作者：《LMA》特约编辑 Alton Tabereaux
编者说明：本文编译自LMA，旨在给业界提供有关全球铝冶炼业能源转型的一些参考。文中有关数据未经证实，也不代表我们认同文中相关信息和观点。特别是有关中国的数据并不及时准确。仅供读者阅读参考。
2021，全球铝冶炼厂的原铝产量为6800万吨。根据ASI提供的数据，铝行业2021年二氧化碳直接排放量为2.75亿吨，比2020增加了2%。如果计入电力的间接排放量，这一数字将增加到约11亿吨二氧化碳，这部分电力的排放将占2020年铝生产直接和间接碳排放总量的70%
原铝生产（从采矿到铸锭）占铝行业排放量的95%。实现铝冶炼厂电力供应脱碳，为2050年将碳排放降至净零的最重要机会。氧化铝精炼和铝冶炼过程中使用的电力，占该行业碳排放的90%以上。电化学反应占铝生产直接二氧化碳排放量的60%以上，其余来自阳极生产、铝铸造和再生铝生产。
原铝的碳足迹范围很广，从可再生能源（如水电）的碳足迹小于5 t CO2e/t Al，到煤炭的碳足迹大于25 t CO2e/t Al。根据国际战略研究中心（CSIS）的数据，铝行业脱碳所需要的投资估算在5000亿美元至1.5万亿美元之间。
许多国家和行业正在努力达成《巴黎协定》，这是一项具有法律约束力的气候变化国际条约。2015年12月12日在法国巴黎举行的COP 21缔约方会议上， 196个缔约方通过了该协议，并于2016年11月4日生效。根据转型路径倡议（Transition Pathway Initiative），该协议的目标，是与工业化前水准相比，将全球变暖限制在远低于2°C（最好是1.5°C）。
铝冶炼企业的碳足迹通过《温室气体（GHG）议定书》引入的范围1-3排放量进行测量，具体如下：
范围1：报告公司拥有或控制的活动或运营产生的直接温室气体排放，包括物理或化学处理（铝电解、阳极焙烧）产生的排放，以及通过燃料燃烧产生的现场能源（如电力、蒸汽）产生的排放。
范围2：企业由购买的能源（包括电力、蒸汽、加热和冷却）产生的间接排放。
范围3：供应商公司拥有或控制的来源产生的间接GHG排放，包括公司使用的原材料（如氧化铝、煅烧石油沥青、煤焦油沥青）上游生产产生的排放，以及产品、材料和废物外部运输产生的排放。
Les Edwards等人报告称，加拿大魁北克的Aluminie Alouette冶炼厂是世界上碳足迹最低的冶炼厂之一，2019年估计为3.9 t CO2e/t Al（范围1–3），而全球平均冶炼厂平均参考的碳足迹为16.3 t CO2e/t Al。分析表明，大多数使用可再生能源的冶炼厂，可实现范围1和范围2的排放量>4 t CO2e/t Al。然而，实现范围1-3排放的排放目标更具挑战性。
全球2000家最大的上市公司中，超过五分之一的公司已承诺实现净零目标。根据国际铝协IAI对脱碳挑战的分析，在全球范围内，铝行业必须在2050年前将排放量减少77%，以实现将全球变暖控制在2°C以下的气候目标，未来的电锅炉和惰性阳极，可使排放量减少85%。
中国是世界上最大的铝生产国，占全球铝产量和需求的55%以上。中国铝行业平均排放也高于世界铝工业平均水平，因为它依赖煤炭电力的平均排放为12.7吨/t Al，而全球铝电的平均排放值为10.3吨/t Al。习近平主席宣布，中国的碳排放将在2030年达到峰值，到2060年将实现碳中和。钢铁行业占中国碳排放量的15%，是中国制造业中最多的碳排放行业，而铝行业占近4%。因此，钢铁和铝的脱碳，已成为中国政府的重点。中国2021至2025年第十四五规划，为钢铁和铝碳优化提供了目标，一些部委和省份已宣布将为铝厂排放纳入碳交易市场并为碳定价。
铝冶炼用电的来源
用于生产原铝的电力，是碳排放的重要来源。表2显示了2021的原铝产量以及全球各地铝冶炼厂使用的各种能源的分布情况。许多铝生产商正在努力转向可再生能源。
表1. 2021原铝冶炼厂使用的电源百分比（数据来源：IAI和美国地质调查局）
煤炭发电
中国、印度、马来西亚和印度尼西亚的铝冶炼厂，从燃煤发电厂获得的电力比例最高（93%）。2021，中国约占全球铝产量的57%，目前80%的电力来自燃煤电厂(编者注：此处表述与中国实际情况不符，未考虑电网的绿色电力比例。）。澳大利亚（依赖67%）和非洲（依赖49%）等其它地区，也通过燃煤电厂为冶炼厂提供大量电力。
由于使用的燃煤能源比例较高，中国每吨铝的电力碳排放12.7吨，而全球平均排放量为10.3吨。据估计，使用燃煤发电的中国铝冶炼厂平均电力排放12.36t CO2/t Al。对原铝生产用电进行脱碳，将有助于中国实现2060年碳中和目标（表3）。
表2. 2020年至2060年中国原铝的预计能源结构（数据来源：世界经济论坛）单位：%
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2020 |
2030 |
2040 |
2050 |
2060 |
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火电 |
80.4 |
62.1 |
41.8 |
26.2 |
13.1 |
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水电 |
9.1 |
10.8 |
13 |
14.6 |
16 |
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风电 |
3.4 |
12 |
16.3 |
18.3 |
19 |
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光伏 |
4.8 |
7 |
18 |
27.3 |
35.4 |
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核电 |
2.5 |
6.3 |
8.3 |
9.1 |
9.6 |
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其它 |
2.7 |
1.8 |
2.6 |
4.6 |
7 |
水力发电
俄罗斯拥有世界上9%的水电资源，主要分布在西伯利亚和该国的远东地区。俄罗斯最大的大坝是Yenisel河上的Sayano-Shushenskaya大坝（6400 MW）、Yenisei河畔的Krasnoyarsk大坝（6000 MW）、Angara河上的Bratsk大坝（4500 MW）、Angara河上的Ust-IIimsk大坝（4320 MW）和Angara河的Boguchany大坝（1920 MW）。俄罗斯俄铝铝冶炼厂从水电站获得了高比例（93%）的电力，主要来自西伯利亚的主要河流。俄铝生产铝所需的电力中，98%以上来自可再生能源。
2020年，中国新建设了12GW的新水力发电能力，随后是土耳其，新建2.5GW。近年来，中国冶炼厂将数百万吨铝产能转移到中国西南部，以优惠的价格挖掘更清洁的水力发电，而不是使用污染更严重的燃煤发电。目前，中国的铝冶炼厂有16%的电力来自主要位于云南西南部和邻近的广西省的河流上的水力发电厂。
海德鲁在挪威运营着20多座水电站，每年为铝生产提供约10TWh的清洁和可再生能源。加拿大、冰岛、挪威、阿根廷和巴西的铝冶炼厂，从区域河流上的水电站获得了高百分比的可再生电力（约80%）。加拿大约90%的铝产自魁北克省，该省的铝，被认定为世界上最可持续的铝，因为它几乎完全由水力发电生产。
美国铝业公司和合作伙伴South32将重新启动其位于巴西的铝冶炼厂，该厂自2015年以来全面缩减生产。该冶炼厂将100%由可再生水力发电提供动力，在全球铝厂成本曲线中处于第2个四分位。该冶炼厂2022年6月首次生产，2023年3月，它的三条生产线将实现447000吨/年的产能。
冰岛在20世纪60年代开始从化石燃料转向可再生能源，如今，该国的电网由100%的可再生能源供电。水力发电占其电力的72%，地热能占25%，风力发电项目正在开发中。地热能的主要用途是用于空间供暖，热量通过广泛的区域供暖系统分配给建筑物。冰岛约85%的房屋使用地热能供暖。从石油供暖向地热供暖的转变，从1970年到2000年，冰岛估计总共节省了82亿美元，二氧化碳排放量减少了37%。
冰岛的铝冶炼厂仅占全球铝生产平均温室气体排放量的1/6。3家铝冶炼厂Norğurál（世纪铝业）、Fjarğaál公司（美铝）和ISAL公司（力拓）通过当地可再生水力发电和地热能源的混合电网获得可再生能源。ISAL通过与Carfix合作在工厂实施碳捕获技术，进一步减少其Hafnarfjöråur冶炼厂的碳足迹。这将使冶炼厂能够从欧洲工业工厂中捕获液化二氧化碳并将其储存在地下。
天然气发电
在海湾合作委员会（GCC）国家巴林、迪拜、阿曼、卡塔尔和沙特阿拉伯的铝冶炼厂，100%的电力来自当地石油设施生产的天然气（表4）。南美洲的铝厂19%的电力来自天然气。
2021，卡塔尔生产1770亿立方米天然气，居世界第6位。沙特阿拉伯生产了1120亿立方米天然气（排名第9），阿联酋生产了1100亿立方米（排名第10）。
表3.2021拥有铝冶炼厂的海湾国家的天然气产量（数据来源：Statista）
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国别 |
百万立方米 |
排名 |
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卡塔尔 |
177300 |
6 |
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沙特阿拉伯 |
11215 |
9 |
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阿联酋 |
109951 |
10 |
|
阿曼 |
37797 |
27 |
|
巴林 |
17249 |
35 |
2021，俄罗斯提供了欧盟约45%的天然气。德国一半的天然气和煤炭以及1/3以上的石油，都依赖俄罗斯。2022年2月24日，俄乌战争爆发，许多欧洲国家向乌克兰提供了军事支持和数百万难民援助。之后，西方领导人还对俄罗斯石油和天然气实施了一系列制裁。作为报复，俄罗斯将对欧盟的天然气供应削减了约88%。由于这些供应中断，欧洲能源价格上涨，预计这一趋势将持续到2023年及以后。
因此，欧盟目前正在努力减少他们对俄罗斯石油和天然气的消费。欧洲领导人正转向非洲寻求更多的天然气，以取代俄罗斯的能源。在塞内加尔和毛里塔尼亚海岸线附近的油气田，预计含有约4250亿立方米天然气，是2019年全年依赖天然气的德国使用量的5倍。但预计明年年底才能投入生产。
核能发电
大多数核电站的运行寿命在20至40年之间。截至2021 12月31日，美国商业核电反应堆的平均运行年限约为40年。反应堆老化，为由于使用条件（包括正常操作和瞬态条件）导致的材料持续时间依赖性退化。
目前，核能约占世界电力的10%，来自约440个动力反应堆，是世界第2大低碳能源来源（2019年占总量的28%）。在2021年，所有运行中的核电站提供2653TWh的电力。
2022年10月，440座民用可操作电力反应堆的总电力容量为393GW。有57座反应堆在建，102座反应堆在计划中（表5）。欧洲的铝冶炼厂，从核电站获得的电力比例最高（6%）。法国约70%的电力来自核能，因为它拥有欧洲最多的核电站（56座），但目前只有一座核电站在建，且没有新规划的核电站。在乌克兰、斯洛伐克、比利时和匈牙利，大约一半的电力来自核电站。
表4. 拥有铝冶炼厂国家的民用核反应堆（数据来源：世界核协会）
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国别 |
运营的核电厂/反应堆 |
在建或未完工的核反应堆 |
规划中的核反应堆 |
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美国 |
54/92 |
0 |
11 |
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法国 |
18/56 |
1 |
0 |
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中国 |
45/52 |
22 |
74 |
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俄罗斯联邦 |
12 /37 |
10 |
22 |
|
印度 |
.7/22 |
10 |
32 |
|
加拿大 |
4/19 |
0 |
2 |
|
乌克兰 |
4/ 15 |
16 |
2 |
|
西班牙 |
5/7 |
4 |
0 |
|
瑞典 |
3 /6 |
1 |
0 |
|
阿根廷 |
2 /3 |
1 |
1 |
|
德国 |
3 /3 |
6 |
0 |
|
阿联酋 |
1 /3 |
2 |
0 |
|
巴西 |
1 /2 |
1 |
0 |
|
南非 |
1/2. |
0 |
8 |
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合计 |
160/319 |
74 |
151 |
目前，德国面临的挑战，是减少发电部门对天然气的依赖，而该国退出核电使的问题更加复杂。其最后3座核电站计划于今年关闭。出于这个原因，德国的目标是到2035年实现可再生能源供应满足全部的电力需求，而此前的目标是在2040年之前放弃化石燃料。
美国拥有最多的核电站（57座），共有92座核反应堆，但没有新的在建核电站。这表明，目前，核能计划没有成为美国的主要发电来源。
中国的铝冶炼厂只有1%的能源来自核电站。中国有45座正在运行的核电站和52座核反应堆。2座核反应堆正在建设中，另有74座核反应堆计划建设中，这表明核能项目对中国的未来至关重要。
俄罗斯有12座正在运行的核电站和37座核反应堆。另外，该国正在建设的核反应堆有10座，另有22座核反应堆处在计划建设中。
太阳能发电
2020年，主要由于亚洲地区太阳能项目的增加（78GW），目前，太阳能总发电量已达到与风力发电量大致相同的水平。中国（49GW）和越南（11GW）的产能大幅增加。美国增加了15GW，日本增加了5GW，印度和韩国都将太阳能发电量增加了4GW以上。
铝是光伏应用中使用最广泛的单一材料。事实上，从框架到面板，金属件占大多数太阳能光伏组件的85%以上。太阳能光伏板的制造寿命超过25年。事实上，早在20世纪80年代安装的许多太阳能电池板，目前仍在以预期的容量运行。
《国际光伏技术路线图》（ITRPV）设定了到2050年安装60 TW光伏板的目标。这意味着，到2050年，世界每年需要额外生产4.5 TW的光伏板，以实现净零排放，并将全球变暖限制在2°C以下。到2020年底，已安装量仅超过700 GW。预计2050年光伏发电量为4500TWh，全球每年可减少230亿吨二氧化碳排放量，占减排的二氧化碳总量（4800亿吨）的约5%。
具有代表性的硅模型面板尺寸为320 W，按此计划，那么1 GW的功率等于312.5万个光伏面板，太阳能的平均成本为每千瓦时6-8美分。根据2021安装的3 MW的平均实用风力涡轮机规模，太阳能电池板的1 GW电力，相当于333台实用风力涡轮机。目前，太阳能制造商协鑫系统集成技术公司）正在中国安徽省合肥市投资25亿美元建设一座太阳能组件工厂，该工厂将具备生产60GW组件的能力。这将是世界上最大的太阳能电池板生产基地，能够供应目前全球太阳能组件需求的一半左右。
印度铝业公司是众多寻求太阳能发电的铝生产商之一。该公司位于印度Bargawan的Mahan 铝厂是一家综合铝冶炼企业，包括一个359000吨/年的冶炼厂，利用现代AP36电解技术。它由一座900MW的自备化石燃料热电厂提供支持。目前，印度铝业公司已经采用一个25MW的太阳能发电厂发电（图1），该发电厂将为企业内部需求和铝生产提供电力。Mahan 铝厂总裁Senthil Neith表示，“新的太阳能发电厂，将产生5.5亿单位的电力，减少3.5万吨煤炭消耗，并减少5.2万吨碳排放。”
图1 印度铝业公司Mahan铝冶炼厂的25MW太阳能发电厂（来源：印度铝业公司）
风力发电
2020年，风力发电项目几乎翻了一番，容量为111GW，而2019年为58GW。中国新增了72 GW的新增容量，美国新增了14 GW。2020年，其它10个国家的风力发电容量增加了1 GW以上。2020年，海上风力发电量增加至总风力发电量的5%左右。
2021，风力涡轮机的平均价格为每千瓦800-950美元。每个平均尺寸的商用风力涡轮机的初始成本为260万至400万美元。每兆瓦发电量的典型成本为130万美元。大多数商业风力涡轮机的容量为2–3 MW，但海上涡轮机的容量可能高达12 MW。由于风力条件不断变化，大多数涡轮机以其理论最大生产能力的35–65%运行。风力涡轮机还需要防止雷击，这可能会导致维护成本飙升。
欧洲的铝冶炼厂从电网的可再生能源获得的电力比例最高（6%）。2020年，法国陆上风电装机和运营总量为17.4 GW，而2019年为16.4 GW，增幅为6.1%。2020年，风能总量占法国可再生能源总量的31.4%。法国政府已授予陆上风电和地面太阳能项目的合同。陆上风电合同旨在安装25个项目，对应发电量为750GW，平均报价为67.90美元/GWh。地面太阳能项目发电量650GW，价格为67.42美元/GWh。作为同一项目的一部分，法国政府还授予了额外的312GW的太阳能发电量，其中94GW用于弥补关闭的一家运营时间最长的核电站。
中国努力减少其可再生能源发展基金（REDF）140亿美元的赤字，为此，中国一直在逐步降低对陆上风电和太阳能项目的补贴，这些项目目前支持约210GW的风力发电能力。2020年，财政部预算7亿美元用于补贴新的可再生能源，用于支持8 GW至10 GW的新建陆上风电容量。
美铝与独立可再生能源开发商和生产商Greenalia签订了长期购电协议（协议将于2024年开始，并将延长至2033年底），该协议预计将为San Ciprián冶炼厂重启提供多达183 MW的基本负荷电力，约占冶炼厂最大产能228000吨/年所需能源的45%。美铝已与Capital Energy签署了类似的协议。目前，Capital Engery正在加利西亚地区开发11个风电场。通过这一项协议，美铝将为其San Ciprian冶炼厂获得约573MW的风力发电。Capital Engery公司表示，已承诺在最初的10年内每年向San Ciprian冶炼厂供应876 GWh。该协议预计也将于2024年生效。
美铝波特兰铝厂自1986年开始运营，是在澳大利亚运营的4家铝厂之一。它生产的铝占澳大利亚总铝的19%，是维多利亚州最大的出口企业之一。目前，波特兰冶炼厂消耗的电力中有30%以上来自可再生能源，包括附近陆上风电场的电力。澳大利亚电力公司Alinta Energy计划在维多利亚海岸建造一座1000GW的海上风电场，以便为美铝的波特兰铝冶炼厂提供绿色能源。尽管该项目处于早期阶段，但该项目正在考虑在海岸外建一片500平方公里的场地，称为Spinifex（图2）。Spinifex预计耗资40亿美元，将通过波特兰冶炼厂与电网相连。通过这项协议，波特兰将能够100%利用可再生能源发电，这将是澳大利亚道家利用100%可再生能源的铝冶炼厂。
图2. 美铝波特兰铝冶炼厂附近拟建的Spinifex海上风电场（来源：Spinifex）
2021，世纪铝业（Century Aluminum）位于冰岛Grundartangi的Norðurál铝冶炼厂与独立可再生能源发电商Qair签署了一份意向书。根据该协议，该冶炼厂将接收来自Qair在冰岛开发的两个风力发电厂的风力发电，总装机容量为200GW。此外，两家公司同意联合起来从Norğurál铝冶炼厂捕获二氧化碳，并用于Qair的Grundartangi氢工厂生产“eFuel”，该氢工厂的厂址将位于Norðurá附近。
海德鲁还开展了一些风能和可再生能源项目。2020年，海德鲁能源部（Hydro Energy）接管了挪威第二大风电场Tonstad Vindpark（208 MW）的运营，并为海德鲁的发电厂开发了电池存储项目，以避免峰值电价。
2022年，海德鲁的Rein公司与Macquarie资产管理公司的绿色投资集团（Green Investment Group）合作，在巴西建设和运营一个586GW的风力和太阳能联合发电项目，名为Feijão。该混合风电和太阳能项目，将位于Piaui州和Pernambuco州，一期项目将拥有80台风力涡轮机，总容量为456GW，二期项目开发高达130MW的太阳能发电。由于有利的气候条件和强风，巴西东北部地区拥有该国90%的风能装机容量。该国已建成的777座风力发电厂的总容量为21GW，目前正在建设的还有4.9GW。Feijão项目，将为海德鲁的Paragonas铝土矿矿山提供100%的电力，并在2030年替代煤炭，进一步减少海德鲁氧化铝精炼厂Alunote的碳排放。该项目还将成为实现海德鲁2030年二氧化碳减排30%目标的重要推动力量。
其它能源
可再生能源的其它潜在来源，包括地热能和生物能源，这两种能源的规模都在缩小。地热能是由地壳的热能产生的，当岩浆加热地下水源（如温泉、蒸汽喷口、间歇泉等）时，就会产生热能。2020年，土耳其的地热发电能力增加了99GW，新西兰、美国和意大利也出现了小规模的扩建项目。在美国，2023年地热发电量为17126 GWh，累计装机容量为3889 MWh。加州在地热发电方面处于领先地位。
生物能源来源于近期的有机材料，称为生物物质，可以制成生物燃料。在中国，生物能源的产能已经扩大了2GW以上。欧洲是2020年唯一一个显著扩张的地区，新增了1.2 GW的生物能源产能，其中，固体生物材料用于加热，液体生物材料（例如乙醇）用于燃料）。2022年底，在印度Chhatisgarh邦Korba冶炼厂，Vedanta铝业的子公司Bharat铝业有限公司（BALCO）成功进行了使用生物柴油的试运行。在试点试验中，冶炼厂使用生物柴油预热运输熔融铝的铝液包车。随着该项目的成功运行，BALCO可能开始在其其它生产设施中使用生物柴油。
传输容量
可再生能源生产，如海上风力发电场或主要太阳能发电场，通常位于远离生产设施的地方，这意味着电力必须长途跋涉才能到达最终用户。在美国，传输过程中的电力消耗为5%。此外，与煤炭或石油不同，可再生电力不能用卡车运到某个地点并转化为能源。缓解这些问题的一种方法，是建立超高压（UHV）输电系统，这是指在80万V（800 kV）以上运行的输电线路。相比之下，目前在美国运营的大多数输电线路的电压都低于395kV。
目前，只有两个国家拥有功能性UHV，包括中国和巴西。中国有30条功能性特高压线路，而巴西有2条，两国的线路均由中国公司建设。目前，中国国内正在寻求一个耗资3000亿美元的项目，运营期为30年，以实现电网的更新换代，并成为政府电网现代化计划的最前沿。
参考文献：略
（来源：LME 尚轻时代编译）
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