Владимир Полканов
При электролизе алюминия происходят выбросы парниковых газов, поэтому компании во всем мире пытаются разработать углеродно нейтральную технологию производства металла.
Фото с сайта www.aluminiumleader.com
Технология инертного анода позволит алюминиевой отрасли сделать прорыв в безуглеродное будущее. Производимый таким образом металл, выпуск которого раньше был связан с экологическими издержками, является полностью углеродно нейтральным. Разработками в этой сфере занимаются практически все алюминиевые компании мира, но реального прогресса удалось добиться в России.
Как производят алюминий
Алюминий – самый распространенный металл в природе, но он никогда не встречается в чистом виде из-за своих химических особенностей. Для начала необходимо добыть алюминийсодержащую руду, затем переработать ее в глинозем – оксид алюминия, а уже из глинозема путем электролиза получают «крылатый металл».
Электролиз – ключевая стадия производства алюминия. Этот процесс происходит в электролизных ваннах, подключенных к очень сильному электрическому току. Для создания токопроводящей среды ванну заполняют расплавленным криолитом, на который сверху подают глинозем. Роль катода выполняет дно ванны, а анода – погружаемые в нее угольные блоки. Под воздействием электрического тока при температуре 1000 градусов связь между алюминием и кислородом в глиноземе разрывается и алюминий осаждается на дне, откуда его извлекают и отправляют на литейное производство. В электролизных цехах алюминиевых заводов установлены сотни таких ванн.
Электролиз требует затрат огромного количества электроэнергии, поэтому уже на этапе ее генерации у алюминия появляется первый углеродный след. Впрочем, в России для производства «крылатого металла» используют чистую возобновляемую электроэнергию ГЭС, что позволяет выпускать алюминий с минимальными косвенными энергетическими выбросами. Так, благодаря гидроэнергии углеродный след бренда Allow гарантированно составляет менее критически важной для мировой индустрии отметки в 4 т CO2-эквивалента на тонну металла. Более того, в 2022 году был достигнут показатель 2,3 т, притом что в среднем в мире он находится на уровне 12 т.
Однако при электролизе происходят и прямые выбросы парниковых газов. Анодный углерод вступает в соединение с высвобождаемым из оксида алюминия (глинозема) кислородом: образуются углекислый и угарный газы, выделяемые в атмосферу, причем в заметных количествах – может доходить до 11 т на тонну алюминия. Да, классическая электролизная технология экономически выгодна, однако с точки зрения экологичности и углеродной нейтральности требуются новые решения.
Кислород вместо углерода
Кардинальным решением, практически полностью исключающим выбросы парниковых газов, является использование инертных анодов – то есть таких электродов, материал которых не вступает в ионообменную реакцию восстановления алюминия. В результате вместо оксидов углерода в атмосферу попадает чистый кислород – 0,9 т на тонну алюминия: один электролизер может выделить его столько же, сколько 70 га леса. Углеродный след производимого таким способом алюминия на несколько порядков меньше «классического» – около 10 кг на тонну металла. Он практически незаметен – можно сказать, что его нет. Это настоящая революция в производстве «крылатого металла».
Использование инертных анодов, кроме того, позволяет снизить или исключить ряд других небезопасных выбросов, образуемых при классическом электролизе. Благодаря этой технологии значительно сокращается или прекращается поступление в окружающую среду диоксида серы, смолистых веществ, фторидов.
Исследования данного направления ведутся с 1980-х годов, а особенно активно – в последнее время. Ключевой вопрос: какой материал использовать для инертных анодов? Насколько известно на уровне научных статей и патентов, рассматриваются различные варианты металлических, керамико-металлических (керметных), керамических анодов, например сплавы на основе никеля и меди, ферриты, оксид олова – у каждого есть свои особенности, плюсы и минусы. Компании, разумеется, не раскрывают свои инновации для широкой публики и соответственно конкурентов.
При этом из-за специфичности требований и условий эксплуатации – высокая термическая стабильность и прочность, нерастворимость, малая стоимость, легкость в изготовлении, простота замещения углеродного анодного массива на инертный – до сих пор нет широкого применения подобной экологичной технологии. Однако в силу растущих климатических требований к производителям алюминия это лишь вопрос времени. И Россия здесь впереди планеты всей.
Алюминиевый «Святой Грааль»
Для реализации безуглеродного сценария глобального развития коммерциализация и скорейшее внедрение технологии инертных анодов крайне важны. Как отмечают в Международном энергетическом агентстве, оптимально к 2030 году инертные аноды должны использоваться примерно в 7% первичного производства алюминия во всем мире. «Продвижение в сторону менее 4 т CO2 на тонну алюминия – следующий рубеж, требующий прогресса и значительных инвестиций в технологии, такие как инертные аноды», – подчеркивают аналитики McKinsey.
Разработать экономически эффективную технологию пытаются многие производители алюминия. Однако одно дело заявлять об инновации и совсем другое – внедрить ее в производство. Несмотря на простоту концепции, на самом деле она очень сложна.
«Каждый производитель алюминия пробовал себя в этом направлении, инвестируя невероятные суммы на протяжении многих десятилетий, – отмечает Винсент Крист, генеральный директор Elysis – совместного предприятия алюминиевых гигантов Alcoa и Rio Tinto, разрабатывающего многообещающую технологию Elysis. – Это говорит о том, что сделать инертные аноды жизнеспособными очень сложно, но в конечном счете преимущества огромны и стоят затраченных усилий. Инертные аноды не только решают экологические проблемы, но и оказывают значительное влияние на снижение эксплуатационных расходов. Вот почему технологию инертных анодов называют «Святым Граалем» алюминиевой промышленности». Технология Elysis, как сообщалось, будет готова для установки на заводах в Канаде в 2024 году.
Разработки инертных анодов ведутся и в Китае: к примеру, сообщалось о крупномасштабных испытаниях керметных малорасходуемых анодов китайской компанией Chalco. В 2022 году власти КНР приняли политику стимулирования использования инертной технологии, чтобы побудить производителей алюминия к действиям. Между тем аналитики на мировом экономическом форуме в прошлом году прогнозировали, что инертные аноды станут коммерчески доступными в Китае примерно к 2035 году и только после 2050 года достигнут коммерческой конкурентоспособности с углеродными анодами.
На шаг впереди
На этом фоне нагляден прогресс, достигнутый отечественной компанией РУСАЛ. Инициатором разработки технологии инертных анодов в нашей стране был основатель компании Олег Дерипаска. «Уход на инертный анод кроме экологических проблем решает вопрос сырьевой, но нужно работать. Если добиться результата, это будет революция», – прогнозировал он несколько лет назад.
Летом этого года компания РУСАЛ прошла международную верификацию углеродного следа алюминия, выпускаемого компанией под брендом Allow Inerta на Красноярском алюминиевом заводе (КрАЗ). Подразделение компании TÜV Austria Standards & Compliance подтвердило, что алюминий, произведенный по технологии инертного анода, имеет удельные выбросы на уровне 0,01 т CO2-эквивалента на тонну металла с учетом прямых и косвенных энергетических выбросов. КрАЗ уже выпустил на опытно-промышленном участке несколько тысяч тонн алюминия под маркой Allow Inerta, который был поставлен потребителям. РУСАЛ стал первой компанией в мире, применившей при промышленном производстве алюминия вместо карбоновых инертные аноды.
Более того, уже прошли испытания этого алюминия крупнейшей китайской компанией Mingtai Aluminium. Она планирует применять Allow Inerta при производстве фольги для ее дальнейшего использования в электротехнике, главным образом в аккумуляторных батареях для электромобилей. Компания постоянно анализирует свой пул поставщиков, принимая во внимание углеродный след сырья, отметил директор по производству Mingtai Group Ян Шуайцзе: «Мы стремимся выбирать тех поставщиков, кто соответствует нашим целям по декарбонизации. Использование Allow Inerta является следующим шагом на пути к созданию продуктов с минимальным воздействием на окружающую среду».
«Использование такого металла позволяет снизить углеродный след конечной продукции до минимально возможного в отрасли, что дает конкурентное преимущество перед другими производителями, а также помогает компаниям в выполнении их целей устойчивого развития, в том числе по декарбонизации цепочки поставок, – отметил технический директор РУСАЛа Виктор Манн. – Для РУСАЛа внедрение данной технологии позволяет полностью исключить выбросы парниковых газов и полиароматических углеводородов на этапе электролиза, а также сократить эксплуатационные расходы за счет уменьшения потребления анодов. Компания активно работает над совершенствованием технологии для ее внедрения в промышленном масштабе и удовлетворения растущего спроса со стороны конечных потребителей».
