铝工业应对气候变化的新进展

　　气候变化使铝冶炼的温室气体排放成为人们关注的一个焦点。铝工业其它重要的可持续性议题还包括赤泥库的完整性和安全性、废物处理(废槽衬、浮渣等)、耗水量、工作条件、生物多样性等。在这篇文章中，我们将回顾过去减少温室气体排放的工作，以及行业内围绕“绿色”低碳铝营销和认证的最新趋势。在澳大利亚能源政策的背景下，讨论了利用太阳能分解水来获取氢气替代化石燃料发电的前景。

　　生命周期分析

　　生命周期分析（LCA）是应用于许多行业的可持续性评估的重要工具。30多年来，铝工业一直在评估其温室气体排放量，许多公司、行业协会和大学对不同冶炼厂和技术的排放量进行了从摇篮到大门的生命周期研究和计算。例如，Keniry1、国际铝业协会（IAI）2-3与Mahadevan研究了印度的工业排放；Zhang4等人对中国的铝冶炼厂进行了研究；麦格理大学（MacquarieUniversity）的研究（2019）6；以及Kvande和Welch7在2018年对尽量减少二氧化碳排放的步骤进行的深入分析。美国铝业协会已经对铝的生产和终端应用进行了从摇篮到摇篮的LCA研究，时间跨度从1993年至今，涉及铝的应用领域汽车、饮料容器等。他们对原铝产业的最新分析是在2013年，当时他们更新了生命周期清单（LCI）数据库。LCI是生命周期分析评价的一部分，涉及产品的单位投入和产出的汇总，包括一次资源开采、制造、分销、使用和最终处置或回收。

　　温室气体排放一般分为以下3个方面:

　　范围1-直接发生在作业现场的。

　　范围2-使用外购电力、热力、蒸汽所产生的间接温室气体排放。

　　范围3-其它间接排放，如采购材料和燃料的提取和生产、公司不拥有或控制的车辆运输有关的活动、范围2以外的与电力有关的活动(如输电和配电损耗)、外包活动及废物处理等。

　　生命周期评价有时是针对单个工厂，有时是针对同一区域具有相似能源消费模式的工厂。尽管在核算排放时存在一些困难，主要是排放范围和排放因子的不同，特别是随着时间的推移，政府间气候变化专门委员会（(IPCC)的评估报告修改了用于确定每项活动的二氧化碳排放量的温室效应潜能值（GWPs），但各方对所取得的结果仍有合理的共识。ISO标准14040和14044规定了这种方法。生命周期评价方法已与世界资源研究所（WRI）和世界可持续发展商业理事会（WBCSD）的温室气体议定书相结合。

　　通常，温室气体排放要包括现场直接排放（范围1）和厂外间接排放（范围2，特别是发电）。其它外地排放量（范围3）包括与材料输入有关的排放，即氧化铝、铝土矿、石油焦和沥青生产中的排放。报告的二氧化碳排放量中，包括哪些项目并非总是清晰的。到目前为止，最大的排放源是电力生产。以煤为动力的冶炼厂的吨铝碳排放约为15-20吨，而使用100%水电的地区吨铝碳排放小于4吨（范围1、2和3）。许多使用燃煤发电的铝冶炼厂都分布在中国，因此原铝近70%的工业排放源于中国。

　　在冶炼厂生命周期评价中，往往忽略了铸造过程的排放。然而，它们确实对碳的总负荷量有贡献，特别是对于含镁和硅高的合金产品，它们的碳足迹更高些，吨铝排放约为20吨8。

　　氧化铝生产过程中的排放量各不相同。一个研究报告称，每吨氧化铝的二氧化碳排放量为1.2吨，或每吨原铝中氧化铝的二氧化碳排放量为2.3吨。Kvande和Welch4根据铝协会的数据得出每吨铝的平均排放量为1.5吨。澳大利亚铝协（Australian Aluminium Council）估计，澳大利亚冶炼厂每吨氧化铝的二氧化碳排放量为0.7吨（折合吨铝1.3吨）。与其它投入相比，铝土矿开采的温室气体排放量很小。根据工艺和实践，煅后石油焦吨铝二氧化碳排放量约为0.4吨。

　　如何减少排放

　　Kvande和Welch的论文研究了排放的来源以及如何减少排放。其中包括降低电耗、降低碳耗、降低压降、提高铸造能效、使用更高电流的电解槽、实施更好的电解槽MHD和总线设计，以及改进电解槽控制以降低阳极效应。解决这些问题，使整个行业的能源效率得到了很好的提高（图4）。一些在试验中的技术显示，能将电耗降到低于12000kwh/t。

　　全氟碳化合物（PFCs），尤其是CF4和C2F2在电解槽的阳极效应期间被释放。这些气体具有很高的全球变暖潜力。减少阳极效应的工作导致全行业PFC排放强度大幅降低，吨铝二氧化碳排放从5吨降至0.6吨（自1990年以来减少了90%）。有关PFC排放的更多详情，请参阅A.Tabereaux9和Wong和Welch10的研究。IAI今年公布了其2018年阳极效应调查结果。绝对排放量已从每年1亿吨降至2018年的3600万吨。最佳案例现在为吨铝排放0.06吨二氧化碳6。

　　惰性阳极

　　许多研发实践活动和投资已经投向于惰性阳极技术，这是131年前首次提出的想法。主要项目已在俄罗斯、挪威、中国、北美和其它国家得以开展11。Elysis是力拓和美铝共同开发惰性阳极技术的合资企业。2019年12月，他们将用这一工艺生产的首批铝运往合作伙伴苹果公司。新闻稿将其描述为无碳熔炼技术，消除了所有直接温室气体。这一数字似乎没有考虑到范围3的排放量，如氧化铝。该假设还认为电力来自水力发电。然而，尽管苹果公司是一家知名度很高的客户，但进入电子行业的实际铝金属量在全球铝需求中所占比例很小，不到1%。

　　至于惰性阳极是否是一种可行的解决方案，问题仍然存在。例如，有人指出，惰性阳极比碳阳极具有更高的理论能量要求12，因为它们不利用储存在碳中的电化学能量。对于使用煤电的铝厂来说，这意味着温室气体的排放量比使用碳阳极要大。惰性阳极电解槽，如采用煤电并不比炭阳极环保，它比炭阳极排放的CO2还要多;采用气电两者排放的CO2差别不大;只有在采用水电等清洁能源的情况下惰性阳极才比炭阳极环保，排放的CO2要少一些。如果使用惰性阳极的冶炼厂从以煤电为主的的电网的接入电力，并说自己是在消耗水电，那么这个冶炼厂基本上是在剥夺水电的优势，因为水电可能会在其它地方使用。

　　虽然惰性阳极是一个值得欢迎的改进技术，但有关惰性阳极的许多其它问题仍有待解答，例如阳极材料的可用性。目前，已经有木炭作为石油焦的一种碳中和替代品的研究，但还需要进一步的工作。

　　碳捕获

　　碳捕获和固存（CCS）也有可能减少霍尔-埃鲁电解槽温室气体的排放。主要缺点是分离二氧化碳需要大约0.5kWh/kg的能量。即便如此，考虑到与更高的能源需求相关的二氧化碳排放量，CCS在理论上看起来比惰性阳极更有益。作为一种临时解决方案，CCS可能在减少燃煤发电排放方面发挥作用。

　　霍尔-埃鲁电解法的替代工艺

　　多年来，人们一直在研究传统霍尔-埃鲁的替代工艺和变体，如导流型阴极电解槽、碳热还原和氯化铝电解。就温室气体而言，它们可能比标准的霍尔-埃鲁要好13。任何考虑氯化物工艺的人员，都应仔细研究氯化镁电解生产镁的历史以及在该领域已经遇到的困难。

　　对排放量的最大潜在影响，是将该行业转变为可再生能源，由于全球经济体的水力资源大多已被开发利用，我们必须将太阳能视为可再生能源的主要来源。

　　可再生能源

　　铝工业面临的一个大问题是，当能源供应的变化非常剧烈时，如何利用可再生能源为冶炼厂供电。太阳能是这方面的重点之一，当然风能和地热能也可能是可再生能源组合的一部分，核能显然也是一种选择。力拓目前正在20个地点安装小型示范性可再生发电厂，但没有一个是为铝冶炼厂安装的14。由于太阳能和电池技术的成本正在迅速下降，因此转向太阳能将降低运营成本。据彭博新能源财经BloombergNEF预测，到2030年，在大多数地区，风能和太阳能将比煤炭或天然气便宜。

　　解决可再生能源可变性的一种方法，是利用太阳能分解水，并在夜间循环中使用燃料电池中的氢。第一步可能是将太阳能产生的氢气送入天然气发电站。商用氢燃料燃气轮机发电机现已上市。太阳能产生的氢能的排放量，将接近水力发电的排放量。

　　另一个机会是调整冶炼厂的电力消耗，使冶炼厂基本上作为电网中的电池，对可再生能源的变化做出快速反应。EnPot技术是由新西兰Energia Potior有限公司开发的一种有利于提高冶炼厂调节能力的技术。与当前的电池系统相比，这种技术对电网稳定性的影响可能要大得多。

　　澳大利亚正在大力推广氢18。澳大利亚联邦政府已经承诺提供1.46亿澳元。澳大利亚研究组织CSIRO有一个关于氨用于氢运输技术的重大项目，其中包括澳大利亚和日本公司支持的氢能供应链（HESC），该项目是日本政府工业脱碳战略的一部分。在这种情况下，使用褐煤，但该过程包括碳捕获和封存。其它项目包括建设一个220千瓦的电解槽，该电解槽使用太阳能或电网可再生能源，以支持昆士兰州政府的燃料电池电动车流。氢是钢铁生产中合适的还原剂，但不适用于铝生产。

　　另一件需要考虑的事情是，与氧化铝精炼相关的排放也需要处理，以达到零碳铝。目前，似乎还没有能够利用可再生能源的煅烧炉。

　　可持续发展组织和认证

　　参与和推进可持续发展的组织很多。例如，CDP（即以前的碳信息披露项目）有3600家公司的温室气体数据，可供购买。其它机构包括世界资源研究所（WRI）和世界可持续发展工商理事会（WBCSD）。

　　使用低碳排放电力生产的综合性铝业公司，正在努力展现低碳优势，他们在市场上将其铝金属区归为低碳排放的“绿色”铝。对外声称你有低碳可持续经营是一回事，但并非所有这些说法都是经过独立评估或核实的。为了支持他们的主张，很多公司正在积极加入并响应铝业管理倡议（ASI），并获得对其公司绩效和流程的认证。ASI是一个全球性的多利益相关方公益组织，致力于制定标准和认证，以促进整个铝供应链（从矿山到铝的下游用户）的负责任生产、采购和材料管理。ASI有两个标准，ASI绩效标准定义了治理、环境和社会要求，ASI监管链标准规定了使用质量平衡模型监测整个铝价值链中ASI铝的采购和生产的要求。全球可持续发展标准联盟ISEAL是一个全球成员组织，致力于制定可靠的可持续发展标准，ASI于2018年12月成为ISEAL的准成员，并于2019年12月成为正式成员。

　　生产铝土矿、氧化铝或铝金属（无论是原铝还是再生铝）或在其产品中使用铝（例如用于包装、汽车等）的公司，须在加入ASI两年内至少有一个设施符合ASI绩效标准，以维持成员资格。

　　对ASI标准的认证，独立地验证了铝产业链企业可持续性实践的水平。这类认证计划已适用于其它商品，如林业、无冲突矿产中的钻石、钨、钽、钴等。伦敦金属交易所正在根据经合组织的采购标准，实施伦敦金属交易所金属的监管链标准。

　　ASI性绩效标准包括对现有铝冶炼厂温室气体排放的若干要求，主要内容如下：

　　应每年说明并公开披露实质性的温室气体排放和各种能源使用情况。

　　实体应制定有时限的减排目标，并实施可实现这些目标的计划。目标应涵盖最重要的直接和间接的排放源。

　　证明他们已经落实了必要的管理体系、评估程序和运营控制，以限制直接的温室气体排放。

　　在2020年或之前开始生产的电解铝厂，它们在生产铝时范围1和范围2温室气体排放水平应控制在每吨铝排放低于8吨二氧化碳当量，并在在2030年或更早达到这一目标。

　　对2020年以后开始生产的电解铝厂，它们在生产铝时范围1和范围2温室气体排放水平应控制在每吨铝排放低于8吨二氧化碳当量。

　　为保持实体间的一致性，须采用国际铝协会的方法或与其一致的方法进行温室气体核算。有关阳极生产、发电、冶炼（电解）和熔铸的排放，必须都包含在计算中，不管它们是直接或间接的排放源。换言之，有关阳极生产和熔铸的排放，必须纳入计算范围，即使它们属于范围3下的排放定义。

　　ASI绩效标准没有规定用于确定温室气体排放或如何设定减排目标的方法，但支持指导文件指的是现有的方法，如WRI和WBCSD的温室气体排放协议。注意，范围3的排放，特别是与氧化铝和铝土矿生产关联的排放，不包括在8吨CO2/吨铝的数据中。

　　吨铝排放8吨二氧化碳的目标，约为目前全球平均值的一半，也是使用天然气冶炼厂的一个延伸目标。这意味着，如果按照现有的工艺和技术并没有大的变化，没有一家任何使用燃煤电厂电能的铝冶炼厂，能够在2030以后得到认证。因为将煤炭GHG排放量提高到这一水平将是非常困难的。然而，燃煤供电的冶炼厂目前约占所有冶炼厂的60%。特别是，中国冶炼能力的快速增长主要是以煤为主。中国的冶炼厂90%是燃煤的，10%是水力发电的17。同样，印度的冶炼厂完全依靠燃煤发电。

　　超过8t CO2/t铝的GHG排放目标的公司，如果他们声明并能够向其独立的ASI审核员证明他们的排放量在2030年之前将低于8t/t，则仍然可以获得认证。然而，ASI绩效标准并不要求公司详细公开披露他们将如何满足这一要求。要求企业公布有时限的温室气体减排目标，并实施实现这些目标的计划，但报告进展情况并非强制性的。

　　可以理解的是，对于ASI的公开披露要求存在一些敏感问题。企业可能不愿意分享所有细节，因为有些信息与竞争优势有关，例如每吨能源使用量或净碳消耗量。在ASI网站上，审核报告和公开摘要可用于描述范围等。在这些报告中，有指向公司文件的链接，如提供标题编号的可持续性报告。例如，阿联酋环球铝业（已获得ASI认证）的报告称，“2018年，我们冶炼、铸造和电力生产的温室气体强度为历史最低值，为吨铝7.93吨二氧化碳（超过了我们2018年7.97吨的目标）。”

　　下游企业要想获得认证，就必须使用经过认证的原材料作为投入。中国的生产和加工企业，已经并希望获得认证，可能需要进口ASI认证的金属，以满足标准，因为还没有中国的主要生产商获得认证（虽然即将有一个认证的公告）。

　　中国的水电铝冶炼厂将很容易达到8t/t铝的目标，有迹象表明，中国铝冶炼厂正开始从煤电向水电转移。宏桥集团、中国铝业、云南铝业、其亚金属、河南神火等正在云南水电丰富地区建造运营铝冶炼厂。云南共有7家冶炼厂正在使用水电。另外还有多家铝冶炼厂，在云南以外地区以水电铝运营，它们是汉江丹江口铝业、国电黄河水电（青海）、阿坝铝厂（博塞）等。目前中国使用水电冶炼厂的总产能约为280万吨/年。转向水力发电的主要动力是降低成本。

　　国际铝协估计，云南的电网的发电排放为0.24千克CO2/千瓦时的电力，以此测算吨铝用电排放约3.24吨二氧化碳，而中国电力平均碳排放水平为0.92千克CO2/千瓦，以此测算吨铝用电排放约12.4吨二氧化碳。而煤电铝碳排放则更高于这个数值。由于产能指标有限，中国大多数生产商在不关闭工厂的情况下无法通过产能置换建立新的产能，因此云南的铝厂取代了山东等省份的老煤电铝冶炼厂。这种趋势可能会继续下去，并导致整个铝行业温室气体的减少。

　　目前，ASI正计划对其标准和认证计划进行全面修订。标准修订将从2020年开始，为期两年，包括ASI绩效标准和监管链标准以及支持性指南、保证手册和声明指南。有关温室气体排放的修订范围尚未确定。

　　市场态度

　　客户是否更喜欢从经认证的可持续来源获取材料？他们会为此支付更多的钱吗？在这个阶段，没有直接的证据表明下游公司会为绿色金属支付额外的费用。然而，如果绿色材料的价格与未经认证的材料的价格相同，则可以明显的预期绿色材料将是首选材料。市场上主要金属铝的绿色品牌包括俄铝的ALLOW、海德鲁的REDUXA、力拓的RenewAl和美铝的Sustana。再生铝含量达~75%的再生铝品牌，包括海德鲁的75R等合金也已经投放市场。其中一些绿色品牌是ASI认证的。有些是由其它机构认证的，例如DNV GL。面向苹果公司这样的知名客户进行营销也是这种绿色形象的一部分。低碳和ASI认证材料的数量仍然是总产量的一小部分。因此，在必要的条件下，客户将不得不在一段时间内继续使用部分非认证材料。

　　汽车业是铝的一个备受瞩目的市场领域，但迄今为止，还没有明显举措显示出对可持续材料的强烈偏好，但是包装行业已经显示出这种意愿和行动。多个铝工业协会的研究标明，要强调的重点是，通过在运输中使用铝来节省燃料，从而抵消铝冶炼过程中的排放。

　　俄铝的母公司EN+建议所有生产商都应报告其二氧化碳排放量和能源效率18。许多公司已经编制了包含二氧化碳排放量数据的可持续性报告。对于那些不这样实施的企业而言，相关方估计他们的排放量也是相对容易的，因为各企业电力资源状况是已知的，并且可以对阳极碳素等典型要素的工业绩效进行估算。因此，买家就可以自己评估特定供应商的绿色绩效。

　　结论

　　目前，全球应对气候变化的行动已经处于缺乏良好组织的混乱状态。但尽管如此，仍有一些积极的变化和影响一直在发生，比如煤炭排放增长进入平台期、可再生能源的增长、对交通运输轻量化的重视以及对电动汽车（EV）兴趣的增加等方面，。近年来，欧盟和北美一直在以绝对值和人均值来减少排放量（图5）。然而，中国和印度增加的排放总量的确超过了这些减排量。

　　和所有材料一样，权衡之下，铝必须对社会和环境有净效益。铝无疑能够为交通运输业提供绿色解决方案，节省燃料，减少二氧化碳排放。即便使用高碳的煤电铝，在ICE（内燃机车型）车行驶10万公里后，其排放量也能比原铝生产过程中的排放量减少很多，轻量化减排的贡献就显现出来了。而对于电动汽车，铝也增加了营运里程，提高了能源效率。

　　此外，该行业将继续在电解槽控制、MHD设计、净碳和比能耗方面做出改进，但铝行业要想对将气候变化变暖控制在2℃以下的目标做出积极贡献，仍需要做更多的工作。该行业必须启动试点项目，研究如何利用可再生能源运营铝冶炼厂。

　　从更广泛的角度来看，铝行业二氧化碳排放量减少的最大驱动力，是行业自身的生存。该行业面临着限制能源和排放强度的法规以及碳税实施的风险。任何费用的附加（如碳定价）是否足以激励铝业公司在短期内大幅减少二氧化碳排放，仍然值得怀疑。相反，市场和市场份额的差异化似乎是一个更大的激励因素。降低能源强度、全氟化碳排放量、净碳排放量等，也有实实在在降低成本的附加效益，这直接影响到公司的运营成本线，本身也是一种强烈的激励。同样重要的一点是，如果价格保持不变，将铝产品作为“绿色”产品进行营销，只能是一个卖点。如果“绿色”材料的价格上涨，而且供应仍然有限，那么它可能会促使客户购买高碳材料。而这不是期待的结果。

　　在目前这个起步阶段，很难确定说ASI认证已经可以减少铝工业的温室气体排放。不过，这种情况可能会在逐步改变。使用天然气和可再生能源的冶炼企业，只要有减排计划，就能达到8t二氧化碳/吨的目标，并获得认证。这是可能的，因为减少排放与降低成本是齐头并进的，企业无论如何都需要这样做。可以预见，铝产业链的负责任生产的倡议将会对行业变革起到推进作用，包括中国和印度在内的大的铝业公司都已经意识到这一点，在努力做出改变。

　　最后，应该指出的是，温室气体排放不仅仅是铝工业的问题。全世界所有的工业都需要实现零碳排放。如果我们想有一个可持续的未来，那么我们现在就需要付之以行动。