「奇跡の金属」を精製する: アルミニウムを脱炭素化する方法

リサイクルと脱炭素化が進展しなければ、アルミニウム部門の排出量は 2050 年までに 20 億トン近くに達する可能性があります。

ラモン・アラティア＆ナンシー・ギリス著

2023 年 2 月 3 日

アルミニウム製コンポーネント。 画像経由 Shutterstock/Rocharibeiro

[この記事は、First Movers Coalition のメンバーによるシリーズの一部です。 この取り組みに関する詳しいストーリーはここで読むことができます。]

アルミニウムは「奇跡の金属」と言われています。 アルミニウムは地殻内で最も豊富な金属ですが、その精製に伴う複雑さにより、19 世紀には銀や金よりも貴重なものになりました。 ナポレオン 3 世はこれを非常に高く評価し、最も名誉あるゲストにアルミニウムの皿で料理を提供したほどです。 これは、軽量多用途性、軍用グレードの強度、耐腐食性、そして無限にリサイクル可能であるため、今日でも高価値な素材として高く評価されています。

それで、何が気に入らないのでしょうか？ 原料のボーキサイト鉱石を純粋な金属に変える一連のエネルギー集約的なプロセスでは、生産される一次アルミニウム 1 トンあたり平均 16 トンの CO2 が排出されます。 この部門全体では毎年約 11 億トンの CO2 が発生しており、これは世界の人為的排出量の 2% を占めます。 これらの排出量の 60% 以上は、製錬プロセス中に消費される電力の生成に由来しています。

さらに、輸送、建設、包装、電気部門などの産業によって牽引される奇跡の金属の需要は、2030年までにほぼ40パーセント増加すると予測されています。この成長の3分の2は中国とアジアから予想されており、懸念事項となっています。中国の製錬プロセスが自家用石炭火力発電所に大きく依存していることを考えると。 リサイクルと脱炭素化が進展しなければ、この部門の排出量は 2050 年までに 20 億トン近くに達する可能性があります。

少数の新技術にはアルミニウムを浄化する可能性があるが、地球上で最も重いアルミニウムを脱炭素化するために企業の購買力を活用する世界的な取り組みである世界経済フォーラムの先行者連合（FMC）の厳しい目標を達成できるのは最も野心的なものだけである。排出産業。 FMC のメンバーは、2030 年までに毎年調達する一次アルミニウムの少なくとも 10 パーセントをほぼゼロ排出プロセスで生産するという目標を掲げています。 「ほぼゼロ」の定義は難しいところです。一次アルミニウム 1 トンあたり CO2 排出量が 3 トン未満であることです。 これは、現在の排出量が 85% 以上大幅に削減されることを意味します。

このような徹底的な脱炭素化をどのように達成するかを理解するには、アルミニウムの製造プロセスを素早く見学する必要があります。 原材料はボーキサイトです。ボーキサイトは地面から採掘され、摂氏約 1,000 度まで加熱するなどの多段階のプロセスを経て、酸化アルミニウム、つまり「アルミナ」に精製されます。 この熱を達成するために、多くの製油所は施設内で化石燃料を燃焼させており、その過程で大量の CO2 が排出されます。 精錬として知られる 2 番目のプロセスでは、電気分解によってアルミナを純粋なアルミニウム金属に変えます。このプロセスでは、大量の電気と炭素陽極が使用され、同時に大量の CO2 が排出されます。

良いニュースは、水力や太陽光などの既存の再生可能エネルギーによって、アルミニウムの排出量をゼロにするまでの道のりの約 3 分の 2 を達成できるということです。 ボーキサイト鉱石をアルミナに精製するための新しい電気ボイラーやか焼炉、さらには電力を大量に消費する製錬プロセスにもクリーン エネルギーを使用できます。 しかし、これは短期的には高価になる可能性があります。 これは、再生可能電力が利用できる場所に工場を移転し、製油所を改造して新しい機器を設置することを意味します。

いくつかの新たな新技術は、既存のアルミニウム工場で導入可能であり、ゼロエミッションアルミニウムへのギャップを縮めるのに役立ちます。 これらの炭素陽極を、CO2 の代わりに酸素を放出する不活性陽極に置き換えることによって、製錬プロセスを完全に脱炭素化できます。 「機械的蒸気再圧縮」として知られるプロセスにより、精製に必要な熱エネルギーを放出するのではなくリサイクルすることができます。 残りの排出量については、精製プロセスと製錬プロセスの両方からの排出量を遮断するための二酸化炭素回収・使用・貯蔵 (CCUS) などの技術があります。 これらの画期的な技術をいくつか組み合わせて使用​​すると、アルミニウム製造プロセス全体で、一次アルミニウム 1 トンあたり CO2 排出量 3 トンの閾値を下回ることができます。

FMC の他のほとんどの部門とは異なり、特に金属は無限にリサイクル可能であると考えられているため、リサイクルはアルミニウム部門の脱炭素化に向けた取り組みにおいて大きな役割を果たすことができます。 リサイクルは、新しいアルミニウムを製造するのに必要なエネルギーの約 5% を必要とするため、商業的にも環境的にも意味があります。 アルミニウムの再溶解は現在大規模に普及しており、年間 3,000 万トン以上のリサイクルされたアルミニウムが新しい製品に戻されています。 また、収集、選別、リサイクルにより、一次アルミニウム生産を支援するために必要な天然資源の採掘を削減しながら、新たな雇用を生み出す可能性が得られるため、公正な移行に貢献することもできます。

そのため、FMC は加盟国に対し、2030 年までに毎年使用するアルミニウムの少なくとも 50 パーセントを確実にリサイクルするという追加目標を設定しました。 しかし、リサイクルだけでは、世界中で増大する金属への渇望を和らげるのに十分ではありません。実際、ミッション・ポッシブル・パートナーシップが発表した1.5℃に合わせた移行戦略によると、リサイクルだけでは2050年までに予想される需要の半分しか供給されないでしょう。 したがって、一次アルミニウムの生産を可能な限りゼロ排出に近づけることが依然として最優先事項です。

アルミニウム生産を脱炭素化する技術は、まだ規模に達していないすべての新技術と同様、プロトタイプの形で存在する可能性がありますが、高価です。 それらを商品化することは困難です。それはコストだけではありません。 アルミニウムのバリューチェーンは複雑かつ拡張されています。

たとえばビール缶を考えてみましょう。缶は通常 50 パーセント以上がリサイクルされたアルミニウムで作られていますが、依然として一次アルミニウムが必要です。 まずボーキサイトを採掘し、次にそれをアルミナに精製します。 多くの場合、純粋なアルミニウムに溶解するために別の場所に運ばれます。 その後、金属はディスクまたはコイルに加工され、缶に打ち込む企業によって購入され、飲料会社や瓶詰め業者に販売され、小売店に流通されて初めて消費者の手に届きます。 この長いサプライチェーンは、購入者の規模によってさらに複雑になります。 鉄鋼やコンクリートには自動車メーカーや州調達機関といった大手の「アンカーバイヤー」がいるのに対し、アルミニウムは多くの企業が少量ずつ購入している。 そして、鉱山会社から飲料小売業者に至るまで、関係するすべての関係者が、脱炭素化の目標とコストを共有するために連携する必要があります。

アルミニウム包装の大手メーカーであり、FMC のメンバーでもある Ball Corporation は、バリュー チェーン パートナーとの連携に向けた最初の一歩を踏み出しました。 同社は、アルミニウムのサプライヤーおよびFMCメンバーのノベリス社およびリオ・ティント社と協力して、カナダ初の特別にマークされたコロナビール用の低炭素飲料缶を作成した。 この缶は、水力発電で精製され、エリシスと呼ばれる温室効果ガスを含まない不活性陽極技術を使用して製錬された、ほぼゼロ排出の一次アルミニウムと、リサイクルされたアルミニウムから一部作られています。 この躍進は、競合するアルミニウム業界の 2 つの巨人、アルコアとリオ ティントの間の前例のない協力と、アップルからの 1,300 万ドル (カナダドル) の投資と技術サポート、さらにカナダの企業からのそれぞれ 8,000 万ドル (カナダドル) の追加投資によって可能になりました。そしてケベック州政府。 エリシスはまだプロトタイプの段階にあるが、チームはこの技術を2024年までに商業利用できるようにすることを目指している。

脱炭素化の取り組みには、FMC などの連合を通じてバリューチェーンを調整することが不可欠です。 調整されたバリューチェーンがなければ、生産者への需要シグナルは何の変化ももたらさない可能性があります。 この種の連携は、リサイクル政策の強化から研究開発への共同投資に至るまで、さまざまなテーマについて政府とのより良い対話にもつながります。

政府は、アルミニウム一次精製および精錬の脱炭素化を促進する上で重要な役割を担っています。 中東には、豊富な太陽光発電の可能性を活用して貢献する機会があります。 中国は正しい方向への動きを示しており、一部の石炭火力精製事業を閉鎖し、水力発電が豊富な地域で新たな発電所を開設している。 しかし、政府はこの分野に直接財政支援を提供する必要があるかもしれない。 アルミニウムの脱炭素化に必要な新技術（再生可能電力の追加、CCUS、不活性陽極周りの製錬プロセスの再設計など）には、2050年までに約1兆ドルの費用がかかるため、各国がインセンティブ、投資、市場で介入する必要がある可能性が高い。に基づく対策。 低炭素移行に不可欠なリチウムや銅などの材料の生産には、すでに政府の補助金が集まっている。 輸送や電池技術など他の分野の脱炭素化を助ける役割を考えると、アルミニウムも同様でなければなりません。

欧州では、欧州連合が提案している炭素国境調整メカニズム（CBAM）は、単一市場への輸出を目指すアルミニウム供給業者への警鐘となっている。 CBAMは2030年までに、国内生産者に対するEUの排出量取引制度（ETS）のコストを模倣し、輸入製品や原材料に含まれるCO21トン当たり100ユーロの税を課す可能性がある。 1 メートルトンのアルミニウムの場合、CO2 排出量が 16 メートルトンであるため、金属のコストが 60 パーセント増加する可能性があります。 このようなメカニズムは、脱炭素アルミニウムが商品化されれば継続的に競争するのに役立つかもしれないが、企業金融に群がり、脱炭素化経路のリスクを回避するには、画期的な技術への政府の直接投資モデルが必要になる可能性がある。

この部門は、必要な供給を提供するために、初期段階にあるほぼゼロ排出量の生産をスケールアップするために時間との闘いに取り組んでいます。 企業は、2050 年までにネットゼロへの道筋に沿ってセクターを調整するために必要な徹底的な脱炭素技術の展開をサポートするために、明確なリーダーシップの立場を取る必要があります。追加のコストがかかりますが、FMC などの連合は、これらのコストに対処するには透明性と協力が必要です。 テクノロジーはそれを実現するためにあります。グラスではなくても、低炭素ビールの缶を開発する価値は十分にあります。

この記事は、Jonathan Walter、BCG の Andrew Alcorta および Henry Mumford の共著です。

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