鋁行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展分析

鋁是世界上僅次于鋼鐵的第二重要金屬，在航空航天、汽車(chē)制造、建筑材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鋁行業(yè)占我國(guó)有色行業(yè)碳排放總量的85%，是有色行業(yè)碳減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。2024年3月25日，美國(guó)政府宣布美國(guó)歷史上最大的工業(yè)脫碳投資，其中向鋁行業(yè)的投資超過(guò)6.5億美元，以振興美國(guó)原鋁行業(yè)并促進(jìn)行業(yè)脫碳。本文梳理國(guó)際智庫(kù)和主要國(guó)家鋁行業(yè)低碳發(fā)展報(bào)告，總結(jié)鋁行業(yè)減排的路徑，分析關(guān)鍵低碳技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

一、鋁行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)

自2021年以來(lái)，國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)、可行使命伙伴關(guān)系（MPP）、美國(guó)、歐洲、加拿大、日本、中國(guó)等國(guó)家（地區(qū)）有色金屬或鋁業(yè)協(xié)會(huì)、等發(fā)布了多份鋁行業(yè)低碳技術(shù)發(fā)展研究報(bào)告，如國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)（IAI）于2021年發(fā)布《2050年鋁業(yè)溫室氣體排放路徑》報(bào)告，指出鋁行業(yè)減排路徑；2023年9月，美國(guó)、歐洲、加拿大、日本等鋁業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布《鋁供應(yīng)鏈邁向溫室氣體凈零排放路徑和全球公平市場(chǎng)：優(yōu)先行動(dòng)領(lǐng)域》等。從上述報(bào)告內(nèi)容可以總結(jié)出鋁行業(yè)碳減排的三種主要路徑，分別為：電力脫碳、減少過(guò)程直接排放、廢鋁循環(huán)利用。

（1）電力脫碳。原鋁生產(chǎn)是一種電能密集型工業(yè)過(guò)程，提高低排放電力生產(chǎn)鋁的比例是當(dāng)務(wù)之急，也是短期內(nèi)最大的潛在減排途徑。2022年鋁行業(yè)電解產(chǎn)生的溫室氣體占鋁行業(yè)排放總量的約71%^[1]。另外，該行業(yè)全球消耗的電力中約有55%是由生產(chǎn)商自備和自營(yíng)的發(fā)電廠滿足，而不是從電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)的，尤其是在亞洲（中國(guó)約65%，亞洲其他地區(qū)95%）^[2]。因此，電力脫碳結(jié)合碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)的部署將是鋁冶煉廠最重要的減排措施，尤其是擁有自身發(fā)電能力的冶煉廠。其中可再生能源發(fā)電、氫能發(fā)電已實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用或示范，CCUS技術(shù)則處于示范階段。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）2050凈零排放情景，到2030年鋁行業(yè)電力結(jié)構(gòu)的排放強(qiáng)度將需要從目前的水平下降約60%^[3]。

（2）減少過(guò)程直接排放。鋁業(yè)中非電力相關(guān)排放的主要來(lái)源是燃料燃燒、冶煉廠陽(yáng)極消耗、輔助原料和運(yùn)輸?shù)取Ｔ贗EA 2050凈零排放情景中，到2030年鋁行業(yè)直接碳排放總量相對(duì)于目前需下降約18%，降至約2.2億噸二氧化碳^[4]。2022年用以供給熱量和蒸汽的燃料燃燒所導(dǎo)致的排放量占該行業(yè)排放總量的16%，主要集中在氧化鋁精煉過(guò)程，該過(guò)程的低碳變革性技術(shù)主要包括機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)、氫煅燒與電煅燒等技術(shù)。與傳統(tǒng)鍋爐相比，機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)可減少95%排放。目前該技術(shù)處于商業(yè)示范階段，在大規(guī)模部署之前，還需要進(jìn)一步的研發(fā)工作以適應(yīng)氧化鋁精煉過(guò)程，預(yù)計(jì)從2027年起有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署^[5]。氫煅燒和電煅燒是降低氧化鋁煅燒過(guò)程碳排放的主要途徑，這些煅燒爐仍處于實(shí)驗(yàn)室發(fā)展階段，需要加大研發(fā)力度，電煅燒和氫煅燒有望于2030年/2035年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化^[6]。2022年陽(yáng)極消耗產(chǎn)生的溫室氣體排放約占鋁行業(yè)排放總量的6%，其中惰性陽(yáng)極由于幾乎無(wú)溫室氣體排放而受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，是鋁行業(yè)研究的重點(diǎn)。目前該技術(shù)處于商業(yè)化示范階段，由于需要改造現(xiàn)有的設(shè)備而導(dǎo)致大額前期投資，預(yù)計(jì)在2030年前無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)部署。IEA預(yù)測(cè)，到2030年惰性陽(yáng)極生產(chǎn)原鋁的占比為7%左右^[7]。

（3）循環(huán)利用與資源效率。根據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)研究，截至2050年，通過(guò)對(duì)100%的鋁回收、改進(jìn)廢料分類、消除對(duì)消費(fèi)前廢料和金屬的損耗，可將原鋁需求降低20%。這將在2050年額外減少3億噸絕對(duì)二氧化碳當(dāng)量的排放，與減少直接排放的影響程度相當(dāng)。在IEA 2050凈零排放情景中，到2030年二次生產(chǎn)將擴(kuò)大到鋁產(chǎn)量的40%以上^[8]。雖然目前該技術(shù)發(fā)展較為成熟并已在美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模部署，但是仍面臨著由于廢鋁合金雜質(zhì)元素含量高而被降級(jí)利用的問(wèn)題，亟需開(kāi)發(fā)新技術(shù)以最大程度發(fā)揮廢鋁的價(jià)值，如雜質(zhì)元素去除技術(shù)、雜質(zhì)元素?zé)o害化加工技術(shù)以及固態(tài)再生鋁電解技術(shù)等。

二、鋁行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

惰性陽(yáng)極、提高廢鋁回收率與循環(huán)利用等是未來(lái)鋁工業(yè)持續(xù)低碳化發(fā)展并實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，研究人員開(kāi)展了相關(guān)研究并取得一些進(jìn)展。

（1）開(kāi)發(fā)耐腐蝕、抗熱震性、高化學(xué)穩(wěn)定性以及易加工的惰性陽(yáng)極是未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)。目前惰性陽(yáng)極研究主要集中在金屬惰性陽(yáng)極、陶瓷惰性陽(yáng)極和金屬陶瓷復(fù)合惰性陽(yáng)極。其中金屬惰性陽(yáng)極材料研究主要集中在Cu-Al、Ni-Fe和Cu-Ni-Fe等金屬合金；陶瓷惰性陽(yáng)極材料研究主要集中在SnO₂基、NiFe₂O₄基等陶瓷材料；金屬陶瓷復(fù)合惰性陽(yáng)極材料研究主要集中在M/NiFe₂O₄（M為金屬相，Cu、Ni、Fe 或它們的二元/三元合金等）、Cu/Cu₂O金屬陶瓷等材料。但目前上述惰性陽(yáng)極仍面臨著不同的問(wèn)題，如金屬惰性陽(yáng)極耐腐蝕性差；陶瓷電極的導(dǎo)電性差、抗熱震性差、力學(xué)性能與焊接性能不佳等問(wèn)題^[9]；金屬陶瓷復(fù)合惰性陽(yáng)極目前仍處于如何實(shí)現(xiàn)金屬與陶瓷性能最佳平衡狀態(tài)，有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)每種組成材料的弱點(diǎn)以及加工性差等問(wèn)題。因此需要進(jìn)一步優(yōu)化上述惰性電極的性能以解決面臨的問(wèn)題或開(kāi)發(fā)新型惰性陽(yáng)極。2023年9月，東北大學(xué)首次提出采用氬等離子體作為電解鋁的惰性陽(yáng)極^[10]。研究結(jié)果表明，采用氬等離子體作為惰性陽(yáng)極可以消除鋁電解中典型惰性陽(yáng)極普遍存在的缺點(diǎn)，如高溫抗氧化、耐氟熔鹽腐蝕和可加工性問(wèn)題，其在化學(xué)穩(wěn)定性、抗熱震性、成本以及操作等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為惰性陽(yáng)極的發(fā)展提供了新的思路。

（2）降低廢鋁中雜質(zhì)含量提高廢鋁資源利用價(jià)值。為解決廢鋁因含雜質(zhì)而被降級(jí)利用問(wèn)題，研究人員開(kāi)展了雜質(zhì)去除相關(guān)研究。2023年8月，美國(guó)節(jié)能和減排研究所宣布了一項(xiàng)鋁工業(yè)新技術(shù)許可，其能夠從回收鋁的熔體中去除金屬雜質(zhì)，從而提高鋁的質(zhì)量，并使再生鋁能夠用于更多樣化的應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車(chē)制造。由于該項(xiàng)技術(shù)正在申請(qǐng)專利，具體技術(shù)細(xì)節(jié)暫處于保密狀態(tài)^[11]。2023年11月，北京科技大學(xué)研制出了航空航天鋁廢料的可持續(xù)回收創(chuàng)新工藝。研究發(fā)現(xiàn)，氬氣泡漂浮工藝可以吸附夾雜物和氫氣，獲得航空級(jí)超潔凈熔體^[12]。

三、鋁行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)2024年2月發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示^[13]，2022年在全球鋁產(chǎn)量有所增長(zhǎng)的情況下，全球鋁行業(yè)的溫室氣體排放總量首次出現(xiàn)下降。2022年全球鋁產(chǎn)量增長(zhǎng)了3.9%，從1.041億噸增長(zhǎng)到1.082億噸。但鋁行業(yè)的溫室氣體排放總量卻從11.3億噸二氧化碳當(dāng)量下降到11.11億噸二氧化碳當(dāng)量，且原鋁排放強(qiáng)度降幅大于產(chǎn)量增幅。這是鋁行業(yè)在研究、開(kāi)發(fā)和實(shí)施新技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)以及能源供應(yīng)變化方面進(jìn)行大量投資并不斷取得進(jìn)展的結(jié)果。

（1）清潔能源正在為鋁行業(yè)電力脫碳提供解決方案

水電供電已在鋁行業(yè)得到成功應(yīng)用，從2022年原鋁冶煉廠使用的電力來(lái)源百分比^[14]（表2）來(lái)看，在歐洲、北美洲和南美洲，水電供應(yīng)了鋁業(yè)80%以上的電力，北美的水電比例更是高達(dá)近96%。除水電外，鋁企業(yè)也正在積極推進(jìn)氫能、太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電。巴林鋁業(yè)（Alba）正在進(jìn)行氫氣發(fā)電的自備電站（第五電站第四電力綜合體項(xiàng)目）項(xiàng)目，項(xiàng)目采用三菱電力M701JAC燃?xì)廨啓C(jī)，該燃?xì)廨啓C(jī)是世界上第一臺(tái)專門(mén)為原鋁冶煉廠制造的，是風(fēng)冷J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能力為680.9兆瓦。該項(xiàng)目計(jì)劃于2024年第四季度投入運(yùn)營(yíng)，第五電站總產(chǎn)能將從1800兆瓦提升至2481兆瓦，并降低溫室氣體排放濃度0.5噸/噸鋁^[15]。此外，太陽(yáng)能在鋁生產(chǎn)也已得到應(yīng)用。2024年3月，全球最大氧化鋁廠海德魯Alunote開(kāi)始轉(zhuǎn)換使用太陽(yáng)能電力，該太陽(yáng)能電力由海德魯、Equinor和Scatec在巴西北里奧格蘭德州的Mendubim太陽(yáng)能發(fā)電廠提供，該電廠的裝機(jī)容量為531兆瓦^[16]。

（2）通過(guò)惰性陽(yáng)極技術(shù)生產(chǎn)的鋁得到用鋁企業(yè)認(rèn)可，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大

目前全球已研發(fā)成功的惰性陽(yáng)極鋁電解技術(shù)主要包括Elysis公司的Elysis?技術(shù)、俄羅斯鋁業(yè)的惰性陽(yáng)極工藝、海德魯鋁業(yè)的Halzero工藝。由美國(guó)鋁業(yè)和力拓集團(tuán)共同合資的Elysis公司于2019年采用惰性陽(yáng)極首次成功生產(chǎn)無(wú)碳鋁，并用于智能手機(jī)、汽車(chē)和飲料罐等^[18]，近期電纜制造商耐克森采用此突破性技術(shù)生產(chǎn)了低碳鋁線桿^[19]。俄羅斯鋁業(yè)于2021年4月通過(guò)采用惰性陽(yáng)極（由陶瓷或合金制成），生產(chǎn)出每噸鋁二氧化碳當(dāng)量低于0.01噸的高純鋁（鋁純度大于99%）并投放市場(chǎng)^[20][21]。海德魯自2016年以來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)惰性電極技術(shù)，2023年3月，海德魯宣布將建設(shè)一個(gè)由挪威政府支持的Halzero工藝測(cè)試設(shè)施^[22]，預(yù)計(jì)2025年建成并投入運(yùn)行，到2030年有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的試點(diǎn)^[23]。

（3）氧化鋁精煉過(guò)程正在進(jìn)行電、氫燃料替代應(yīng)用研究

巴西Alunote精煉廠于2022年安裝了一臺(tái)60兆瓦的電鍋爐，以提供工廠的部分蒸汽需求，這是全球已知的首次使用電鍋爐生產(chǎn)氧化鋁，并正在考慮再安裝兩臺(tái)，愛(ài)爾蘭也在示范類似的方案。美國(guó)鋁業(yè)公司正在澳大利亞氧化鋁精煉中試行電煅燒以取代化石燃料，此外其還在建造一個(gè)使用機(jī)械蒸汽再壓縮（一種熱泵）發(fā)電的設(shè)施，該設(shè)施將于2024年開(kāi)始運(yùn)行^[24]。力拓與澳大利亞可再生能源署（ARENA）于2021年開(kāi)始合作研究使用氫氣替代天然氣以減少氧化鋁精煉過(guò)程中的碳排放的可行性研究。2023年7月，力拓和住友開(kāi)始建設(shè)氫氣試點(diǎn)工廠，用于氧化鋁精煉過(guò)程用氫試驗(yàn)，該試驗(yàn)預(yù)計(jì)每年可生產(chǎn)約6000噸氧化鋁^[25]

（4）多家企業(yè)投資廢鋁回收工廠建設(shè)，擴(kuò)大廢鋁利用市場(chǎng)

2024年2月，海德魯宣布將投資1.8億歐元在西班牙新建一座鋁回收廠，該新回收工廠每年將產(chǎn)生12萬(wàn)噸低碳再生鋁，預(yù)計(jì)將于 2026 年開(kāi)始生產(chǎn)^[26]。2024年2月，美國(guó)MetalX和Manna Capital Partners公司計(jì)劃投資超過(guò) 2 億美元建設(shè)一個(gè)新的鋁回收?qǐng)@區(qū)。此外，美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的全廢鋁剪切輔助加工和擠壓工藝（ShAPE?）^[27]即將投入商業(yè)化應(yīng)用。2024年2月，PNNL宣布Atomic13公司與其簽署了將ShAPE?專利技術(shù)商業(yè)化的獨(dú)家協(xié)議。ShAPE技術(shù)可以將消費(fèi)后廢鋁100%轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的擠壓制品，產(chǎn)品碳含量降低90%。目前Atomic13正與擠壓行業(yè)的一家領(lǐng)先設(shè)備公司合作進(jìn)行第一條商業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，并與對(duì)建筑材料的可持續(xù)性和脫碳感興趣的建筑商進(jìn)行磋商，并計(jì)劃在2025年初之前接受產(chǎn)品訂單。

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[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]原鋁生產(chǎn)中使用的電力包括Hall-Héroult工藝（包括從交流電整流為直流電）和普通冶煉廠輔助設(shè)備（包括污染控制設(shè)備）電解所用的電力，直至從罐中取出液態(tài)鋁。它不包括用于鑄造和工廠的電力。

[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]含直接和間接排放

[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