Wege zur Dekarbonisierung für die Aluminiumindustrie – 2050
Ein kürzlich veröffentlichter Bericht des International Aluminium Institute (IAI) skizziert klare und umfassende Wege, die der Aluminiumsektor verfolgen kann, um die Treibhausgasemissionen in den nächsten 30 Jahren zu reduzieren.
Das Positionspapier der IAI, Aluminium SectorGreenhouse Gas Pathwaysto 2050, präsentiert eine vollständige Karte des Weges zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen für die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie in den nächsten drei Jahrzehnten. Der Bericht basiert auf dem Kernwissen und der Expertise von IAI über die globale Aluminiumindustrie, einschließlich wichtiger gesammelter Daten und Analysen.
Aluminium ist ein bestimmender Faktor für eine nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung. Aluminiumprodukte sind leicht, stark, langlebig, leitfähig und recycelbar und sind wesentliche Elemente für eine kohlenstoffarme Zukunft. Sie bieten energieeffiziente und CO2-sparende Lösungen für emissionsreiche Sektoren, die Dienstleistungen erbringen, darunter Energie, Transport, Gebäude, Lebensmittel und Pharmazie.
Im Jahr 2018 betrug der weltweite Bedarf an Aluminium 95 Millionen Tonnen, wovon zwei Drittel (64 Millionen) durch Primäraluminium, hergestellt aus dem Erz, und ein Drittel (31 Millionen) durch recyceltes Aluminium gedeckt wurden. Das schnelle demografische und wirtschaftliche Wachstum in den nächsten Jahrzehnten führt dazu, dass die weltweite Nachfrage nach Aluminium bis 2050 um bis zu 80 % steigen wird. Diese Nachfrage wird durch Recycling- und Primärmetalle gedeckt.
Trotz des prognostizierten Anstiegs des Angebots an recyceltem Metall schätzt das IAI, dass im Jahr 2050 bis zu 90 Millionen Tonnen Primäraluminium pro Jahr benötigt werden. Die Organisation sagte, sie erkunde realistische und glaubwürdige Technologiepfade für eine sektorale Reduzierung der Treibhausgasemissionen bis 2050 und für die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie im Einklang mit den Szenarien der IAE und der Internationalen Energieagentur.
Dekabornisierung der Aluminiumindustrie: Szenario jenseits von 2 Grad
In einem Szenario über 2 Grad (Beyond 2 Degree – B2DS) wird erwartet, dass die Branche ihre Gesamtemissionen von einem Basiswert von 1,1 Milliarden CO2-Emissionen im Jahr 2018 und einem erwarteten Business-As-Usual-Szenario bis 2050 von 1,6 . auf 250 Millionen C02e-Emissionen reduzieren wird Milliarden CO2-Emissionen. Das IAI hat ein technisches Datenblatt zum AluminiumsektorBeyond 2 Degree (2018-2050) veröffentlicht, in dem der Umfang, die Methoden, Daten und Analysewerkzeuge des IAI zur Berechnung des aktuellen Fußabdrucks von Treibhausgasemissionen und zur Modellierung eines 2050-Szenarios für die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie, basierend auf dem B2DS der IEA.
Umfang, Emissionsquellen und Prozesse in den IAI-Datensätzen umfassen:
- Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus für Aluminiumhalbzeuge;
- Alle Prozesse vom Bergbau (Primärweg) über die Sammlung am Ende des Lebenszyklus (Recyclingweg) bis zur Herstellung, einschließlich Hilfsstoffe, Transport, Stromerzeugung und Hintergrundprozesse;
- Globale Sektorabdeckung (100 %);
- Jahresdaten, Aluminiumproduktion von 2018 bis 2050 und daraus resultierende Prozessemissionen. Die gesamten THG-Emissionen des Sektors belaufen sich derzeit auf 1,1 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen.
Die Eingabeinformationen von IAI zur Erstellung des Berichts umfassten Schlüsseldaten wie: historische Primäraluminiumproduktion; Daten zum Recycling; historische Emissionen für alle Quellen und Prozesse; Intensität der Primäraluminiumemissionen, basierend auf dem IAI-Lebenszyklusinventar (2015) und der jährlichen Energiestatistik, sowie der Aluminiumproduktion im Jahr 2050 und B2DS-Emissionen.
Die Produktionsdatenprognosen basieren auf dem Referenzszenario IAI 2020 (März 2020). Dieser Datensatz wird jährlich aktualisiert.
Die IEA hat bisher zwei Erwärmungsszenarien unter 2 °C veröffentlicht: das Szenario Jenseits von 2 °C (B2DS) im Jahr 2017 und das Szenario der nachhaltigen Entwicklung (SDS) im Jahr 2020. Für den IAT-Horizont 2050 prognostiziert B2DS eine Reduzierung um insgesamt 85 % anthropogenes Kohlendioxid von 34,3 Milliarden CO2 im Jahr 2014 auf 4,8 Milliarden CO2, während die SDS eine 75-prozentige Reduzierung gegenüber dem Ausgangswert 2019 von 35,7 auf 9,4 Milliarden CO2 vorsieht.
Das auf B2DS ausgerichtete sektorale Budget 2050 der IEA für die Aluminiumindustrie (250 Millionen CO2-Emissionen) wurde berechnet durch Addition:
- die direkten CO2-Emissionen von Aluminium, die von der IEA unter B2DS veröffentlicht wurden (171 Millionen CO2-Emissionen);
- die Bewertung der Emissionen aus dem Stromverbrauch der Fusion (8 Millionen CO2-Emissionen);
- geschätzte Emissionen aus Bergbau, Berücksichtigung von Strom und Treibhausgasen in nicht schmelzenden Prozessen, Transport und Hilfsstoffen (69 Millionen CO2-Emissionen).
Das B2DS-Budget der IEA für den Aluminiumsektor umfasst eine Teilmenge der direkten Emissionen aus der Industrie mit separaten regionalen Routen für den Stromverbrauch. Das IAI hat dann das IEA-Szenario für direkte CO2-Emissionen, die durch den Aluminiumsektor und seinen Energieverbrauch erzeugt werden, zusammengestellt und B2DS-angepasste Pfade für Emissionen entwickelt, die nicht im IEA-Datensatz enthalten sind.
Das Ergebnis ist ein B2DS-orientierter Pfad für den gesamten Aluminiumsektor, der den Dekarbonisierungsprozess aufzeigt und dass bis 2050 die Gesamtemissionen des Aluminiumsektors über die gesamte Lieferkette (Produktion von Bauxit, Aluminiumoxid und Aluminiumprimär, Recycling von Vor- und Post-Consumer-Schrott und Produktionsprozesse von Halbzeugen) auf 250 Millionen (ausgehend von 1.100 Millionen CO2-Emissionen im Jahr 2018 und einem Business asUsual (BAU) 2050-Projektionspfad von 1.600 Millionen Emissionen) reduziert werden sollen.
Von diesen 250 Millionen Tonnen würden die Emissionen des Stroms, der bei allen Prozessen, insbesondere aber bei der Fusion, verbraucht wird, Emissionen nahe Null darstellen. Derzeit macht diese Quelle 700 Millionen CO2-Emissionen aus und im Jahr 2050 würden sie im Rahmen der BAU auf 900 Millionen ansteigen.
Es wird erwartet, dass die nichtelektrischen Primäraluminiumemissionen von heute 400 Millionen (über 520 Millionen im Jahr 2050 unter BAU) auf weniger als 200 Millionen gesenkt werden.
Die Emissionen der Kraftstoffverbrennung aus Recycling- und Herstellungsprozessen sollen gegenüber der BAU um 55 % von über 110 auf 50 Millionen CO2-Emissionen gesenkt werden.
Drei Wege zur Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie
Um den effektiven Weg zur Reduzierung von Emissionen und zur Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie abzubilden, berechnete das IAI alle Schlüsseldaten und identifizierte drei breite Pfade, die weiterhin den wachsenden Bedarf an Metallen decken: Pfad 1 - Dekarbonisierung von Strom; Pfad 2 – Reduzierung direkter Emissionen und Pfad 3 – Recycling und Ressourceneffizienz. Alle Wege würden eine Mischung von Technologien beinhalten, einschließlich bestehender, einiger neuer Lösungen in der Entwicklung und anderer noch zu entwickelnder.
Dekarbonisierung von Strom im Aluminiumsektor
Die Herstellung von Aluminium ist ein energieintensiver Prozess, der erhebliche Mengen an Strom benötigt, um die starken Sauerstoff-Aluminium-Bindungen des Rohstoffs Aluminiumoxid aufzubrechen.
Mehr als 60 % der 1,1 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen des Aluminiumsektors im Jahr 2018 stammen aus der Stromerzeugung, die während des Schmelzprozesses verbraucht wird. Bis Mitte des Jahrhunderts würden diese Emissionen in einem IAE Beyond 2 Degree (B2DS)-Szenario auf nahezu Null reduziert, da fossile Brennstoffe auslaufen oder durch CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung ersetzt würden (CCUS - Carbon Dioxide Capture &Utilization oder Lager).
Zwei Drittel des Strombedarfs der Branche werden durch Kraftwerke gedeckt, die sich im Besitz von Aluminiumproduzenten befinden und von diesen betrieben werden. Die meisten davon basieren auf fossilen Brennstoffen und gehören zu den neuesten und effizientesten in der Branche. Dekarbonisierte Stromerzeugung und CCUS-Implementierung bieten die bedeutendste Möglichkeit zur Emissionsreduzierung für diese Energieverbraucher-Produzenten. Gießereien, die bereits ans Netz angeschlossen sind, müssen ihre Stromemissionen durch die Dekarbonisierung bestehender Netze reduzieren. Mit der Umstellung des Energiesystems auf (intermittierende) erneuerbare Energien werden große und große Stromverbraucher wie Gießereien eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung der Netze spielen. Neben der Dekarbonisierung des Fusionsprozesses (bereits elektrifiziert) könnten Elektrifizierung und erneuerbare Energien die Emissionen der wichtigsten Verbrennungsprozesse des Sektors (Öfen, Aluminiumoxidraffinerien und Verkehr) reduzieren.
Reduzierung direkter Emissionen
Die Hauptquellen der nicht-elektrischen Emissionen im Aluminiumsektor sind die Verbrennung von Brennstoffen, der Verbrauch von Schmelzanoden, der Transport und die CO2-Bilanz von Rohstoffen. Diese Quellen sind bei allen Herstellern gleich, mit geringen Leistungsunterschieden innerhalb der Branche.
Bis 2050 müssen die 650 Millionen Tonnen Business AsUsual-Treibhausgase, die von diesen Quellen emittiert werden, unter einem von der IEA B2DS entfremdeten Hang auf etwa 250 Millionen Tonnen reduziert werden, obwohl die Nachfrage nach dem Metall um etwa 80 % steigen wird.
Direkte Emissionen aus der Verbrennung von Brennstoffen zur Erzeugung von Wärme und Dampf machen 15 % der Emissionen des Sektors (2018) aus – aus Aluminiumoxidraffination, Anodenherstellung, Gieß-, Umschmelz- und Recyclingprozessen. Für diese thermischen Prozesse bietet die Elektrifizierung mit kohlenstoffarmen Quellen einen möglichen Weg zur Dekarbonisierung. Wo eine Elektrifizierung nicht möglich ist, sind grüner Wasserstoff, konzentrierte Solarthermie und die Nutzung und Speicherung von Kohlendioxid (CCUS) die besten Optionen.
Weitere 15 % der Emissionen des Sektors stammen direkt aus Raffinations- und Schmelzprozessen. Die Beseitigung von Emissionen aus dem Schmelzprozess ist eine gemeinsame Herausforderung für alle Hersteller und erfordert einen tiefgreifenden technologischen Wandel.
Neue Zelltechnologien wie inerte Anoden, die Sauerstoff statt CO2 emittieren, werden einen wichtigen Beitrag zur Emissionsreduzierung leisten, wenngleich ihr Einsatz derzeit noch sehr begrenzt ist.
Hilfsstoff- und Transportemissionen (die etwa 8 % des Gesamtsektors ausmachen) werden durch Veränderungen in anderen Sektoren und Kaufentscheidungen der Aluminiumhersteller reduziert. Es sind beispiellose Investitionen erforderlich, um weitere 20 Millionen zu liefern
Tonnen kohlenstoffarmes Primäraluminium, die bestehenden 65 Millionen Tonnen dekarbonisieren und bis 2050 eine 60-70 Millionen Tonnen Recyclingindustrie für Alt-Schrott aufbauen.
Recycling und Ressourceneffizienz zur Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie
Unbegrenzte Recyclingfähigkeit ohne Eigenschaftsverlust ist einer der einzigartigen Vorteile von Aluminium. Das Recycling von Post-Consumer-Schrott reduziert heute den Bedarf von fast 20 Millionen Tonnen Primäraluminium und vermeidet jährlich etwa 300 Millionen Tonnen CO2-Emissionen. Wenn recyceltes Metall in der Wirtschaft nicht zurückgehalten wird, wird es durch Primäraluminium ersetzt. Die heutige Primärproduktion weist ein durchschnittlich 25-mal höheres Treibhausgasemissionsprofil auf als die Rückgewinnung von recyceltem Metall. Aluminium-Recyclingquoten nahe 100 %, bessere Schrottauswahl, Eliminierung von Pre-Consumer-Abfällen und Altmetallen könnten den Bedarf an Primäraluminium um 20% bis 2050. Dies würde eine weitere Reduzierung der CO2-Emissionen um 300 Millionen Tonnen im Jahr 2050 ermöglichen, eine Auswirkung in der gleichen Größenordnung wie die Reduzierung der direkten Emissionen im Rahmen von Pfad 2.
Die Wegwahl der Protagonisten der Aluminiumindustrie, so das IAI, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie zum Beispiel: einzigartige Energieversorgung, Verfügbarkeit von Rohstoffen und Schrott, Regionalpolitik, Investitionsmöglichkeiten und Verfügbarkeit, Geschwindigkeit und Kosten der Entwicklung und Umsetzung der Technik. Letztendlich sind sektorale und sektorübergreifendePartnerschaften erforderlich, um diese groß angelegte Herausforderung zur Emissionsreduzierung anzugehen und gleichzeitig die wachsende Nachfrage nach Aluminium zu decken.
Dieser Wandel in der Aluminiumversorgung erfordert das Handeln aller in der Kette. Es würde auch politische Rahmenbedingungen erfordern, die Zirkularität ermöglichen und Investitionen in Produktdesign und Innovationen für ein effizientes Aluminiumrecycling fördern.
Angesichts der Kosten für die Dekarbonisierung der Aluminiumindustrie in Billionenhöhe ist der Schlüsselfaktor für die kohlenstoffarme Industrie bis 2050 außerdem die Entscheidung für eine Investition in die folgenden Bereiche:
- Bereitstellung von bis zu 25 Millionen Tonnen neuer Schmelzkapazitäten und Dekarbonisierung einer Kapazität von 65 Millionen Tonnen;
- die 180 Millionen Tonnen Aluminiumoxid-Kapazität, die erforderlich ist, um die Nachfrage der Gießereien zu decken;
- die neuen kohlenstofffreien oder CCUS-Technologien, die derzeit weniger als 1 % der Aluminiumproduktion ausmachen, aber bis 2050 mehr als 50 % ausmachen müssen;
- die Elektrifizierung des Betriebs entlang der gesamten Kette und der erneuerbaren Netze, die sie speisen.
Quelle: International Aluminium Journal