Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны совместно с коллегами по консорциуму Net Zero Lab взялись за задачу, которую еще недавно считали практически нерешаемой. Они стремятся полностью устранить выбросы CO2 при выпуске первичного алюминия, не разрушая при этом всю существующую технологическую цепочку.
Производство алюминия относится к самым энергоемким и углеродоемким в мире. В среднем на каждую тонну металла приходятся 12-15 тонн CO2, если учитывать весь жизненный цикл производства.
Основным источником выбросов выступает электролиз глинозема в расплаве криолита. Химия процесса практически не менялась с конца XIX века. Однако ученые из Швейцарии показали, что решение лежит не в точечной модернизации, а в реконфигурации всей энергетической системы алюминиевого завода. Они предложили пересобрать архитектуру производства от газификации биомассы до улавливания CO2 и включения предприятия в городскую тепловую сеть.
Производство алюминия выделяет до 6-7 МВт·ч низко- и среднетемпературного тепла на тонну металла от охлаждения электролизных ванн до газификации биомассы и минерализации CO2. В обычной практике это тепло рассеивается, но в предложенной модели его собирают и направляют в городскую систему теплоснабжения или используют для собственной выработки электроэнергии.
Первым технологическим элементом такой реконфигурации ученые называют замену анода в электролизной ванне на альтернативный восстановитель, которым выступает биоуголь или водород. Биоуголь получают при газификации древесных отходов. По химическим свойствам он полностью заменяет углерод обычного анода, но имеет биогенное происхождение. При этом на каждую тонну алюминия требуется около 0,42 тонны биоугля, а образующийся CO2 можно не выбрасывать, а превращать в стабильные карбонаты магния. Вместо 1,5 тонны ископаемого CO2 в атмосферу попадает поток, который можно надежно связать в минерале.
Вторым методом является водородное восстановление глинозема, при котором побочным продуктом становится только водяной пар, но эффективность этого решения зависит от источника водорода. Электролизный H2 слишком дорог и привязан к углеродному следу электроэнергии. Поэтому ученые рассматривают производство водорода в тех же газификационных установках, которые при определенных режимах дают высокую долю H2, обходясь без ископаемого топлива.
Таким образом, газификация биомассы становится центральным элементом всей архитектуры. Она превращает отходы в синтез-газ, биоуголь и концентрат CO2. Синтез-газ может заменить природный газ в печах вторичной переработки, которые дают существенную часть выбросов. Поток CO2 отправляют на минерализацию, а биоуголь или водород используют в процессе электролиза.
Проведенное моделирование показало, что сочетание этих элементов способно радикально изменить общий углеродный баланс производства. В наиболее эффективном сценарии, где водород получают из биомассы, а весь выделяющийся CO2 минерализуется, углеродный след становится даже отрицательным. Это означает, что завод не только не выбрасывает углекислый газ, но и фактически удаляет часть биогенного углерода из атмосферы, не позволяя ему вернуться обратно.
