پالایش «فلز معجزه‌آسا»: چگونه آلومینیوم را کربن‌زدایی کنیم؟

به آلومینیوم می‌گویند «فلز معجزه‌آسا». علی‌رغم اینکه این فلز فراوان‌یاب‌ترین فلز در پوسته زمین است، پیچیدگی‌های مربوط به پالایش آن باعث شد که در قرن نوزدهم، آلومینیوم را از نقره یا طلا نیز با ارزش‌تر بدانند. ناپلئون سوم آنقدر برای آن ارزش قائل بود که غذای محترم‌ترین مهمانانش را در بشقاب‌های آلومینیومی سرو می‌کرد. امروزه، آلومینیوم هنوز هم به عنوان یک ماده ارزشمند شناخته می‌شود که به دلیل تطبیق‌پذیری کم‌حجم خود، استحکام نظامی، مقاومت در برابر خوردگی و بازیافت‌پذیری نامحدود بسیار محبوب است.

با همهٔ این حرف‌ها، خصوصیت نامطبوع آلومینیوم چیست؟ خب، باید گفت که مجموعه فرآیندهای پرانرژی که سنگ معدن بوکسیت خام را به فلز خالص تبدیل می‌کنند، به‌ازای هر تن متریک آلومینیوم اولیه، به‌طور میانگین   ۱۶ تن CO2 منتشر می‌کنند. این بخش به طور کلی هر سال حدود ۱.۱ میلیارد تن دی‌اکسید کربن تولید می‌کند که ۲ درصد از انتشارات انسان‌ساز جهان را تشکیل می‌دهد. بیش از ۶۰ درصد از این گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید برق مصرف شده در طول فرآیند ذوب کردن است. به‌علاوه، پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای این فلز معجزه‌آسا (که صنایعی مانند حمل‌ونقل، ساخت‌وساز، بسته‌بندی و بخش برق شامل متقاضیان هستند) تا سال ۲۰۲۳ تقریباً ۴۰ درصد افزایش یابد. انتظار می‌رود دو سوم این رشد مربوط به چین و آسیا باشد که نگران‌کننده است. چراکه فرآیند ذوب چین به شدت به نیروگاه‌های زغال سنگ وابسته است. بدون پیشرفت در بازیافت و کربن‌زدایی، انتشار آلاینده‌های این بخش تا سال ۲۰۵۰ می‌توانند به حدود ۲ میلیارد تن برسد.

‌

هدف دشوار ائتلاف نخستین پیش‌برندگان

تنها تعداد انگشت‌شماری از فناوری‌های جدید هستند که قابلیت پالایش آلومینیوم را دارند، اما تنها بلندپروازترین آن‌ها به هدف دشوار ائتلاف اولین پیش‌برندگان مجمع جهانی اقتصاد (FMC) می‌رسند. این ائتلاف ابتکاری جهانی برای مهار قدرت خرید شرکت‌ها به‌منظور کربن‌زدایی سنگین‌ترین گازهای گلخانه‌ای زمین است. صنایعی که عضو FMC هستند به هدفی متعهد شده‌اند که بر اساس آن باید تا سال ۲۰۳۰ دست‌کم ۱۰ درصد از آلومینیوم اولیه‌ای که سالانه تهیه می کنند از طریق فرآیندهایی تولید شود که انتشار آلاینده‌هایشان تقریباً صفر است. تعریف کردن عبارت «تقریباً صفر» کمی دشوار است: انتشار کمتر از سه متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه. این امر نشان‌دهندهٔ کاهش شدید انتشار گازهای گلخانه‌ای ۸۵ درصدی فعلی یا بیشتر است.

برای درک چگونگی دستیابی به این کربن‌زدایی عمیق، نیاز است به فرآیند تولید آلومینیوم نگاهی اجمالی داشته باشیم. بوکسیت مادهٔ خام ماست. آن را از زمین استخراج و به‌واسطهٔ فرآیندی چندمرحله‌ای که شامل حرارت‌دهی تا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است، به اکسید آلومینیوم یا «آلومینا» تصفیه می‌کنند. بسیاری از پالایشگاه‌ها، برای دستیابی به این درجه از حرارت، سوخت‌های فسیلی را در محل می‌سوزانند که در این فرآیند مقادیر زیادی CO2 منتشر می‌شود. فرآیند دوم که به آن گُدازگری می‌گویند، آلومینا را از طریق برق‌کافت به فلز آلومینیوم خالص تبدیل می‌کند که در آن از الکتریسیته و آندهای کربن زیادی استفاده می‌شود که همچنین مقادیر زیادی CO2 منتشر می‌کنند. اَشکال موجود انرژی‌های تجدیدپذیر (مانند آبی یا خورشیدی) حدود دو سوم راه را به سمت آلومینیوم عاری از آلاینده برای ما هموار می‌سازد.

خبر خوب این است که اَشکال موجود انرژی‌های تجدیدپذیر (مانند انرژی آبی یا خورشیدی)حدود دو سوم راه را به سمت آلومینیوم عاری از آلاینده هموار می‌سازد. ما می‌توانیم از انرژی پاک برای بویلرهای برقی جدید و کشته‌سازهای دخیل در تصفیه سنگ معدن بوکسیت به آلومینا و همچنین برای فرآیند گدازگری شدید الکتریسیته استفاده کنیم. اما این امر در کوتاه مدت می‌تواند گران تمام شود. این به معنای انتقال نیروگاه‌ها به مکان‌هایی است که به انرژی تجدیدپذیر و مقاوم‌سازی پالایشگاه‌ها برای نصب تجهیزات جدید دسترسی دارند.

برخی از فناوری‌های نوظهور (که می‌توانند در کارخانه‌های آلومینیوم فعلی پیاده‌سازی شوند) می‌توانند به کوتاه‌سازی راه‌مان به سمت آلومینیوم بدون آلاینده کمک کنند. فرآیند گذازگری را می‌توان با جایگزین کردن آندهای کربنی با آندهای بی‌اثر که به جای CO2 اکسیژن منتشر می‌کنند، کاملاً کربن‌زدایی کرد. فرآیندی که به عنوان «فشرده‌سازی مجدد بخار مکانیکی» شناخته می‌شود، انرژی حرارتی مورد نیاز برای پالایش را به جای آزاد شدن، بازیافت می‌کند. و برای آلاینده‌های باقیمانده، فناوری‌هایی مانند جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS) برای رهگیری انتشار گازهای گلخانه‌ای از هر دو فرآیند پالایش و گدازگری وجود دارد. هنگامی که تعدادی از این فناوری‌های نوآورانه در کنار هم استفاده می‌شوند، می‌توانند کل فرآیند تولید آلومینیوم را به زیر آستانه ۳ متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه برسانند.

بر خلاف بسیاری از بخش‌های دیگر در FMC، بازیافت می‌تواند نقش بزرگی در سیر به سمت کربن‌زدایی بخش آلومینیوم ایفا کند، به‌خصوص به خاطر اینکه فلز بی‌نهایت قابل‌بازیافت است. بازیافت حدود ۵ درصد از انرژی لازم برای ساخت آلومینیوم جدید را می‌گیرد، بنابراین چه از لحاظ تجاری و چه از لحاظ محیط‌زیستی، منطقی است. امروزه، گدازگری مجدد آلومینیوم در مقیاس گسترده‌ای گسترش یافته است و سالانه بیش از ۳۰ میلیون تن آلومینیوم بازیافتی به سمت تولید محصولات جدید باز می‌گردد. می‌تواند به نقل و انتقالی عادلانه نیز کمک کند، زیرا جمع‌آوری، مرتب‌سازی و بازیافت به اشتغال‌زایی و کاهش استخراج منابع طبیعی مورد نیاز برای تولید اولیه آلومینیوم کمک می‌کند.

در نتیجه، FMC هدف دیگری نیز برای اعضای خود تعیین کرده است تا اطمینان حاصل شود که دست‌کم ۵۰ درصد از آلومینیومی که سالانه استفاده می‌کنند تا سال ۲۰۳۰ بازیافت می‌شود.  ا این حال، بازیافت برای کاهش عطش فزاینده جهانی در دستابی به این فلز به‌تنهایی کافی نخواهد بود – در واقع، طبق استراتژی انتقال ۱.۵ درجه C که توسط Mission Possible Partnership منتشر شده است، تا سال ۲۰۵۰ تنها نیمی از تقاضای مورد انتظار را تامین خواهد کرد. بنابراین، تولید آلومینیوم اولیه با میزان آلایندگی برابر با صفر اولویت است.

‌ ‌

برای کربن‌زدایی آلومینیوم راه‌حل فناورانه وجود دارد

در حالی که فناوری‌های کربن‌زدایی تولید آلومینیوم ممکن است هنوز در اشکال اولیه وجود داشته باشند، با این حال مثل تمام فناوری‌های جدیدی که هنوز به میزان کافی نرسیده‌اند، گران تمام می‌شوند. تجاری‌سازی آن‌ها چالش‌برانگیز است – و این چالش‌برانگیز بودن فقط مربوط به هزینه نیست. زنجیرهٔ ارزش آلومینیوم پیچیده و گسترده است.

به عنوان مثال، قوطی های نوشیدنی را در نظر بگیرید که معمولاً از بیش از ۵۰ درصد آلومینیوم بازیافتی ساخته شده است، اما همچنان به آلومینیوم اولیه نیاز دارد. ابتدا بوکسیت را استخراج می‌کنید، سپس آن را به آلومینا تبدیل می‌کنید. سپس، معمولاً آن را به جای دیگری می‌برند تا برای تبدیل شدن به آلومینیوم خالص گدازگری شود. سپس، این فلز به صورت دیسک یا سیم‌پیچ پردازش می‌شود و شرکت‌هایی که آن‌ها را در قوطی‌ها استفاده می‌کنند خریداری می‌شود، به شرکت‌های نوشابه و بطری‌فروشان فروخته می‌شود، به خرده‌فروشان توزیع می‌شود و تنها پس از آن به دست مصرف‌کننده می‌رسد. این زنجیرهٔ طولانی تامین با گسترهٔ خریداران ترکیب شده است. در حالی که فولاد و بتن «خریداران ثابت» بزرگی مانند خودروسازان یا آژانس‌های تدارکات دولتی دارند، بسیاری بازیگران تجاری آلومینیوم را در مقادیر کم خریداری می‌کنند. و همه بازیگران درگیر (از شرکت معدن گرفته تا خرده‌فروش نوشیدنی) باید برای سهیم شدن در هدف و هزینه کربن‌زدایی همسو باشند.

شرکت Ball، تولیدکنندهٔ بزرگ بسته‌بندی آلومینیوم و عضو FMC، اولین گام را به سمت همسویی با شرکای زنجیرهٔ ارزش خود برداشته است. این شرکت با تامین‌کنندگان آلومینیوم و دیگر اعضای FMC، Novelis و Rio Tinto همکاری کرده است تا اولین قوطی نوشیدنی را با علامت‌گذاری خاص و میزان کم کربن برای قوطی آلومینیومی نوشیدنی در کانادا تولید کند. این قوطی تا حدودی از آلومینیوم بازیافتی به همراه آلومینیوم دست‌اول با انتشار تقریباً صفر ساخته شده است که با انرژی آبی تصفیه شده و با استفاده از فناوری آند بی‌اثر عاری از گازهای گلخانه‌ای به نام Elysis گدازگری شده است. این پیشرفت با همکاری بی‌سابقه‌ای بین دو غول صنعت آلومینیوم رقیب – Alcoa و Rio Tinto – به همراه ۱۳ میلیون دلار کانادا سرمایه‌گذاری و پشتیبانی فنی از اپل، به علاوه سرمایه‌گذاری اضافی ۸۰ میلیون دلار کانادا از طرف دولت‌های کانادا و کبک امکان اجرایی شدن را پیدا کرده است. Elysis هنوز در مرحله نمونه اولیه است، اما تیم در نظر دارد تا سال ۲۰۲۴ این فناوری را به صورت تجاری در دسترس قرار دهد. همسویی زنجیرهٔ ارزش، از طریق ائتلاف‌هایی مانند FMC، در جهت تلاش برای کربن‌زدایی حیاتی است. بدون زنجیرهٔ ارزش همسو، احتمالاً سیگنال‌های تقاضا به تولیدکنندگان به تغییری نخواهد انجامید. این نوع ائتلاف‌ها همچنین به گفتگوهای بهتری با دولت‌ها در مورد موضوعات مختلف می‌انجامد، از سیاست‌های سختگیرانه در مورد بازیافت گرفته تا سرمایه‌گذاری مشترک در تحقیق و توسعه.

هنگامی که فناوری‌های تازه‌شناخته‌شده در کنار هم استفاده می‌شوند، می‌توانند کل فرآیند تولید آلومینیوم را به زیر آستانه ۳ متریک تن CO2 در هر متریک تن آلومینیوم اولیه برسانند.

دولت‌ها در تشویق به کربن‌زدایی از پالایش و گدازگری آلومینیوم دست‌اول نقشی کلیدی ایفا می‌کنند. خاورمیانه با استفاده از پتانسیل فراوان انرژی خورشیدی فرصت این را دارد که در این امر مشارکت کند. چین در جهت درستی گام برمی‌دارد؛ برخی از عملیات‌های پالایشی با سوخت زغال‌سنگ را تعطیل و نیروگاه‌های جدیدی را در مناطق پرانرژی آبی تأسیس می‌کند. اما ممکن است دولت‌ها نیاز به حمایت مالی مستقیم از این بخش داشته باشند. فناوری‌های جدید لازم برای کربن‌زدایی آلومینیوم از جمله انرژی تجدیدپذیر اضافی، CCUS و طراحی مجدد فرآیند گدازگیزی در اطراف آندهای بی‌اثر – تا سال ۲۰۵۰ حدود ۱ تریلیون دلار هزینه خواهد داشت، بنابراین ممکن است دولت‌ها مجبور شوند با مشوق‌ها، سرمایه‌گذاری و اقدامات مبتنی بر بازار وارد عمل شوند. در حال حاضر، تولید موادی مانند لیتیوم یا مس (که برای انتقال با کربن پایین)موجب جذب یارانه‌های دولتی نمی‌شود. آلومینیوم نیز با توجه به نقشش در کمک به کربن‌زدایی بخش‌های دیگر مانند حمل‌ونقل و فناوری باتری، وضع مشابهی دارد.

در اروپا، سازوکار تنظیم مرز کربن (CBAM) که توسط اتحادیه اروپا پیشنهاد شده است زنگ خطری برای آن‌دسته از تامین‌کنندگان آلومینیوم است که به دنبال صادر کردن آلومینیوم به بازاری واحد هستند. تا سال ۲۰۳۰، CBAM می‌تواند به ازای هر تن CO2 موجود در محصولات و مواد وارداتی، مالیاتی معادل ۱۰۰ یورو وضع کند، که درواقع تقلیدی از هزینه طرح تجارت آلاینده‌های اتحادیه اروپا (ETS) برای تولیدکنندگان محلی است. برای یک تن آلومینیوم با ۱۶ متریک تن CO2، این امر می‌تواند ۶۰ درصد به هزینه فلز اضافه کند. علی‌رغم اینکه چنین سازوکاری پس از تجاری‌سازی، ممکن است به رقابت مستمر آلومینیوم کربن‌زدایی‌شده کمک کند، با این حال الگوی سرمایه‌گذاری مستقیم دولت در فناوری نوپا می‌تواند برای شلوغی امور مالی شرکت‌ها و از بین بردن خطر مسیر کربن‌زدایی ضروری باشد.

این بخش برای افزایش تولید گازهای گلخانه‌ای نزدیک به صفر خود به‌منظور ارائهٔ اقلام مورد نیاز، با با زمان دست و پنجه گرم می‌کند. شرکت‌ها باید موضع رهبری روشنی اتخاذ کنند تا از استقرار فناوری‌های کربن‌زدایی عمیق که برای همسو کردن بخش در رسیدن به میزان صفر تا سال ۲۰۵۰ لازم است، حمایت کنند. هزینه‌های اضافی وجود خواهد داشت، اما ائتلاف‌هایی مانند FMC کمک می‌کنند این هزینه‌ها شفافیت بیشتری پیدا کنند و همکاری لازم برای رسیدگی به این هزینه‌ها صورت بگیرد. برای تحقق این امر فناوری به کمک ما می‌آید – و حتی اگر یک لیوان ارزش این زحمت را نداشته باشد، پس قطعاً یک قوطی آلومینیومی نوشیدنی با کربن پایین ارزش به جان خریدن این زحمت را دارد.

‌

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.