太阳能需要铝但它有碳问题

世界银行表示，能源转型将比其他任何金属都需要更多的铝。为了使温度保持在两度以下，到2050年，清洁能源技术每年将需要近600万吨的金属。相比之下，锂，钴和镍的总和，是能源转型的矿物质。电池的使用量预计不会超过400万吨。这些估计值在很大程度上取决于各种假设，但它们强调了金属在实现零排放能源的道路上的重要性。

几乎所有用于清洁能源的铝都将用于太阳能电池组件框架。它的耐腐蚀性和轻质性使其成为暴露于元件并确保模块结构稳定性的最佳选择。

铝的能源挑战

雷克雅未克大学的工程学教授GuðrúnSævarsdóttir说，气候可能需要铝，但是该行业面临的主要环境挑战是气候自身的影响。生产量越来越大，但是该行业的碳排放量也越来越大。

Sævarsdóttir说：“(过去二十年来)铝的产量大幅度增加，自2000年以来，铝的产量增加了一倍以上。”“不幸的是，许多发展都是基于燃煤发电的。”

中国新的铝冶炼厂推动了产量的飙升，现在，他们生产的铝占全球新铝的一半以上。萨瓦尔斯多蒂特(Sævarsdóttir)的研究显示，尽管该国70%的电力依靠煤炭，但铝冶炼厂的电力结构却超过90%是煤炭。

新铝的开采，精炼和冶炼产生的碳占全球总排放量的近2%。每吨铝平均产生约15吨CO2当量。这比20年前高了将近四吨。通过某些措施，到2040年，铝产量的增长可能意味着每年将增加4亿吨CO2当量。

许多铝业公司正在开发新的冶炼工艺和建造新型工厂，以减少该行业在地球上的足迹，但科学家们表示，需要更多的发展来使其温室气体排放量与可再生能源产品保持一致。

“目前我们正处于关键时刻，”铝业管理倡议的保证总监卡梅伦·琼斯说。非营利性行业认证组织ASI正在进行“健康而严格”的讨论，以更新其标准，以鼓励公司在2030年之前将二氧化碳吨当量目标定为8吨。它计划制定一个“更具包容性和挑战性”的目标，要克服的技术和政策障碍。

工艺问题

新的铝通常以铝土矿开始，然后被送到提炼氧化铝或氧化铝的精炼厂。从氧化铝中分离铝需要接近1000ºC的温度，并且需要有强大的电流通过熔融的矿物。

该过程不仅耗能，而且矿物的氧气与碳阳极结合在一起释放出CO2。根据萨瓦尔斯多蒂尔(Sævarsdóttir)的工作，直接碳排放量约占该过程总排放量的10%，而电力消耗则占71%。

Sævarsdóttir说：“除非对流程进行任何处理，否则我们不会消除这些排放。”

回收大大减少了将金属送入循环所需的能量，并且铝在理论上是无限可回收的。行业代表机构铝业协会(Aluminum Association)估计，曾经生产的所有铝中有75%仍在流通中。矿业公司正在大力投资回收工厂，例如9月宣布的力拓加拿大工厂。

在世界银行的两度情景中，再生铝的比例将增加，但仍只能满足61%的需求。ASI希望在接下来的几个月中发布拟议的标准以解决气候影响，以进行协商，但是建立减少碳排放的途径可能需要更长的时间。

琼斯说：“这是一个如此复杂，多样化的供应链，我们无法做到一刀切”。“很难想出一种在整个行业都可以使用的单一途径或方法。因此，这是目前的真正问题。”

寻找解决方案

铝生产企业已经选择了几种减少碳足迹的途径。使用可再生能源的铝冶炼厂大多与水力发电相连，例如在挪威和冰岛，但是水力发电能力有限，并且在很大程度上取决于地理位置。使用水力发电的冶炼厂所占比例已从2000年的46%下降到2018年的26%，而煤炭现在为铝产量的61%提供了动力。

冶炼通常比其他步骤需要多一个数量级的能量。琼斯说，为了确保由可再生能源提供能源，中国的一些冶炼厂正在讨论是否将整个工厂运输到电网依赖可再生能源的地区，但目前还没有动静。

熔炉设计用于恒定功率，但是德国公司Trimet将其某些熔炉转变为铝熔炉，以适应可变功率。虽然冶炼厂需要使材料保持熔融状态，但工程师增加了灵活性，使冶炼厂的工作功率比通常使用的功率低25%或25%。当本地电网上有多余的电力时，有时是由于多余的太阳能和风能产生的，过程控制可确保电解室仅在边缘冻结，即使冶炼能力较低，也可以继续进行冶炼。从某种意义上说，这样的冶炼厂充当了电网上的一种电池。

Sævarsdóttir说：“这确实可以为稳定电网做出重大贡献，因此我们不应忽视这个机会。”

减少排放

在过去的几年中，两家企业声称用氧气代替了冶炼厂的直接碳排放。冰岛的Arctus Metals已开始试用熔炼工艺，该工艺使用不会与氧化铝中的氧气反应生成二氧化碳的惰性阳极。参与该项目的塞瓦斯多蒂特(Sævarsdóttir)也正在研究将碳捕集用于直接排放的可能性。

力拓(Rio Tinto)和美国铝业(Alcoa)通过成立于2018年的合资子公司Elysis合作建立了无碳冶炼工艺。像Apple这样的消费品公司已达成协议，从Elysis购买以减少其碳足迹。这家总部位于加拿大的公司拒绝对此发表评论，自发布以来，几乎没有与之交谈的记者。

琼斯说，氧化铝精炼厂习惯于经常遇到技术问题和供应中断，这可能使它们更适应对间歇性太阳能或风能的依赖。美铝公司在9月宣布生产的氧化铝品牌的碳排放量是行业平均水平的一半。

在澳大利亚的北领地，土著拥有的铝土矿开采商Gulkula依靠太阳能光伏发电和电池存储来进行运营。昆士兰州的力拓(Rio Tinto)矿山部分依赖太阳能，此举是资源工业采用现场光伏发电趋势的一部分。

琼斯说：“该行业正在朝着正确的方向发展，但目前还没有任何'哇'的时刻。”

去年夏天，塞瓦斯多蒂尔(Sævarsdóttir)向工程专业的新生介绍了她对铝的碳排放问题的研究。她的目标是吸引新员工解决行业最大的温室气体问题，例如铝冶炼的直接排放。IPCC指出，虽然电力占全球排放量的四分之一，但行业紧随其后，仅为21%。

“有人需要努力解决21%的问题。每个人都想从事可再生能源的工作，但有人需要从事这一工作，否则我们将无法实现碳中和……我认为这是帮助气候变化的最大机会。”