鋁行業關鍵低碳技術研發與產業化進展分析

鋁是世界上僅次于鋼鐵的第二重要金屬，在航空航天、汽車制造、建筑材料等領域廣泛應用。鋁行業占我國有色行業碳排放總量的85%，是有色行業碳減排的重點領域。2024年3月25日，美國政府宣布美國歷史上最大的工業脫碳投資，其中向鋁行業的投資超過6.5億美元，以振興美國原鋁行業并促進行業脫碳。本文梳理國際智庫和主要國家鋁行業低碳發展報告，總結鋁行業減排的路徑，分析關鍵低碳技術研發及產業化進展。

一、鋁行業關鍵低碳技術

自2021年以來，國際鋁業協會、可行使命伙伴關系（MPP）、美國、歐洲、加拿大、日本、中國等國家（地區）有色金屬或鋁業協會、等發布了多份鋁行業低碳技術發展研究報告，如國際鋁業協會（IAI）于2021年發布《2050年鋁業溫室氣體排放路徑》報告，指出鋁行業減排路徑；2023年9月，美國、歐洲、加拿大、日本等鋁業協會聯合發布《鋁供應鏈邁向溫室氣體凈零排放路徑和全球公平市場：優先行動領域》等。從上述報告內容可以總結出鋁行業碳減排的三種主要路徑，分別為：電力脫碳、減少過程直接排放、廢鋁循環利用。

（1）電力脫碳。原鋁生產是一種電能密集型工業過程，提高低排放電力生產鋁的比例是當務之急，也是短期內最大的潛在減排途徑。2022年鋁行業電解產生的溫室氣體占鋁行業排放總量的約71%^[1]。另外，該行業全球消耗的電力中約有55%是由生產商自備和自營的發電廠滿足，而不是從電網購買的，尤其是在亞洲（中國約65%，亞洲其他地區95%）^[2]。因此，電力脫碳結合碳捕集、利用與封存（CCUS）技術的部署將是鋁冶煉廠最重要的減排措施，尤其是擁有自身發電能力的冶煉廠。其中可再生能源發電、氫能發電已實現商業應用或示范，CCUS技術則處于示范階段。根據國際能源署（IEA）2050凈零排放情景，到2030年鋁行業電力結構的排放強度將需要從目前的水平下降約60%^[3]。

（2）減少過程直接排放。鋁業中非電力相關排放的主要來源是燃料燃燒、冶煉廠陽極消耗、輔助原料和運輸等。在IEA 2050凈零排放情景中，到2030年鋁行業直接碳排放總量相對于目前需下降約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致的排放量占該行業排放總量的16%，主要集中在氧化鋁精煉過程，該過程的低碳變革性技術主要包括機械蒸汽再壓縮（MVR）技術、氫煅燒與電煅燒等技術。與傳統鍋爐相比，機械蒸汽再壓縮技術可減少95%排放。目前該技術處于商業示范階段，在大規模部署之前，還需要進一步的研發工作以適應氧化鋁精煉過程，預計從2027年起有望實現大規模部署^[5]。氫煅燒和電煅燒是降低氧化鋁煅燒過程碳排放的主要途徑，這些煅燒爐仍處于實驗室發展階段，需要加大研發力度，電煅燒和氫煅燒有望于2030年/2035年實現大規模商業化^[6]。2022年陽極消耗產生的溫室氣體排放約占鋁行業排放總量的6%，其中惰性陽極由于幾乎無溫室氣體排放而受到業界的廣泛關注，是鋁行業研究的重點。目前該技術處于商業化示范階段，由于需要改造現有的設備而導致大額前期投資，預計在2030年前無法實現大規模商業部署。IEA預測，到2030年惰性陽極生產原鋁的占比為7%左右^[7]。

（3）循環利用與資源效率。根據國際鋁業協會研究，截至2050年，通過對100%的鋁回收、改進廢料分類、消除對消費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3億噸絕對二氧化碳當量的排放，與減少直接排放的影響程度相當。在IEA 2050凈零排放情景中，到2030年二次生產將擴大到鋁產量的40%以上^[8]。雖然目前該技術發展較為成熟并已在美、歐等發達國家大規模部署，但是仍面臨著由于廢鋁合金雜質元素含量高而被降級利用的問題，亟需開發新技術以最大程度發揮廢鋁的價值，如雜質元素去除技術、雜質元素無害化加工技術以及固態再生鋁電解技術等。

二、鋁行業關鍵低碳技術研發進展

惰性陽極、提高廢鋁回收率與循環利用等是未來鋁工業持續低碳化發展并實現碳中和目標的關鍵技術，研究人員開展了相關研究并取得一些進展。

（1）開發耐腐蝕、抗熱震性、高化學穩定性以及易加工的惰性陽極是未來研發重點。目前惰性陽極研究主要集中在金屬惰性陽極、陶瓷惰性陽極和金屬陶瓷復合惰性陽極。其中金屬惰性陽極材料研究主要集中在Cu-Al、Ni-Fe和Cu-Ni-Fe等金屬合金；陶瓷惰性陽極材料研究主要集中在SnO₂基、NiFe₂O₄基等陶瓷材料；金屬陶瓷復合惰性陽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。但目前上述惰性陽極仍面臨著不同的問題，如金屬惰性陽極耐腐蝕性差；陶瓷電極的導電性差、抗熱震性差、力學性能與焊接性能不佳等問題^[9]；金屬陶瓷復合惰性陽極目前仍處于如何實現金屬與陶瓷性能最佳平衡狀態，有時可能會出現每種組成材料的弱點以及加工性差等問題。因此需要進一步優化上述惰性電極的性能以解決面臨的問題或開發新型惰性陽極。2023年9月，東北大學首次提出采用氬等離子體作為電解鋁的惰性陽極^[10]。研究結果表明，采用氬等離子體作為惰性陽極可以消除鋁電解中典型惰性陽極普遍存在的缺點，如高溫抗氧化、耐氟熔鹽腐蝕和可加工性問題，其在化學穩定性、抗熱震性、成本以及操作等方面具有顯著優勢，為惰性陽極的發展提供了新的思路。

（2）降低廢鋁中雜質含量提高廢鋁資源利用價值。為解決廢鋁因含雜質而被降級利用問題，研究人員開展了雜質去除相關研究。2023年8月，美國節能和減排研究所宣布了一項鋁工業新技術許可，其能夠從回收鋁的熔體中去除金屬雜質，從而提高鋁的質量，并使再生鋁能夠用于更多樣化的應用，包括電動汽車制造。由于該項技術正在申請專利，具體技術細節暫處于保密狀態^[11]。2023年11月，北京科技大學研制出了航空航天鋁廢料的可持續回收創新工藝。研究發現，氬氣泡漂浮工藝可以吸附夾雜物和氫氣，獲得航空級超潔凈熔體^[12]。

三、鋁行業關鍵低碳技術產業化進展

據國際鋁業協會2024年2月發布的最新統計數據顯示^[13]，2022年在全球鋁產量有所增長的情況下，全球鋁行業的溫室氣體排放總量首次出現下降。2022年全球鋁產量增長了3.9%，從1.041億噸增長到1.082億噸。但鋁行業的溫室氣體排放總量卻從11.3億噸二氧化碳當量下降到11.11億噸二氧化碳當量，且原鋁排放強度降幅大于產量增幅。這是鋁行業在研究、開發和實施新技術、創新技術以及能源供應變化方面進行大量投資并不斷取得進展的結果。

（1）清潔能源正在為鋁行業電力脫碳提供解決方案

水電供電已在鋁行業得到成功應用，從2022年原鋁冶煉廠使用的電力來源百分比^[14]（表2）來看，在歐洲、北美洲和南美洲，水電供應了鋁業80%以上的電力，北美的水電比例更是高達近96%。除水電外，鋁企業也正在積極推進氫能、太陽能等清潔能源發電。巴林鋁業（Alba）正在進行氫氣發電的自備電站（第五電站第四電力綜合體項目）項目，項目采用三菱電力M701JAC燃氣輪機，該燃氣輪機是世界上第一臺專門為原鋁冶煉廠制造的，是風冷J級燃氣輪機和蒸汽輪機，聯合循環發電能力為680.9兆瓦。該項目計劃于2024年第四季度投入運營，第五電站總產能將從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，太陽能在鋁生產也已得到應用。2024年3月，全球最大氧化鋁廠海德魯Alunote開始轉換使用太陽能電力，該太陽能電力由海德魯、Equinor和Scatec在巴西北里奧格蘭德州的Mendubim太陽能發電廠提供，該電廠的裝機容量為531兆瓦^[16]。

（2）通過惰性陽極技術生產的鋁得到用鋁企業認可，應用范圍逐漸擴大

目前全球已研發成功的惰性陽極鋁電解技術主要包括Elysis公司的Elysis?技術、俄羅斯鋁業的惰性陽極工藝、海德魯鋁業的Halzero工藝。由美國鋁業和力拓集團共同合資的Elysis公司于2019年采用惰性陽極首次成功生產無碳鋁，并用于智能手機、汽車和飲料罐等^[18]，近期電纜制造商耐克森采用此突破性技術生產了低碳鋁線桿^[19]。俄羅斯鋁業于2021年4月通過采用惰性陽極（由陶瓷或合金制成），生產出每噸鋁二氧化碳當量低于0.01噸的高純鋁（鋁純度大于99%）并投放市場^[20][21]。海德魯自2016年以來一直致力于開發惰性電極技術，2023年3月，海德魯宣布將建設一個由挪威政府支持的Halzero工藝測試設施^[22]，預計2025年建成并投入運行，到2030年有望實現工業規模的試點^[23]。

（3）氧化鋁精煉過程正在進行電、氫燃料替代應用研究

巴西Alunote精煉廠于2022年安裝了一臺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氧化鋁，并正在考慮再安裝兩臺，愛爾蘭也在示范類似的方案。美國鋁業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使用機械蒸汽再壓縮（一種熱泵）發電的設施，該設施將于2024年開始運行^[24]。力拓與澳大利亞可再生能源署（ARENA）于2021年開始合作研究使用氫氣替代天然氣以減少氧化鋁精煉過程中的碳排放的可行性研究。2023年7月，力拓和住友開始建設氫氣試點工廠，用于氧化鋁精煉過程用氫試驗，該試驗預計每年可生產約6000噸氧化鋁^[25]

（4）多家企業投資廢鋁回收工廠建設，擴大廢鋁利用市場

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生12萬噸低碳再生鋁，預計將于 2026 年開始生產^[26]。2024年2月，美國MetalX和Manna Capital Partners公司計劃投資超過 2 億美元建設一個新的鋁回收園區。此外，美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）的全廢鋁剪切輔助加工和擠壓工藝（ShAPE?）^[27]即將投入商業化應用。2024年2月，PNNL宣布Atomic13公司與其簽署了將ShAPE?專利技術商業化的獨家協議。ShAPE技術可以將消費后廢鋁100%轉化為高質量的擠壓制品，產品碳含量降低90%。目前Atomic13正與擠壓行業的一家領先設備公司合作進行第一條商業生產線設計，并與對建筑材料的可持續性和脫碳感興趣的建筑商進行磋商，并計劃在2025年初之前接受產品訂單。

參考文獻：

[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]原鋁生產中使用的電力包括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備（包括污染控制設備）電解所用的電力，直至從罐中取出液態鋁。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