净化“神奇金属”：如何为铝脱碳

• 铝因其多功能性、强度、质量和可回收性而备受赞誉，但其能源密集型加工约占人为排放的2%。

• 世界经济论坛第一行动者联盟（FMC）成员（该联盟旨在帮助排放量最大的行业实现脱碳）承诺，到2030年，其每年采购的原生铝中至少有10%将通过近零排放工艺生产。

• 随着铝需求即将增长，实现铝脱碳的雄心目标可通过少数几项技术的协同应用来达成。

铝被誉为“神奇金属”。尽管它是地壳中含量最丰富的金属，但其提炼的复杂性使铝在19世纪的价值超过了白银和黄金。拿破仑三世如此珍视它，以至于他会用铝制餐盘招待最尊贵的宾客。如今它仍是一种高价值材料，因其轻质多功能、军工级强度、耐腐蚀性，以及可无限回收而备受青睐。

那么，还有什么不好呢？问题在于，将原始铝土矿转化为纯金属的能源密集型工序平均排放每吨原生铝16公吨二氧化碳的生产过程。整个行业每年约产生11亿公吨二氧化碳（每年），占全球人为排放的2%。超过60%的这些排放源于冶炼过程中所消耗电力的生产。

更值得关注的是，这种神奇金属的需求（受交通、建筑、包装和电气行业驱动）预计将到2030年增长近40%。预计此类增长的三分之二将来自中国和亚洲，令人担忧的是，中国的冶炼工艺严重依赖自备燃煤电厂。若不推进回收与脱碳，该行业的排放量可能在2050年前攀升至近20亿公吨。

来自第一行动者联盟的艰巨目标

一些新技术有望清洁铝产业，但只有最具雄心的方案才能达到世界经济论坛第一行动者联盟（FMC）的严苛目标。这是一项全球性倡议，旨在利用企业的采购力量，为脱碳全球排放最密集的行业提供助力。FMC成员已承诺一项目标：到2030年，其每年采购的原生铝中至少10%将通过近零排放工艺生产。“近零”的定义是难点所在：每吨原生铝的二氧化碳排放量须低于3公吨。这意味着相较当前排放水平需削减85%或以上，幅度巨大。

要了解如何实现如此深度的脱碳，我们需要快速了解铝的生产流程。铝土矿是原材料，从地下开采后，经多阶段工艺提炼为氧化铝（即“alumina”），该工艺包括将其加热至约1000摄氏度。为实现这一高温，许多精炼厂在现场燃烧化石燃料，此过程会排放大量二氧化碳。第二道工序称为冶炼，通过电解将氧化铝转化为纯铝金属，该过程耗电量大，并需要使用同样会排放大量二氧化碳的碳阳极。

好消息是，现有的可再生能源形式（如水电或太阳能）将帮助我们朝零排放铝的目标迈进约三分之二。我们可以将清洁能源用于将铝土矿精炼为氧化铝所需的新型电气化锅炉和煅烧炉，也可用于耗电量大的冶炼过程。但这在短期内可能成本高昂。这意味着需要将工厂迁至可获得可再生电力的地区，并对精炼厂进行改造以安装新设备。

一些新兴技术（可在现有铝厂中实施）有助于缩小迈向零排放铝的差距。冶炼过程可通过以排放氧气而非二氧化碳的惰性阳极替代碳阳极实现完全脱碳。一种称为“机械蒸汽再压缩”的工艺使精炼所需的热能得以回收利用，而非直接排放。对于剩余排放，可采用碳捕集、利用与封存（CCUS）等技术，拦截精炼和冶炼过程的排放。当这些突破性技术中的数项被结合使用时，可使整个铝生产流程的排放低于每吨原生铝3公吨二氧化碳的门槛。

与FMC中的大多数其他行业不同，回收在铝行业脱碳之路上可发挥重要作用，尤其因为金属被视为可无限回收。回收所需的能源约为生产新铝所需能源的5%，因此无论从商业还是环境角度看都是合理的。如今，铝重熔已大规模普及，超过3000万公吨再生铝每年回流至新产品中。它还有助于实现公正转型，因为收集、分拣和回收有望创造新的就业岗位，同时减少支持原生铝生产所需的自然资源开采。

因此，FMC为其成员设定了一项额外目标，即确保到2030年，其每年使用的铝中至少50%得到回收。然而，仅靠回收不足以满足全球对这种金属日益增长的需求。事实上，根据使命可能伙伴关系（Mission Possible Partnership）发布的“与1.5摄氏度相一致的转型战略”，到2050年，回收仅能满足预期需求的一半。因此，尽可能使原生铝生产接近零排放仍是当务之急。

铝脱碳的技术方案已经具备

尽管减排铝生产的技术可能仍以原型形式存在，但与所有尚未规模化的新技术一样，它们成本高昂。将其商业化颇具挑战，而且不仅仅是成本问题：铝的价值链复杂且冗长。

以啤酒罐为例，其通常由超过50%的再生铝制成，但仍需要原生铝。首先开采铝土矿，然后将其精炼为氧化铝。随后，氧化铝通常需运往他处冶炼成纯铝。之后，金属被加工成圆片或卷材，由企业购买并冲压成罐，再出售给饮料企业和灌装商，经分销后送达零售商，最后才到达消费者手中。这条漫长的供应链还因买家规模而变得更加复杂。钢铁和混凝土拥有大型“锚定买家”，如汽车制造商或政府采购机构，而铝则由众多参与者小批量采购。所有参与方（从矿业公司到饮料零售商）都必须在脱碳目标和成本分担上达成一致。

Ball Corporation，作为主要铝包装制造商且为FMC成员，已率先与其价值链伙伴协同行动。该公司与铝供应商及FMC成员Novelis和Rio Tinto携手，共同推出加拿大首款专门标识的低碳饮料罐，用于科罗娜啤酒。该罐部分由再生铝制成，并结合经水电精炼的近零排放原生铝，且采用一种名为Elysis的无温室气体惰性阳极技术进行冶炼。这一突破得益于两家相互竞争的铝业巨头（Alcoa与Rio Tinto）之间前所未有的合作，以及苹果公司提供的1300万加元投资和技术支持，外加加拿大联邦政府和魁北克省政府各提供的8000万加元额外投资。Elysis目前仍处于原型阶段，但团队的目标是到2024年使该技术实现商业化应用。

通过FMC等联盟协调价值链，对脱碳努力至关重要。若价值链未能协调一致，向生产商发出的需求信号可能不会带来任何变化。此类联盟还能促进与政府就一系列议题展开更好的对话，涵盖从收紧回收政策到共同投资研发等方面。

政府在鼓励原生铝精炼和冶炼脱碳方面发挥着关键作用。中东地区有机会凭借其丰富的太阳能潜力做出贡献。中国正朝着正确方向迈进，关停了部分燃煤精炼设施，并在水电资源丰富的地区建设新厂。但政府可能还需向该行业提供直接的财政支持。铝脱碳所需的新技术（包括额外的可再生能源、CCUS以及围绕惰性阳极重新设计冶炼工艺）到2050年前将耗资约1万亿美元，因此各国很可能需要以激励措施、投资和基于市场的措施介入。锂或铜等对低碳转型至关重要的材料的生产已获得政府补贴。铝同样应当如此，因为它在帮助交通和电池技术等其他行业脱碳方面发挥着作用。

在欧洲，欧盟拟议的碳边境调节机制（CBAM）对于希望进入单一市场出口的铝供应商而言，这是一次警醒。到2030年，CBAM可能对进口产品和材料中所含的每公吨二氧化碳征收100欧元的税，以模拟欧盟排放交易体系（ETS）对本地生产商的成本。对于每吨碳足迹为16公吨二氧化碳的铝，这可能使金属成本增加60%。虽然此类机制在商业化后可能有助于脱碳铝持续保持竞争力，但为了吸引企业融资并降低脱碳路径的风险，直接政府投资突破性技术的模式或许是必要的。

该行业正与时间赛跑，以扩大其尚处起步阶段的近零排放生产规模，从而满足所需供应。企业需要占据明确的领导地位，支持部署深度脱碳技术，使该行业沿着2050年实现净零排放的路径前进。成本必然会增加，但FMC等联盟将有助于建立所需的透明度与合作，以应对这些成本。技术已经具备，足以实现这一目标。这值得举杯致敬，即便不是一杯，也必定是一罐低碳啤酒。

Jonathan Walter和Andrew Alcorta参与了本文撰稿。