.24噸二氧化碳,而中國電力平均碳排放水平為0.92千克CO2/千瓦,以此測算噸鋁用電排放約12.4噸二氧化碳。而煤電鋁碳排放則更高于這個數值。由于產能指標有限,中國大多數生產商在不關閉工廠的情況下無法通過產能置換建立新的產能,因此云南的鋁廠取代了山東等省份的老煤電鋁冶煉廠。這種趨勢可能會繼續下去,并導致整個鋁行業溫室氣體的減少。

目前,ASI正計劃對其標準和認證計劃進行全面修訂。標準修訂將從2020年開始,為期兩年,包括ASI績效標準和監管鏈標準以及支持性指南、保證手冊和聲明指南。有關溫室氣體排放的修訂范圍尚未確定。

市場態度

客戶是否更喜歡從經認證的可持續來源獲取材料?他們會為此支付更多的錢嗎?在這個階段,沒有直接的證據表明下游公司會為綠色金屬支付額外的費用。然而,如果綠色材料的價格與未經認證的材料的價格相同,則可以明顯的預期綠色材料將是首選材料。市場上主要金屬鋁的綠色品牌包括俄鋁的ALLOW、海德魯的REDUXA、力拓的RenewAl和美鋁的Sustana。再生鋁含量達~75%的再生鋁品牌,包括海德魯的75R等合金也已經投放市場。其中一些綠色品牌是ASI認證的。有些是由其它機構認證的,例如DNV GL。面向蘋果公司這樣的知名客戶進行營銷也是這種綠色形象的一部分。低碳和ASI認證材料的數量仍然是總產量的一小部分。因此,在必要的條件下,客戶將不得不在一段時間內繼續使用部分非認證材料。

汽車業是鋁的一個備受矚目的市場領域,但迄今為止,還沒有明顯舉措顯示出對可持續材料的強烈偏好,但是包裝行業已經顯示出這種意愿和行動。多個鋁工業協會的研究標明,要強調的重點是,通過在運輸中使用鋁來節省燃料,從而抵消鋁冶煉過程中的排放。

俄鋁的母公司EN+建議所有生產商都應報告其二氧化碳排放量和能源效率18。許多公司已經編制了包含二氧化碳排放量數據的可持續性報告。對于那些不這樣實施的企業而言,相關方估計他們的排放量也是相對容易的,因為各企業電力資源狀況是已知的,并且可以對陽極碳素等典型要素的工業績效進行估算。因此,買家就可以自己評估特定供應商的綠色績效。

結論

目前,全球應對氣候變化的行動已經處于缺乏良好組織的混亂狀態。但盡管如此,仍有一些積極的變化和影響一直在發生,比如煤炭排放增長進入平臺期、可再生能源的增長、對交通運輸輕量化的重視以及對電動汽車(EV)興趣的增加等方面,。近年來,歐盟和北美一直在以絕對值和人均值來減少排放量(圖5)。然而,中國和印度增加的排放總量的確超過了這些減排量。

和所有材料一樣,權衡之下,鋁必須對社會和環境有凈效益。鋁無疑能夠為交通運輸業提供綠色解決方案,節省燃料,減少二氧化碳排放。即便使用高碳的煤電鋁,在ICE(內燃機車型)車行駛10萬公里后,其排放量也能比原鋁生產過程中的排放量減少很多,輕量化減排的貢獻就顯現出來了。而對于電動汽車,鋁也增加了營運里程,提高了能源效率。

此外,該行業將繼續在電解槽控制、MHD設計、凈碳和比能耗方面做出改進,但鋁行業要想對將氣候變化變暖控制在2℃以下的目標做出積極貢獻,仍需要做更多的工作。該行業必須啟動試點項目,研究如何利用可再生能源運營鋁冶煉廠。

從更廣泛的角度來看,鋁行業二氧化碳排放量減少的最大驅動力,是行業自身的生存。該行業面臨著限制能源和排放強度的法規以及碳稅實施的風險。任何費用的附加(如碳定價)是否足以激勵鋁業公司在短期內大幅減少二氧化碳排放,仍然值得懷疑。相反,市場和市場份額的差異化似乎是一個更大的激勵因素。降低能源強度、全氟化碳排放量、凈碳排放量等,也有實實在在降低成本的附加效益,這直接影響到公司的運營成本線,本身也是一種強烈的激勵。同樣重要的一點是,如果價格保持不變,將鋁產品作為“綠色”產品進行營銷,只能是一個賣點。如果“綠色”材料的價格上漲,而且供應仍然有限,那么它可能會促使客戶購買高碳材料。而這不是期待的結果。

在目前這個起步階段,很難確定說ASI認證已經可以減少鋁工業的溫室氣體排放。不過,這種情況可能會在逐步改變。使用天然氣和可再生能源的冶煉企業,只要有減排計劃,就能達到8t二氧化碳/噸的目標,并獲得認證。這是可能的,因為減少排放與降低成本是齊頭并進的,企業無論如何都需要這樣做??梢灶A見,鋁產業鏈的負責任生產的倡議將會對行業變革起到推進作用,包括中國和印度在內的大的鋁業公司都已經意識到這一點,在努力做出改變。

最后,應該指出的是,溫室氣體排放不僅僅是鋁工業的問題。全世界所有的工業都需要實現零碳排放。如果我們想有一個可持續的未來,那么我們現在就需要付之以行動。

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