光伏大爆发带来铝需求风险，如何降低铝产品碳足迹
撰文 | Sueyl
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第131篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：随着全球光伏安装大幅增长，到2050年可能需要高达4.86亿吨的铝。巨大的铝需求是影响全球变暖的巨大因素。缓解这一问题，一是需要最大限度地回收并利用二次铝，二是在风光等可再生能源区选址铸厂，就地生产更低碳的铝。
风电和光伏等可再生能源，在全球经济脱碳中发挥重要作用。但一直以来有一个悖论困扰着清洁技术的发展：作为减缓气候变化的关键技术，风机、光伏和相关配件的制造安装需消耗大量关键金属，比如铝、铜、锌、镍、钴等。
而这些关键金属的开采和加工是碳密集型行业，会释放大量的温室气体，进而加速温室效应。
目前对清洁的可持续性技术的研究热点通常集中在主流技术电池所需的元素上，例如锂、镍、钴、铟。然而，与其他稀有金属相比，大量需求的金属（如铝），相关的需求风险也需要评估。
由于铝的高导电性、低重量和优异的耐腐蚀性，常常被用于地面平板光伏模块的安装件、框架和逆变器以及电池中。许多其他清洁能源技术（例如，电池、风力涡轮机和相关电力系统）也大量使用它。
世界银行在气候行动矿产报告中，就将铝确定为具有高需求风险的矿物，原因是铝是许多清洁能源技术都必不可缺的材料。所需的铝的开采和生产具有很大的全球变暖潜势 (GWP) 。报告还显示，光伏主导了铝的需求，将占未来总额外需求的87%。
据能源咨询公司伍德麦肯兹估测，光伏系统的平均铝用量达到了21kg/kW。聚光光热发电系统的铝使用密度可达到2倍多，即约47kg/kW。
最近，《自然》（Nature）杂志发表的一篇关于“到2050年实现净零排放的太瓦光伏铝需求风险”一文，阐述了太阳能快速发展对碳密集型金属的需求将飙升问题。
来源：dowell / Getty Images
论文作者、澳大利亚悉尼新南威尔士大学的Alison Lennon和她的同事模拟了太阳能行业对铝的需求，铝用于太阳能电池板的框架和配件。作者假设，到2050年，如果要将全球变暖限制在低于工业化前水平 2°C，达到碳排放净零目标，将需要超过60万亿瓦的太阳能。
依此情景，研究人员估计，到 2050 年，满足所有太阳能装置增产需求，可能需要4.86亿吨铝。
我们一边加快清洁能源取代传统能源的能源结构转型，一边发展可再生能源技术消耗大量金属导致温室气体排放，加速气候变化。庞大的制造任务，将创造对各种矿产的需求。究竟怎样能平衡这两者？
01
铝的需求量每年达到2850万吨
Lennon等预测，铝的需求量将增加，到2050年，每年将达到 2850万吨。这一年需求量将占2020年全球铝产量（6500万吨）的40%以上，占中国 2020年铝总产量（3700万吨）的一半以上。
图说：到2050年对光伏板、模块框架、支架和逆变器的年度和累积铝需求
来源：Lennon, A.,
尽管铝在地壳中含量丰富，铝土矿储量估计为300亿吨，但未来30年需要显着提高铝生产水平，以满足仅光伏制造的需求。
这种需求不包括在其他清洁能源技术中使用铝。因此，可以将这个数据视为实际需求的下限，考虑到用于运输和其他建设基础设施铝需求，预计铝的使用量也将更加巨大。
Lennon也表示，如果大部分光伏制造继续在中国进行，并得到当地生产商的支持，那么这种需求可能需要通过中国当地和进口铝生产的组合来满足。
铝材的制备过程包括（1）将铝土矿精炼成氧化铝（拜耳法）；(2) 氧化铝电解法冶炼铝（Hall-Héroult 电解工艺）。整个铝初级生产过程的能源需求估计为每吨铝62.6 GJ，这大大高于钢或铜。
铝初级生产的排放强度以所需电力的间接排放为主。2018 年全球铝初级生产的平均排放强度约为每吨铝排放16.5吨CO2，国际铝业协会预测，如果使用脱碳清洁电力，该值可降至约每吨铝5.5吨CO2当量排放。
来源：Lennon, A.,
向低碳经济转型所需的其他技术将需要数十亿吨材料，这些技术排放的温室气体比它们正在取代的化石燃料技术要少得多，但它们的矿产需求高。
当然，太阳能光伏板的快速部署并不是一件坏事。相反，我们应该考虑扩大太阳能光伏应用所需材料的生产（或回收）对环境的影响，以及这些材料的供应是否能满足需求。
02
回收和在可再生能源地就地建厂
作者认为，尽管铝矿很丰富，但太阳能电池板所需的铝绝对数量大，以至于生产这种金属可能会破坏清洁能源的努力。他们得出的结论是，要减少金属的碳足迹，必须最大限度地回收铝，并由于冶炼金属所需要的大量电力需要加快电网脱碳发电。
使用替代方案（例如硅、钢铁）可以降低光伏组件模块的铝的使用，降低制造过程中的碳排，但对于全球气候变暖潜值GWP，短期内没有作用。
比如即使硅材料也是光伏板所需的材料，但硅的生产是另一个能源密集型过程。尽管生产效率的提高，组件生产的排放量一直在稳步下降，但它们对光伏组件的隐含排放影响依然很大。
铝是目前市场上回收率、可回收率最高的材料之一。回收的二次生产仅需要消耗初级生产所需能源的约5%，并且仅产生初级生产排放量的3-5%。近75%生产的铝今天仍在使用，并且报废回收率估计为34-63%。
Lennon及其同事表示，降低所需铝需求的GWP的途径可能是：
1.
使用本土铝作为光伏组件的基础供应，以减轻中国二级铝的需求压力。单纯依靠进口会导致铝运输成本高，增加产品生命周期的碳排放，也会造成国家间“碳泄漏”问题。
2.
降低铝初级生产的排放强度。可以通过在安装国使用更大的二次铝池以及在冶炼过程中使用低碳水电来降低潜在的GWP。
同时，需要对现有铝冶炼厂和新铝生产能力进行大量投资，以满足不断增长的需求。
在风光等可再生能源区选址铸厂，使用100%的可再生能源是一个非常好的解决方案。例如集中的太阳能(CSP)热源，可以在太阳能资源丰富的地区为铝的生产制造提供优势。风光资源丰富的地区同时提供解决间歇性问题的措施（例如，储能装置），可以更容易并更低碳地生产铝。
在可再生能源区内建立铝精炼厂和冶炼厂的一个关键优势是，它们可以运用多余的可再生能源发电，并通过调整其运营（例如，当能源需求超过供应时进行减轻负荷）来促进需求侧响应。铝精炼厂和冶炼厂共址，通过将电解产生的热量用于拜耳法的煅烧步骤，可节省高达22 GJ/t的能源。
中国企业远景科技集团在鄂尔多斯打造的零碳产业园，就是利用当地得天独厚的风光等气候资源条件，从绿色电力产出使用就地消纳，到产品生产、回收完整零碳绿色产业链，实现零碳新工业体系的优势，使原本高耗能产品的碳足迹零碳化。
自2004年以来，中国一直是最大的初级铝生产国，2020年产量约为3700万吨（约占世界产量的 60%）。生产铝的大部分能源是煤炭。尽管电力系统脱碳似乎是一个迫在眉睫的战略，但需要认识到这一转型将增加光伏生产，可能会对铝初级生产提出更大的需求。尽快对铝、钢等碳密集产品的生产转移到风光资源丰富地区，降低产品碳足迹，是大势所趋。
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参考资料：
[1]Lennon, A., Lunardi, M., Hallam, B. & Dias, P. R. Nat. Sustain. https://doi.org/10.1038/s41893-021-00838-9 (2022).
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-022-00176-6
[3]https://www.nature.com/articles/s41893-021-00845-w
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