Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны совместно с коллегами по консорциуму Net Zero Lab взялись за задачу, которую еще недавно считали практически нерешаемой: полностью убрать выбросы CO₂ из производства 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 приходится 12-15 тонн CO₂, если учитывать весь жизненный цикл производства, прежде всего, выбросы энергетики, обеспечивающей работу электролизных ванн. Сами технологические выбросы процесса электролиза составляют меньшую часть: около 1,5 тонны CO₂ образуется при сгорании угольного анода, ещё до 0,8 тонны CO₂ экв. – из-за выбросов перфторуглеродов. Основной источник – электролиз глинозема в расплаве криолита. Эта химия процесса практически не менялась с конца XIX века, именно она делает алюминий одним из самых «трудных» материалов для декарбонизации.
Однако исследователи из Швейцарии показали, что решение лежит не в точечной модернизации, а в реконфигурации всей энергетической системы алюминиевого завода. В своем исследовании они предложили пересобрать энергетическую 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 исследователи называют замену анода в электролизной ванне на альтернативный восстановитель – биоуголь или водород. Биоуголь получают при газификации древесных отходов. По химическим свойствам он полностью заменяет углерод традиционного анода, но имеет биогенное происхождение. При этом на каждую тонну алюминия требуется около 0,42 тонны биоугля, а образующийся CO₂ можно не выбрасывать, а отправлять в минерализацию – превращать в стабильные карбонаты магния. Вместо 1,5 тонн ископаемого CO₂ в атмосферу попадает поток, который можно надежно связать в минерале.
Второй путь – 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, полностью 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 традиционно дают существенную часть выбросов. Поток CO₂ отправляют в минерализацию, а биоуголь или водород – в процесс электролиза.
Проведенное моделирование показало, что сочетание этих элементов (использование биомассы, водородного восстановления, минерализации CO₂ и утилизации тепла) 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: до минус 0,4-0,5 тонны CO₂ на тонну произведенного алюминия. Это означает, что завод не только не выбрасывает углекислый газ, но и фактически удаляет часть биогенного углерода из атмосферы, не позволяя ему вернуться обратно.
