آلومینیوم و محیط زیست

آلومینیوم به عنوان فلزی سبک، بادوام و قابل‌بازیافت نقش حیاتی در صنایع مدرن ایفا می‌کند. این فلز در همه جا از خودروها و هواپیماها گرفته تا ساختمان‌ها، لوازم الکترونیکی و بسته‌بندی حضور دارد و به دلیل وزن کم خود، بهره‌وری انرژی را در کاربردهای مختلف افزایش می‌دهد. با این حال، تولید آلومینیوم اولیه یک فرآیند به‌شدت انرژی‌بر است که همراه با انتشار قابل‌توجه گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌های زیست‌محیطی است. این دوگانگی باعث شده است که آلومینیوم و محیط زیست به یک موضوع مهم در بحث‌های مربوط به توسعه پایدار تبدیل شود. در حقیقت، مطابق داده‌های موسسه بین‌المللی آلومینیوم (IAI)، تولید هر تن آلومینیوم اولیه به طور متوسط بین ۱۲ تا ۱۷ تن CO₂ معادل گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌کند که ابعاد چالش را نشان می‌دهد.

تقاضای جهانی برای آلومینیوم به سرعت رو به افزایش است. یک گزارش اخیر حاکی از آن است که تا سال ۲۰۳۰ تقاضای آلومینیوم نزدیک به ۴۰٪ رشد خواهد کرد و از حدود ۸۶ میلیون تن در سال ۲۰۲۰ به حدود ۱۱۹ میلیون تن در سال ۲۰۳۰ خواهد رسید​. این رشد چشمگیر ناشی از تحول صنایع (مثلاً حرکت به سوی خودروهای برقی) و توسعه زیرساخت‌ها و افزایش جمعیت است​. حمل‌ونقل، ساخت‌وساز، بسته‌بندی و بخش برق در صف مقدم افزایش تقاضا هستند و پیش‌بینی می‌شود ۷۵٪ مصرف جدید را به خود اختصاص دهند​. چنین افزایشی در تقاضا، اهمیت پرداختن به پایداری زیست‌محیطی در زنجیره تأمین آلومینیوم را دوچندان می‌کند تا اطمینان حاصل شود توسعه این صنعت همسو با اهداف توسعه سبز خواهد بود.

در این مقاله جامع، ابتدا تأثیرات زیست‌محیطی صنعت آلومینیوم در صنایع اصلی مصرف‌کننده آن – از حمل‌ونقل و ساختمان گرفته تا انرژی، الکترونیک و بسته‌بندی – ارزیابی می‌شود. سپس رویکردهای کشورهای مختلف از جمله چین، آلمان، ایالات متحده، کانادا و نروژ در مدیریت زیست‌محیطی آلومینیوم بررسی شده و تفاوت‌ها و دستاوردهای هر کدام تبیین می‌گردد. در ادامه، مقایسه‌ای میان آلومینیوم و فلزات رقیب نظیر فولاد، مس، روی و منیزیم از نظر مصرف انرژی، قابلیت بازیافت و آلودگی زیست‌محیطی صورت خواهد گرفت. همچنین اقدامات و ابتکارات شرکت‌های نوآور – مانند «نورسک هیدرو» (Norsk Hydro)، «ریو تینتو» در حرکت به سوی آلومینیوم سبز معرفی می‌شود. در پایان، فناوری‌های نوینی که با هدف کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در زنجیره تولید آلومینیوم در دست توسعه هستند (از آندهای بی‌اثر گرفته تا استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و بهینه‌سازی فرآیند) مورد بحث قرار خواهد گرفت. هدف نهایی این نوشتار، ارائه‌ی تصویری جامع از چالش‌ها و فرصت‌های پیش‌روی صنعت آلومینیوم در مسیر پایداری زیست‌محیطی و کربن‌زدایی است.

فصل اول: تأثیرات زیست‌محیطی صنعت آلومینیوم در صنایع مختلف

آلومینیوم به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فردش (چگالی پایین، مقاومت به خوردگی، رسانایی حرارتی و الکتریکی مناسب، قابلیت بازیافت بالا و استحکام قابل قبول) در طیف وسیعی از صنایع به کار می‌رود. هر یک از این صنایع اثرات زیست‌محیطی مستقیم و غیرمستقیم خاصی در ارتباط با تولید و مصرف آلومینیوم دارند. در این فصل، نقش آلومینیوم در صنایع حمل‌ونقل، ساختمان، انرژی، الکترونیک و بسته‌بندی و تأثیرات زیست‌محیطی مرتبط با هر کدام بررسی می‌شود. آگاهی از این تاثیرات برای اتخاذ رویکردهای توسعه پایدار در کاربرد آلومینیوم ضروری است.

حمل‌ونقل (خودرو، هوافضا و…):

صنعت حمل‌ونقل یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان آلومینیوم است. سبک‌وزن بودن آلومینیوم یک مزیت کلیدی در خودروها، وسایل نقلیه سنگین، قطارها و هواپیماها به شمار می‌رود، چرا که کاهش وزن وسائل نقلیه به طور مستقیم به کاهش مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها منجر می‌شود. به عنوان مثال، جایگزینی فولاد با آلومینیوم در بدنه خودرو می‌تواند مصرف سوخت را به میزان قابل توجهی کاهش دهد – برآورد شده است که استفاده از بدنه تمام‌آلومینیومی در یک خودروی سواری، حدود ۰٫۳ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر صرفه‌جویی سوخت به همراه دارد​. همچنین یک خودرو با استفاده گسترده از آلومینیوم می‌تواند تا ۲۰٪ کاهش در کل انرژی مصرفی چرخه عمر خود داشته باشد. این به معنای کاهش چشمگیر انتشار CO₂ در مرحله بهره‌برداری است، به ویژه در خودروهای بنزینی و دیزلی. حتی در خودروهای برقی، که آلایندگی خروجی اگزوز ندارند، سبک‌تر شدن وزن با آلومینیوم باعث افزایش برد و کارایی باتری می‌شود که خود از منظر پایداری حائز اهمیت است.

در صنعت هوافضا، آلومینیوم دهه‌ها ستون فقرات ساخت هواپیماهای تجاری و نظامی بوده است. کاهش وزن هر کیلوگرم در هواپیما تأثیر مستقیمی بر کاهش مصرف سوخت جت دارد. هرچه هواپیما سبکتر باشد، سوخت کمتری برای بلند شدن و پرواز نیاز دارد و در نتیجه انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند CO₂ و انتشار آلاینده‌هایی نظیر NOx کاهش می‌یابد. در واقع استفاده گسترده از آلیاژهای آلومینیوم و اخیراً آلومینیوم-لیتیوم در بدنه و بال هواپیماها، یکی از عوامل بهبود بهره‌وری سوخت در نسل‌های جدید هواپیماها بوده است​. صنایع ریلی و دریایی نیز از وزن کم آلومینیوم بهره می‌برند؛ بسیاری از قطارهای پرسرعت مدرن از بدنه آلومینیومی استفاده می‌کنند تا وزن کلی واگن‌ها کاهش یافته و مصرف انرژی در هر سفر کمتر شود. در کشتی‌ها و شناورها نیز استفاده از آلومینیوم در بخش‌هایی از سازه (مثل عرشه یا رو‌بند) به کاهش وزن بالای خط آب و در نتیجه افزایش سرعت و کاهش مصرف سوخت منجر می‌شود.

اما نکته مهم آن است که مزایای زیست‌محیطی آلومینیوم در مرحله استفاده وسیله نقلیه (Use-Phase) باید در برابر هزینه زیست‌محیطی بالاتر تولید اولیه آن سنجیده شود. تولید قطعات آلومینیومی (ریخته‌گری، نورد یا اکستروژن) انرژی بیشتری نسبت به تولید همان قطعات از فولاد می‌طلبد و با انتشار CO₂ بیشتری همراه است​. برای نمونه، در یک مطالعه موردی توسط WorldAutoSteel، چرخه عمر دو خودروی برقی – یکی با بدنه تمام‌آلومینیومی و دیگری با فولاد پیشرفته – مقایسه شد. نتایج نشان داد خودروی آلومینیومی در مرحله تولید، انرژی و انتشار بیشتری نسبت به خودروی فولادی دارد، به طوری که با مقدار انرژی صرف‌شده برای ساخت ۱ میلیون خودروی آلومینیومی، می‌توان ۱٫۱۷ میلیون خودروی فولادی تولید کرد​. البته در طی کارکرد خودروها، خودروی آلومینیومی به علت سبکی، بخشی از این “بدهی کربنی” اولیه را جبران می‌کند. بنابراین تعیین برتری نهایی یکی بر دیگری وابسته به فرضیات مربوط به میزان کارکرد خودرو، منبع انرژی مصرفی (بنزین، برق و غیره) و نرخ‌های بازیافت در انتهای عمر است​. به هر روی، روند صنعت خودروسازی نشان می‌دهد که با بهبود فناوری تولید و افزایش سهم برق تجدیدپذیر در تامین انرژی صنایع، آلومینیوم به گزینه‌ای جذاب‌تر برای طراحی خودروهای کم‌کربن تبدیل شده است.

در مجموع، در بخش حمل‌ونقل استفاده از آلومینیوم یک شمشیر دولبه است: از یکسو پایداری زیست‌محیطی را با کاهش مصرف سوخت و آلایندگی وسایل نقلیه بهبود می‌بخشد، و از سوی دیگر انرژی بیشتری برای تولید اولیه خود نیاز دارد که باید از طریق راهکارهایی نظیر افزایش بازیافت و به‌کارگیری انرژی پاک در تولید جبران شود. خوشبختانه، ویژگی بازیافت‌پذیری نامحدود آلومینیوم فرصت مهمی برای جبران اثرات زیست‌محیطی مرحله تولید فراهم می‌کند، به طوری که بخش عمده آلومینیوم به‌کار رفته در خودروها در پایان عمر، ذوب و مجدداً استفاده می‌شود.در اروپا حدود ۹۵٪ آلومینیوم خودروهای فرسوده جمع‌آوری و بازیافت می‌گرددکه سهم چشمگیری در کاهش مصرف انرژی و مواد خام دارد.

ساختمان و ساخت‌وساز:

در صنعت ساختمان، آلومینیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، سبکی و شکل‌پذیری، ماده‌ای ایده‌آل برای انواع کاربردها از قاب پنجره و نمای ساختمان گرفته تا سقف‌ها و سازه‌های سبک به شمار می‌آید. استفاده از آلومینیوم در سازه‌های ساختمانی می‌تواند وزن کلی ساختمان یا پل را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و نیاز به مصالح سنگین‌تر مانند فولاد و بتن را کم کند. کاهش وزن سازه به معنی نیاز کمتر به پی‌ریزی‌های عظیم و مصالح پایه است که خود از منظر زیست‌محیطی مفید است (مصرف سیمان و بتن – از عوامل تولید CO₂ در مقیاس بالا – کاهش می‌یابد). همچنین اجزای پیش‌ساخته آلومینیومی عموماً در محل کارخانه تولید شده و به محل نصب منتقل می‌شوند که می‌تواند کیفیت ساخت را بالا برده و پرت مصالح را کاهش دهد.

یکی از مزایای زیست‌محیطی مهم آلومینیوم در ساختمان، طول عمر و قابلیت استفاده مجدد آن است. پروفیل‌ها و قطعات آلومینیومی در نماها و سازه‌ها می‌توانند ده‌ها سال بدون افت کیفیت خدمت کنند و پس از تخریب یا نوسازی ساختمان، دوباره ذوب شده و به محصولات جدید تبدیل شوند. آمارها نشان می‌دهد در اروپا بیش از ۹۰٪ آلومینیوم به کار رفته در بخش ساخت‌وساز پس از پایان عمر مفید ساختمان‌ها مجدداً بازیافت می‌شود​. این نرخ بالای بازیافت آلومینیوم در ساختمان به این معناست که آلومینیوم یک حلقه تقریباً بسته در چرخه مصالح ساختمانی ایجاد کرده است و ضایعات کمی به محیط‌زیست وارد می‌شود. از منظر انرژی نیز بازیافت آلومینیوم بسیار به‌صرفه است – تنها حدود ۵٪ انرژی تولید اولیه را نیاز دارد لذا هر بار بازیافت، از انتشار حجم عظیمی از CO₂ جلوگیری می‌کند.

با این حال، استفاده گسترده از آلومینیوم در ساختمان بی‌چالش نیست. تولید آلومینیوم اولیه (مثلاً برای تولید پروفیل پنجره) اگر با انرژی پاک انجام نشود، ردپای کربنی قابل توجهی برجای می‌گذارد. برای مثال، تولید یک کیلوگرم آلومینیوم اولیه با میانگین جهانی حدود ۱۶ کیلوگرم CO₂ معادل همراه است​، در حالی که این رقم برای فولاد ساختمانی حدود ۱٫۸ کیلوگرم CO₂ در هر کیلوگرم است​. البته از آنجا که برای رسیدن به مقاومت یا عملکرد مشخص معمولاً به جرم بسیار کمتری از آلومینیوم نسبت به فولاد نیاز است، این مقایسه باید بر پایه طرح مهندسی صورت گیرد. در بسیاری از سازه‌های سبک، نسبت استحکام به وزن بالاتر آلومینیوم موجب می‌شود با جرم کمتر به عملکرد سازه‌ای معادل فولاد دست یابیم، در نتیجه بخشی از انتشار کربن بالاتر در مرحله تولید جبران می‌شود​.

نکته دیگر در استفاده از آلومینیوم در ساختمان، مسئله انتقال حرارت است. آلومینیوم رسانای خوب حرارت است و اگر در در و پنجره‌های بدون شکست حرارتی به کار رود، می‌تواند منجر به اتلاف انرژی سرمایشی/گرمایشی ساختمان شود. راهکار صنعت برای این مشکل، طراحی پروفیل‌های آلومینیومی ترمال‌بریک (thermal break) و کامپوزیتی است که جریان حرارت را به حداقل می‌رساند. بدین ترتیب آلومینیوم می‌تواند در پوسته ساختمان به کار رود بی‌آنکه کارایی انرژی ساختمان را قربانی کند. به علاوه، رنگ‌آمیزی یا پوشش‌دهی مناسب سطوح آلومینیومی (آنادایزینگ یا رنگ پودری) بازتاب حرارتی بهینه و دوام سطحی بالا را تضمین می‌کند.

در مجموع، صنعت ساخت‌وساز با بهره‌گیری از آلومینیوم توانسته است سازه‌هایی سبک‌تر و بادوام‌تر خلق کند که در دوره بهره‌برداری انرژی کمتری مصرف می‌کنند و در پایان عمر نیز بخش اعظم مصالح به چرخه تولید بازمی‌گردد. ترکیب آلومینیوم با طراحی‌های معماری نوآورانه (نظیر نماهای دوپوسته، پنل‌های خورشیدی یکپارچه با نما و غیره) فرصت‌هایی برای توسعه پایدار در بخش ساختمان فراهم کرده است. چالش اساسی باقی‌مانده، کاستن از اثرات زیست‌محیطی مرحله تولید این آلومینیوم – یعنی به کارگیری برق پاک و فرآیندهای کم‌کربن در کارخانه‌های ذوب و نورد – است که در فصول بعد به آن پرداخته خواهد شد.

انرژی (تولید و انتقال برق، انرژی‌های نو):

بخش انرژی هم به عنوان مصرف‌کننده آلومینیوم و هم به عنوان تأمین‌کننده انرژی برای تولید آلومینیوم، ارتباط تنگاتنگی با این صنعت دارد. از دید مصرف، آلومینیوم در زیرساخت‌های تولید، انتقال و ذخیره انرژی نقش مهمی ایفا می‌کند. خطوط انتقال برق فشار قوی عمدتاً از هادی‌های آلومینیومی فولاد‌تقویت (ACSR) تشکیل شده‌اند که مغزی فولادی برای استحکام مکانیکی و لایه‌های آلومینیوم برای هدایت جریان دارند. آلومینیوم با چگالی حدود یک‌سوم مس، امکان انتقال برق را با کابل‌هایی بسیار سبکتر و ارزان‌تر فراهم می‌کند؛ هرچند هدایت الکتریکی آن در واحد سطح مقطع کمی کمتر از مس است، اما در نسبت مقاومت به وزن و هزینه، انتخابی برتر محسوب می‌شود. استفاده از کابل‌های هوایی آلومینیومی باعث می‌شود دکل‌های انتقال برق کوچکتر یا با تعداد کمتری سیم طراحی شوند و نصب خطوط در فواصل دوردست (مثلاً از نیروگاه‌های آبی و بادی به شهرها) با صرف انرژی و مواد کمتر میسر گردد. بنابراین آلومینیوم به طور غیرمستقیم در کاهش اثرات زیست‌محیطی توسعه شبکه برق نقش دارد (مثلاً نیاز کمتر به فولاد و بتن در دکل‌سازی و سهولت حمل‌ونقل تجهیزات).

در حوزه تولید انرژی‌های نو، آلومینیوم حضوری پررنگ دارد. صفحات پشتی و چارچوب بسیاری از پنل‌های خورشیدی از آلومینیوم ساخته می‌شوند که هم سبکند و هم در برابر خوردگی در محیط باز مقاوم‌اند. در توربین‌های بادی، برخی قطعات مانند پره‌های کوچکتر یا اجزای nacelle ممکن است از آلیاژهای آلومینیوم باشند تا بار کمتری بر برج وارد شود. همچنین در سامانه‌های مدیریت حرارت مزارع خورشیدی حرارتی (مانند آینه‌ها و کلکتورها) آلومینیوم به دلیل رسانایی گرمایی خوب و وزن کم به کار می‌رود. در باتری‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌ساز انرژی نیز آلومینیوم نقش رو به رشدی دارد؛ به عنوان مثال در باتری‌های پیشرفته جریان‌دار (flow batteries) از ترکیبات آلومینیوم استفاده می‌شود و حتی تحقیقاتی در جریان است که از آندهای آلومینیومی در باتری‌های آلومیونی-یونی بهره گرفته شود که بالقوه می‌تواند جایگزین بخشی از باتری‌های لیتیوم-یون گردد. هرچند این فناوری‌ها هنوز تجاری نشده‌اند، اما نشانگر قابلیت‌های آلومینیوم در بخش انرژی پاک آینده است.

یکی از کاربردهای جالب توجه آلومینیوم، استفاده از آن به عنوان یک سوخت فلزی یا حامل انرژی است. واکنش آلومینیوم با اکسیژن بسیار گرمازا است (پودر آلومینیوم در حضور اکسیدکننده می‌تواند شعله‌ور شود) و ایده «باتری آلومینیوم-هوا» بر همین اساس شکل گرفته که آلومینیوم با اکسیژن هوا واکنش داده و الکتریسیته تولید کند. در صورت پیشرفت فناوری، چنین باتری‌هایی می‌توانند انرژی را با چگالی بالا ذخیره کنند و محصول واکنش (اکسید آلومینیوم) دوباره در صنایع آلومینیوم بازیابی و به آلومینیوم فلزی احیا شود. به این ترتیب چرخه‌ای از آلومینیوم به عنوان حامل انرژی پاک شکل می‌گیرد. این مفهوم هنوز در مرحله تحقیقاتی است، اما چشم‌اندازی از اقتصاد چرخشی انرژی با محوریت آلومینیوم را ارائه می‌دهد.

از بُعد زیست‌محیطی، بهره‌گیری از آلومینیوم در بخش انرژی مزایایی ملموس به همراه دارد. تجهیزات سبک‌تر انتقال برق و سازه‌های آلومینیومی در نیروگاه‌ها به معنای مصالح مصرفی کمتر و ساخت‌وساز کم‌کربن‌تر است. همچنین خود صنعت آلومینیوم می‌تواند عاملی برای ذخیره یا مصرف بهینه انرژی‌های تجدیدپذیر باشد؛ به عنوان مثال، یک کارخانه ذوب آلومینیوم را می‌توان طوری طراحی یا تنظیم کرد که در مواقع مازاد تولید برق از منابع بادی/خورشیدی، مصرفش را افزایش دهد (و در مواقع کمبود کاهش دهد) و عملاً مانند یک «باتری مجازی» برای شبکه عمل کند​. شرکت Trimet در آلمان دقیقاً چنین طرحی را به صورت پایلوت اجرا کرده است که اجازه می‌دهد سلول‌های الکترولیز آلومینیوم تا ۲۵٪ بالا یا پایین‌تر از توان نامی کار کنند و در مجموع معادل ۱٫۱۲ گیگاوات‌ساعت ظرفیت انعطاف‌پذیر به شبکه ارائه دهند​. این رویکرد نوآورانه، هم به پایداری شبکه برق کمک می‌کند (جذب نوسانات تولید منابع تجدیدپذیر) و هم از انرژی پاک زمان‌هایی که در دسترس است حداکثر استفاده را برای تولید فلز انجام می‌دهد.

الکترونیک و تجهیزات برقی:

در سال‌های اخیر آلومینیوم به ماده‌ای محبوب در صنایع الکترونیک مصرفی و فناوری تبدیل شده است. بسیاری از گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌ها دارای بدنه آلومینیومی هستند که علاوه بر زیبایی و سبک بودن، به دفع حرارت قطعات داخلی نیز کمک می‌کند. جایگزینی پلاستیک یا فولاد با آلومینیوم در بدنه دستگاه‌های الکترونیکی، امکان نازک‌تر و سبکتر شدن آنها را فراهم کرده و در عین حال قابلیت بازیافت پایان عمر را بالا برده است. برای مثال شرکت اپل اعلام کرده است که در سال ۲۰۲۱ حدود ۵۹٪ از کل آلومینیوم به‌کاررفته در محصولاتش از منابع بازیافتی بوده و برخی محصولات همچون مک‌بوک ایر و آیفون SE دارای بدنه با آلومینیوم ۱۰۰٪ بازیافتی هستند​. این اقدام ضمن کاهش تقاضا برای آلومینیوم اولیه پرکربن، پیامی قوی در زنجیره تامین الکترونیک ارسال کرده که استفاده از آلومینیوم سبز و بازیافتی یک اولویت است.

آلومینیوم در بردهای مدار چاپی (به صورت لایه‌های نازک مس-آلومینیوم) و قطعاتی مانند هیت‌سینک‌ها نیز کاربرد دارد. بسیاری از خنک‌کننده‌های تراشه‌ها و LED‌ها از پروفیل‌های آلومینیومی ساخته می‌شوند که گرما را به خوبی پخش می‌کنند و سبک هستند. در تجهیزات برقی سنگین‌تر مانند موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها نیز آلومینیوم رقابت تنگاتنگی با مس دارد. سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتورهای قدرت و موتورهای بزرگ در بسیاری موارد از آلومینیوم ساخته می‌شوند (به جای مس)، زیرا آلومینیوم با وزن کمتر و هزینه پایین‌تر می‌تواند راندمان قابل قبولی ارائه دهد. هرچند به ازای واحد حجم، مقاومت الکتریکی آلومینیوم بالاتر است، اما در بسیاری کاربردها می‌توان با افزایش کمی سطح مقطع رسانا، عملکرد مس را با آلومینیوم تأمین کرد. بهره‌گیری از رساناهای آلومینیومی در موتورهای برقی خودروهای جدید یک راهکار برای سبکتر کردن آنها و افزایش بُرد خودرو است.

از جنبه زیست‌محیطی، استفاده گسترده آلومینیوم در صنایع الکترونیک دو پیامد مثبت دارد: نخست آنکه با کاهش وزن و بهبود مدیریت حرارتی دستگاه‌ها، مصرف انرژی در مرحله استفاده کاهش می‌یابد (مثلاً لپ‌تاپی که بدنه فلزی آن به دفع بهتر حرارت کمک می‌کند، شاید نیاز کمتری به فن خنک‌کننده پرمصرف داشته باشد). دوم و مهم‌تر، در پایان عمر محصولات، بازیابی و بازیافت آلومینیوم موجود در آنها آسان‌تر بوده و صرفه اقتصادی بیشتری نسبت به پلاستیک دارد. فلزات به طور کلی در بازیافت الکترونیک ارزشمندترین اجزا هستند و آلومینیوم به دلیل حجم زیاد و امکان جداسازی نسبتاً ساده (با خردایش و جدایش جریان گردابی) نرخ بازیافت مناسبی دارد. البته چالش‌هایی نظیر آلودگی آلومینیوم به سایر عناصر (رنگ، روکش، یا اتصال به بردهای مدار) وجود دارد که نیازمند فناوری‌های بهبود‌یافته بازیافت است، اما به طور کلی هرچه سهم آلومینیوم در ترکیب مواد یک دستگاه بیشتر باشد، آن دستگاه دوستدار محیط‌زیست‌تر تلقی می‌شود زیرا بخش عمده‌ای از آن در پایان عمر به چرخه تولید برخواهد گشت.

علاوه بر این، شرکت‌های بزرگ فناوری با تعیین اهداف زیست‌محیطی بلندپروازانه، زنجیره تامین آلومینیوم را به سمت پاک‌تر شدن سوق می‌دهند. برای مثال اپل ضمن افزایش استفاده از آلومینیوم بازیافتی، اعلام کرده برای محصولاتش از آلومینیوم بدون کربن بهره خواهد گرفت و در همین راستا در پروژه ELYSIS (توسعه آلومینیوم با آند بی‌اثر) سرمایه‌گذاری کرده است​. نتیجه این اقدام، تولید نخستین محموله آلومینیوم “بدون کربن مستقیم” در سال ۲۰۱۹ بود که در ساخت نسل جدید آیفون SE به کار رفت​. چنین مشارکتی میان شرکت‌های تکنولوژی و تولیدکنندگان آلومینیوم نشان می‌دهد تقاضا برای آلومینیوم پاک در بخش الکترونیک رو به افزایش است و محرکی برای نوآوری‌های سبز در صنعت فلزات خواهد بود.

صنایع بسته‌بندی:

بخش بسته‌بندی یکی از شناخته‌شده‌ترین موارد استفاده آلومینیوم برای عموم مردم است. قوطی‌های نوشابه و کنسرو، فویل‌های آلومینیومی بسته‌بندی مواد غذایی و ظروف یکبار مصرف، همگی نمونه‌هایی از حضور آلومینیوم در زندگی روزمره ما هستند. مزیت اصلی آلومینیوم در بسته‌بندی، وزن کم و قابلیت بازیافت بی‌پایان آن بدون افت کیفیت است. یک قوطی آلومینیومی نوشیدنی می‌تواند ظرف چند هفته پس از مصرف، دوباره بازیافت شده و به قفسه فروشگاه بازگردد. طبق گزارش‌ها، حدود یک‌سوم قوطی‌های آلومینیومی طی تنها ۶۰ روز پس از مصرف، مجدداً به قفسه فروشگاه‌ها برمی‌گردند که نشان‌دهنده سرعت بالای چرخه بازیافت است. این چرخه سریع و کارآمد، آلومینیوم را از سایر مواد بسته‌بندی متمایز می‌کند.

از منظر زیست‌محیطی، آلومینیوم در بسته‌بندی یک داستان موفقیت‌آمیز در اقتصاد چرخشی است. نرخ بازیافت قوطی‌های آلومینیومی در سطح جهان در مقایسه با شیشه و پلاستیک بالاترین است. بر اساس یک مطالعه بین‌المللی، نرخ بازیافت وزنی قوطی‌های آلومینیومی به طور متوسط جهانی حدود ۶۹٪ برآورد شده است، در حالی که این رقم برای بطری‌های PET پلاستیکی ۴۳٪ و برای بطری‌های شیشه‌ای ۴۶٪ است​. در برخی کشورها عملکرد حتی به این ارقام هم محدود نشده است – برزیل با بازیافت بیش از ۹۸٪ قوطی‌های مصرف‌شده، رکورددار جهان است​. در اتحادیه اروپا نیز میانگین نرخ بازیافت قوطی به ۷۶٪ رسیده و کشورهایی نظیر آلمان و فنلاند به حوالی ۹۹٪ دست یافته‌اند​. این بدان معناست که بخش اعظم آلومینیومی که به صورت قوطی وارد بازار می‌شود، دوباره جمع‌آوری و ذوب می‌گردد و نیاز به آلومینیوم اولیه جدید را به حداقل می‌رساند.

مزایای این نرخ بازیافت بالا بسیار قابل توجه است. انرژی مورد نیاز برای بازیافت آلومینیوم تنها حدود ۵٪ انرژی تولید اولیه است​، به عبارتی هر بار بازیافت، ۹۵٪ در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌کند. همچنین به ازای هر تن آلومینیوم بازیافتی، حدود ۸ تن بوکسیت خام و ۱۴٬۰۰۰ کیلووات‌ساعت انرژی و ۷٫۶ مترمکعب فضای دفن زباله صرفه‌جویی می‌شود​. از منظر کاهش انتشار، بازیافت آلومینیوم انتشار CO₂ را تا ۹۲٪ نسبت به تولید اولیه کاهش می‌دهد​. این ارقام خیره‌کننده، نقش حیاتی چرخه‌بسته آلومینیوم در بسته‌بندی را در کاهش ردپای کربنی اقتصاد نشان می‌دهد.

علت موفقیت آلومینیوم در بسته‌بندی، علاوه بر ارزش ذاتی فلز، سازوکارهای تشویقی و زیرساخت‌های جمع‌آوری مناسب است. بسیاری از کشورها سیستم‌های بازخرید سپرده (Deposit) برای قوطی‌های نوشیدنی دارند که مصرف‌کننده را تشویق می‌کند قوطی خالی را برگرداند. همچنین صنعت آلومینیوم سرمایه‌گذاری زیادی در فناوری‌های جداسازی قوطی از زباله‌های شهری کرده است. برای نمونه، در مراکز بازیافت از جداسازهای القایی و جریان گردابی استفاده می‌شود که آلومینیوم را به راحتی از سایر مواد جدا می‌کند. نتیجه این تلاش‌ها آن است که تنها حدود ۲۱٪ از قوطی‌های آلومینیومی تولید‌شده سر از محل‌های دفن زباله در می‌آورند، در حالی که این رقم برای بطری‌های شیشه‌ای ۴۹٪ و برای بطری‌های پلاستیکی ۳۹٪ است​. بدین ترتیب آلومینیوم صنعت بسته‌بندی را به سوی هدف جاه‌طلبانه ۱۰۰٪ بازیافت سوق می‌دهد​.

البته چالش‌هایی نیز در این بخش وجود دارد. مثلاً فویل‌های آلومینیومی نازک که برای بسته‌بندی مواد غذایی یا شکلات استفاده می‌شوند، به دلیل آلودگی به بقایای غذا و وزن کم، نرخ بازیافت پایین‌تری نسبت به قوطی‌ها دارند. برای حل این مشکل، فناوری‌هایی در دست توسعه است تا فویل‌های مصرف‌شده به همراه دیگر پسماندهای بسته‌بندی جمع‌آوری و بازیابی شوند. همچنین تلاش می‌شود از ترکیب آلومینیوم با پلاستیک در بسته‌بندی‌های چندلایه (مانند پاکت‌های آب‌میوه) کاسته شود تا بازیافت تک‌تک مواد ساده‌تر گردد.

در مجموع، بسته‌بندی آلومینیومی نمونه‌ای موفق از توسعه سبز در صنعت مواد است: محصولاتی که مزایای عملکردی دارند (سبکی، حفظ کیفیت محتوا، بهداشت و ایمنی) و در عین حال در پایان عمر تقریباً بدون هدررفت به چرخه تولید بازمی‌گردند. این موفقیت مرهون هر دو جنبه ویژگی‌های ذاتی آلومینیوم و سیستم‌های مدیریتی صحیح است. با ادامه این روند و هدف‌گذاری‌هایی نظیر نقشه راه اتحادیه اروپا برای بازیافت ۱۰۰٪ قوطی‌ها تا ۲۰۳۰​، می‌توان انتظار داشت که آلومینیوم سبز در بسته‌بندی نقش پیشرو خود را حفظ کند و حتی ارتقا دهد.

فصل دوم: بررسی وضعیت مدیریت زیست‌محیطی آلومینیوم در کشورهای منتخب

ویژگی‌ها و اثرات زیست‌محیطی صنعت آلومینیوم می‌تواند از کشوری به کشور دیگر بسیار متفاوت باشد. عواملی مانند منبع انرژی الکتریکی، فناوری‌های به‌کاررفته در کارخانه‌ها، استانداردهای آلایندگی و سیاست‌های دولتی در هر کشور تعیین می‌کنند که تولید آلومینیوم تا چه حد پاک یا آلاینده باشد. در این فصل، وضعیت چند کشور تاثیرگذار در صنعت آلومینیوم – چین، آلمان، ایالات متحده، کانادا و نروژ – از منظر مدیریت زیست‌محیطی و اقدامات کاهشی بررسی می‌شود. این کشورها هر یک نمایانگر شرایط خاصی هستند: چین بزرگ‌ترین تولیدکننده با چالش مصرف زغال‌سنگ؛ آلمان صنعتی پیشرو با تاکید بر بازیافت؛ آمریکا کشوری با کاهش تولید اولیه و تمرکز بر بهره‌وری؛ کانادا تولیدکننده‌ای با برق آبی فراوان؛ و نروژ الگویی در استفاده از انرژی تجدیدپذیر. مقایسه این کشورها نشان می‌دهد چگونه راهبردهای گوناگون به نتایج متفاوت در کاهش انتشار کربن و آلودگی انجامیده است.

چین: غول آلومینیومی با چالش کربن

چین بیش از نیمی از آلومینیوم جهان را تولید می‌کند و به همین نسبت تأثیر عمده‌ای بر محیط‌زیست این صنعت دارد. رشد انفجاری تولید آلومینیوم در چین – که از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۰ بیش از دو برابر شد عمدتاً بر پایه نیروگاه‌های زغال‌سنگ بوده است. نتیجه آنکه ردپای کربنی آلومینیوم چینی در میان بالاترین‌ها قرار دارد. بر اساس یک مطالعه بین‌المللی، شدت انتشار CO₂ ناشی از تولید آلومینیوم در چین (با درنظرگرفتن مراحل پالایش آلومینا و الکترولیز) جزو سه کشور بالای جهان است و تنها هند و استرالیا مقادیر مشابه یا بالاتری دارند​. تخمین زده می‌شود تولید هر تن آلومینیوم اولیه در چین به‌طور متوسط حدود ۲۰ تن CO₂ معادل منتشر کند که چندین برابر کشورهای کم‌کربن است.

علاوه بر CO₂، مسئله انتشار گازهای گلخانه‌ای فوق‌العاده قوی مانند پرفلوئوروکربن‌ها (PFCs) در چین جدی است. در فرآیند الکترولیز آلومینیوم، هرگاه غلظت آلومینا در حمام کاهش یابد پدیده‌ای به نام “اثر آند” رخ می‌دهد که منجر به تولید CF₄ (تترافلوئورمتان) و C₂F₆ (هگزافلوئورواتان) می‌شود​. این گازها اثر گلخانه‌ای بسیار بیشتری نسبت به CO₂ دارند (به عنوان مثال CF₄ دارای پتانسیل گرمایش جهانی ~۷٬۳۸۰ برابر CO₂ در افق ۱۰۰ ساله است) و ده‌ها هزار سال در جو باقی می‌مانند​. در کارخانه‌های مدرن، سیستم‌های کنترل خودکار سطح آلومینا و ولتاژ اجازه نمی‌دهند اثر آند به‌طور مکرر رخ دهد. اما در چین تا چندی پیش بسیاری از کارخانه‌ها از روش‌های قدیمی (حتی روش دستی موسوم به “چوب زدن” برای شکست اثر آند) استفاده می‌کردند که منجر به انتشار بالای PFC می‌شد. یک تحقیق نشان داد چین به تنهایی مسئول ۸۱٪ انتشار PFC صنعت آلومینیوم جهان است در حالی که ۵۵٪ آلومینیوم دنیا را تولید می‌کند​. این عدم تناسب، اثر ضعف فناوری و کنترل آلایندگی در بخشی از صنایع چین بود.

خوشبختانه در سال‌های اخیر دولت چین و شرکت‌های بزرگ آلومینیوم این کشور گام‌های مهمی برای سبزتر کردن این صنعت برداشته‌اند. نخست، استراتژی انتقال تدریجی ظرفیت تولید به استان‌هایی با منابع برق آبی و تجدیدپذیر دنبال می‌شود. برای مثال بسیاری از کارخانه‌های جدید یا طرح‌های توسعه، به استان‌های یون‌نان و سیچوآن در جنوب غربی چین که غنی از نیروگاه‌های برق‌آبی هستند منتقل شده است. هدف از این انتقال، کاهش وابستگی به برق زغال‌سنگ در شمال و شمال غرب چین (استان‌هایی چون شاندونگ و سین‌کیانگ) و بهره‌گیری از برق پاک جنوب است. داده‌ها نشان می‌دهد هنوز بیش از ۶۰٪ ظرفیت آلومینیوم چین با سوخت فسیلی (عمدتاً زغال‌سنگ) نیرو می‌گیرد​، اما سهم انرژی‌های تجدیدپذیر رو به افزایش است. دولت چین دستورالعملی صادر کرده که حداقل ۲۵٪ انرژی مصرفی در تولید آلومینیوم اولیه تا سال ۲۰۲۵ و ۳۰٪ تا سال ۲۰۳۰ باید از منابع غیرفسیلی باشد​. این سیاست در راستای هدف ملی اوج‌دهی انتشار کربن تا ۲۰۳۰ تدوین شده است.

دوم، چین به دنبال ادغام صنایع انرژی‌بر نظیر آلومینیوم در نظام تجارت انتشار (ETS) است. در مارس ۲۰۲۴ مشاوره‌هایی برای افزودن صنعت آلومینیوم به بازار کربن داخلی چین آغاز شد​. طبق داده‌های اتحادیه صنایع غیرآهنی چین (CNIA)، صنعت آلومینیوم چین در سال ۲۰۲۲ حدود ۵۵۰ میلیون تن CO₂ معادل (شامل مستقیم و برق مصرفی) انتشار داشته که تقریباً ۵٪ از کل انتشار کربن کشور است​. ورود این صنعت به بازار کربن، کارخانه‌ها را ملزم می‌کند انتشارشان را پایش و گزارش کنند و برای مازاد آن اعتبار انتشار خریداری نمایند​. این اقدام مشوق اقتصادی مهمی برای سرمایه‌گذاری در بهره‌وری انرژی و فناوری‌های کم‌کربن ایجاد خواهد کرد.

سومین اقدام، نوسازی و ارتقای فناوری است. چین به سرعت در حال کنار گذاشتن سلول‌های قدیمی Soderberg و سایر فناوری‌های ناکارآمد است و خطوط جدید الکترولیز با آمپراژ بالا و راندمان بهتر راه‌اندازی می‌کند. نتیجه این کار تاکنون کاهش ۱۱٫۵٪ در شدت انتشار صنعت بین سال‌های ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۳ بوده است​. همچنین پروژه‌های پژوهشی برای بومی‌سازی فناوری آند بی‌اثر و سایر نوآوری‌ها در حال انجام است (شرکت‌هایی چون CHALCO و گروه Hongqiao در این زمینه فعال‌اند).

با همه این تلاش‌ها، همچنان صنعت آلومینیوم چین راه درازی در پیش دارد تا به جرگه تولیدکنندگان کم‌کربن بپیوندد. متوسط انتشار ۲۰ تنی به ازای هر تن آلومینیوم (در برابر مثلاً ~۴ تن در بهترین کشورها​) نشان‌دهنده پتانسیل عظیم کاهش است. از سوی دیگر، چین با تولید بیش از ۴۱ میلیون تن آلومینیوم در سال ۲۰۲۳ (حدود ۵۹٪ تولید جهان​) هرگونه بهبود بهره‌وری یا کاهش آلایندگی که حاصل کند، تأثیری بزرگ بر مقیاس جهانی خواهد داشت. به عنوان نمونه، اگر چین بتواند شدت کربن تولید خود را به نصف کاهش دهد، سالانه صدها میلیون تن از انتشار CO₂ جهان کاسته می‌شود. افزون بر آن، کاهش انتشار در چین ارزان‌تر محقق می‌شود؛ چرا که بسیاری از کارخانه‌ها هنوز پتانسیل‌های بهره‌وری دست‌نخورده دارند (مثلاً اصلاح فرآیندها می‌تواند ۸۵٪ انتشار ناشی از برق را کم کند​).

به طور خلاصه، چین در عین اینکه بزرگ‌ترین آلوده‌کننده در صنعت آلومینیوم است، بزرگ‌ترین فرصت برای کربن‌زدایی این صنعت را نیز در اختیار دارد. جهت‌گیری سیاست‌های اخیر چین امیدبخش است؛ انتقال به برق آبی، مشمول کردن آلومینیوم در بازار کربن، و هدف‌گذاری انرژی‌های پاک، نوید می‌دهد که دهه پیش رو ممکن است شاهد جدا شدن رشد تولید آلومینیوم چین از رشد انتشار کربن باشد​. ابتکارات فناوری محور نیز اگر به ثمر برسند (مثلاً اجرای موفق آندهای بی‌اثر در چین)، اثرات ماندگاری بر پایداری این صنعت خواهند داشت. در فصل فناوری‌های نوین بیشتر به این موارد پرداخته خواهد شد.

آلمان: پیشرو در بازیافت و بهره‌وری

آلمان با اینکه از نظر حجم تولید آلومینیوم اولیه در رتبه بالایی قرار ندارد، اما به عنوان کشوری صنعتی با استانداردهای زیست‌محیطی سخت‌گیرانه، الگویی جالب در مدیریت پایدار آلومینیوم ارائه کرده است. این کشور عمدتاً واردکننده آلومینیوم اولیه (تولید‌شده با برق آبی از کشورهای دیگر) و تولیدکننده محصولات نیمه‌ساخته و آلیاژهای بازیافتی است. به بیان دیگر، نقش اصلی آلمان در زنجیره آلومینیوم جهانی، فرآوری و بازیافت آلومینیوم است تا تولید اولیه پرکربن. همین ویژگی ساختاری باعث شده ردپای زیست‌محیطی صنعت آلومینیوم آلمان به نسبت بسیاری کشورهای تولیدکننده، پایین‌تر باشد.

یکی از نقاط قوت آلمان، نرخ بسیار بالای بازیافت و استفاده مجدد آلومینیوم در داخل کشور است. در بخش بسته‌بندی، آلمان قهرمان جهانی بازیافت قوطی آلومینیوم به شمار می‌رود – طبق آمار اتحادیه اروپا، آلمان حدود ۹۹٪ قوطی‌های مصرف‌شده را بازیافت می‌کند​. این موفقیت مرهون اجرای سیستم سراسری بازخرید سپرده (Pfand) است که مصرف‌کنندگان را ملزم می‌کند در ازای پرداخت مبلغی، قوطی‌ها را بازگردانند. همچنین شبکه گسترده‌ای از مراکز بازیافت خودکار (Reverse Vending Machines) و کارخانه‌های بازیابی فلزات در آلمان فعال است که آلومینیوم را از جریان زباله شهری جدا می‌کنند. نتیجه این شده که صنعت بسته‌بندی آلومینیوم در آلمان عملاً نزدیک به چرخه بسته کامل عمل می‌کند و ضایعات اندکی دفن می‌شود​.

در بخش ساخت‌وساز و خودروسازی نیز آلمان کارنامه درخشانی دارد. تولیدکنندگان آلمانی خودرو (مانند BMW، مرسدس و آئودی) از پیشگامان استفاده از آلومینیوم در خودروها بوده‌اند و همزمان برنامه‌های مدونی برای بازیافت و استفاده مجدد ضایعات دارند. برای نمونه شرکت آئودی یک سیستم Closed-Loop (چرخه بسته) برای قراضه‌های آلومینیومی در کارخانجات خود راه‌اندازی کرده است؛ برش‌ها و ضایعات آلومینیومی در پرس‌کاری بدنه خودرو را جمع‌آوری و به تامین‌کننده آلومینیوم خود بازمی‌گرداند تا دوباره شمش اولیه تولید شود. گزارش شده این چرخه بسته فقط در کارخانه نکارزولم آئودی توانسته سالانه حدود ۹۰٬۰۰۰ تن CO₂ را کاهش دهد​. آئودی همچنین نخستین خودروساز جهان است که زنجیره تأمین آلومینیوم خود را بر اساس استاندارد «ابتکار مدیریت آلومینیوم» (ASI) به طور کامل تأیید کرده و گواهی Chain of Custody دریافت نموده است​. این بدان معناست که تمام آلومینیوم مورد استفاده آئودی – از مرحله استخراج بوکسیت تا تولید قطعه – مطابق استانداردهای زیست‌محیطی و اجتماعی سخت‌گیرانه‌ای تولید می‌شود.

آلمان همچنین موطن برخی فناوری‌های نوآورانه برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در صنعت آلومینیوم است. یکی از جالب‌ترین پروژه‌ها، همان طرح «باتری مجازی» شرکت Trimet بود که قبلاً اشاره شد​. در این طرح آزمایشی، ۱۲۰ سلول الکترولیز آلومینیوم در کارخانه Essen به سامانه‌ای مجهز شدند که امکان تغییر مصرف برق آن‌ها در بازه ±۲۵٪ برای چند ساعت وجود دارد​. این انعطاف‌پذیری معادل ذخیره‌سازی ۱٫۱۲ گیگاوات‌ساعت انرژی است که در مواقع ضروری در اختیار شبکه برق قرار می‌گیرد​. نوآوری مذکور بدون شک از منظر پایداری سیستم انرژی و صنعت یک پیشرفت مهم است. همچنین شرکت‌های آلمانی دیگری مشغول توسعه فناوری‌هایی برای کاهش مصرف انرژی در ذوب آلومینیوم هستند (مانند بهبود مواد نسوز برای کاهش اتلاف حرارت یا کاربرد آنالیز لیزری آنلاین برای بهینه‌سازی ترکیب شیمیایی حمام​).

با تمام این توصیفات، ذکر این نکته ضروری است که آلمان خود تولیدکننده عمده آلومینیوم اولیه نیست و موفقیت زیست‌محیطی‌اش تا حدی به واردات آلومینیوم کم‌کربن وابسته بوده است. عمده آلومینیوم اولیه مصرفی در آلمان از کشورهایی نظیر نروژ، ایسلند و کانادا وارد می‌شود که تولید با برق آبی دارند​. بنابراین زنجیره تأمین آلومینیوم آلمان از ابتدا کم‌کربن‌تر شکل گرفته است. با این وجود، سیاست‌گذاری داخلی آلمان نیز اثرگذار بوده است – از قیمت بالای کربن در بازار EU ETS گرفته تا قوانین سختگیرانه آلودگی هوا که صنایع را وادار به نصب فیلترهای مدرن و بازیافت گازهای فلورینه کرده است. برای مثال یک کارخانه آلومینیوم در آلمان موظف است تقریباً تمامی گازهای فلورینه و فلوریدهای خروجی را تا حد ppm جمع‌آوری و تصفیه کند، در حالی که در برخی کشورها ممکن است این استانداردها سهل‌گیرانه‌تر باشد.

به طور خلاصه، آلمان نشان داده که با تمرکز بر حلقه‌های بازیافت و ارتقای بهره‌وری، می‌توان مزایای صنعتی آلومینیوم را بدون تحمل هزینه‌های زیست‌محیطی سنگین به دست آورد. رویکرد آلمان مبتنی بر اقتصاد چرخشی (Circular Economy) است که در آن آلومینیوم بارها و بارها مورد استفاده قرار می‌گیرد – چنان‌که تخمین زده می‌شود حدود ۷۰٪ از کل فولاد و آلومینیوم تولیدشده در تاریخ آلمان هنوز در گردش و استفاده است​​. از این منظر، آلومینیوم نقش مهمی در سیاست‌های پایداری زیست‌محیطی آلمان بازی می‌کند و همسو با اهداف این کشور در کاهش ۶۵٪ انتشار گازهای گلخانه‌ای تا ۲۰۳۰ (نسبت به ۱۹۹۰) پیش می‌رود. انتظار می‌رود با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه برق آلمان، حتی آن مقدار اندک آلومینیوم اولیه تولید داخل (و نیز آلومینیوم بازیافتی که برق مصرف می‌کند) نیز پاک‌تر شود و آلومینیوم در اقتصاد کم‌کربن آینده این کشور نقش بیشتری ایفا کند.

ایالات متحده آمریکا: بهبود کارایی و نوآوری فناورانه

ایالات متحده زمانی بزرگ‌ترین تولیدکننده آلومینیوم دنیا بود، اما در دهه‌های اخیر سهم آن در تولید جهانی به شدت کاهش یافته و اکنون کمتر از ۲٪ آلومینیوم اولیه جهان را تولید می‌کند​. با این حال، آمریکا همچنان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان و بازیافت‌کنندگان آلومینیوم است و بسیاری از دستاوردهای فناورانه کلیدی در صنعت آلومینیوم حاصل پژوهش‌ها و ابتکارات شرکت‌های آمریکایی (نظیر Alcoa) بوده است. در زمینه زیست‌محیطی، صنعت آلومینیوم آمریکا روندی رو به بهبود و پیشرفت را تجربه کرده و توانسته طی چند دهه اخیر اثرات آلایندگی خود را به میزان چشمگیری کاهش دهد.

یک موفقیت بزرگ، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای صنعتی (اعم از CO₂ و PFC) توسط تولیدکنندگان آلومینیوم آمریکا است. بنا بر گزارش انجمن آلومینیوم آمریکا، صنعت آلومینیوم این کشور طی ۳۰ سال گذشته توانسته است کربن‌نگاری (کربن فوت‌پرینت) خود را بیش از ۵۰٪ کاهش دهد​. به طور مشخص، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای مستقیم و غیرمستقیم تا سال ۲۰۲0 نسبت به سال ۲۰۰۵ حدود ۵۹٪ افت داشته است​. این کاهش قابل توجه، بخشی ناشی از افت تولید داخلی و جایگزینی آن با واردات کم‌کربن بوده، اما بخش عمده‌اش بهبود فناوری و اجرای برنامه‌های داوطلبانه کاهش آلایندگی بوده است. از دهه ۱۹۹۰ میلادی، آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) و صنعت آلومینیوم برنامه‌ای مشترک تحت عنوان “مشارکت داوطلبانه کاهش PFC” اجرا کردند که هدف آن کاهش انتشار پرفلوئوروکربن‌ها از کارخانجات بود. نتیجه این برنامه، کاهش بیش از ۷۵٪ انتشار PFC تا سال ۲۰۰۰ نسبت به ۱۹۹۰ بود​. در واقع، آلومینیوم‌سازان آمریکایی جزو اولین صنایع جهان بودند که معضل PFC را شناسایی و با بهبود کنترل فرآیند (نصب حسگرهای پیشرفته و سیستم‌های تغذیه آلومینا) مرتفع کردند​.

از سوی دیگر، ساختار صنعت آلومینیوم آمریکا به سمت مصرف قراضه و تولید محصولات ثانویه تغییر کرده است. امروزه بخش بزرگی از آلومینیوم مورد نیاز تولید خودرو، بسته‌بندی و سایر صنایع در ایالات متحده از طریق ذوب قراضه (ثانویه) تأمین می‌شود که به مراتب انرژی و انتشار کمتری نسبت به تولید اولیه دارد. این روند با افزایش نرخ بازیافت ملی همراه بوده است. با این وجود، هنوز جا برای پیشرفت وجود دارد؛ مثلاً نرخ بازیافت قوطی آلومینیوم در آمریکا حدود ۴۶٪ گزارش شده که پایین‌تر از متوسط جهانی و اروپا است​. برای بهبود این وضعیت، طرح‌هایی برای گسترش سیستم‌های بازخرید قوطی (مشابه مدل آلمان) در ایالت‌های بیشتر و سرمایه‌گذاری در ظرفیت‌های بازیافت در حال پیگیری است.

یکی دیگر از ویژگی‌های مثبت صنعت آلومینیوم آمریکا، سرمایه‌گذاری در پژوهش و نوآوری است که به کاهش آثار زیست‌محیطی منجر می‌شود. شرکت آلکوا (Alcoa) که یکی از دو مخترع فرآیند Hall-Héroult در ۱۸۸۶ بود، همچنان در خط مقدم نوآوری باقی مانده است. این شرکت در همکاری با دولت فدرال و شرکت‌های دیگر، پروژه‌های متعددی در زمینه آلومینیوم سبز دارد. نمونه برجسته آن مشارکت ۵۰-۵۰ با ریو تینتو در پروژه ELYSIS برای تجاری‌سازی فناوری آند بی‌اثر است​. مرکز فنی آلکوا در پیتسبورگ آمریکا جایی است که اولین بار فرآیند ذوب بدون کربن (آندهای سرامیکی) با موفقیت در مقیاس آزمایشگاهی اجرا شد​. نیز همین مرکز بود که نخستین شمش آلومینیوم بدون کربن را در سال ۲۰۱۹ تولید کرد و به اپل فروخت​. چنین دستاوردهایی بدون حمایت‌های دولتی ممکن نبود – دولت کانادا و کبک و همچنین دولت آمریکا (از طریق معافیت‌های مالیاتی تحقیقاتی) از این پروژه حمایت کرده‌اند​. علاوه بر ELYSIS، شرکت‌های آمریکایی در زمینه بازیافت آلومینیوم آغشته به سایر مواد (مانند بازیابی آلومینیوم از سرباره‌ها یا قراضه‌های چندفلزی) نوآوری‌هایی داشته‌اند که بازدهی بازیافت را بالا می‌برد.

با وجود کاهش سهم تولید، آمریکا همچنان تعدادی کارخانه آلومینیوم اولیه فعال دارد که عمدتاً از منابع برق آبی یا گازی استفاده می‌کنند (مثل کارخانه‌های Massena در نیویورک با برق آبی و Century Aluminum در کنتاکی با برق ذغال‌سنگ). فشار هزینه‌ای و زیست‌محیطی باعث شده برخی از آنها تعطیل شوند یا کاهش ظرفیت دهند، اما همزمان حرکت‌هایی برای احیای تولید آلومینیوم پاک در خاک آمریکا آغاز شده است. مثلاً برنامه‌هایی مطرح شده تا آلومینیوم مورد نیاز صنایع حیاتی (نظیر دفاعی و خودروسازی) با استفاده از برق هسته‌ای یا تجدیدپذیر در داخل کشور تولید شود و وابستگی به واردات کاهش یابد. با توجه به در دسترس بودن گاز طبیعی ارزان و روند افزایشی سهم انرژی‌های بادی و خورشیدی در شبکه برق آمریکا، پتانسیل آن وجود دارد که تولید آلومینیوم داخلی دوباره افزایش یافته ولی این‌بار با ردپای کربنی به‌مراتب کمتر همراه شود.

در جمع‌بندی، ایالات متحده در مدیریت زیست‌محیطی آلومینیوم مسیر ویژه خود را پیموده است: کاهش انتشار از طریق ارتقای فرآیند و داوطلبانه، تمرکز بر بازیافت و تامین داخلی از قراضه، و هدایت نوآوری‌های تکنولوژیک. نتیجه آن شده که مثلاً انرژی مصرفی صنعت آلومینیوم آمریکا نسبت به سال ۱۹۹۸ بیش از ۵۵٪ کاهش یافته است​ و شدت کربن تولید اولیه نزدیک به ۵۰٪ کمتر از اوایل دهه ۹۰ میلادی است​. آمریکا با داشتن دانش فنی عمیق و شرکت‌های پیشرو، نقشی کلیدی در گذار جهانی آلومینیوم به سمت فناوری‌های کم‌کربن دارد. تداوم سرمایه‌گذاری در این حوزه (مثلاً از طریق قوانین جدید مانند «قانون کاهش تورم ۲۰۲۲» که مشوق‌هایی برای صنایع سبز در نظر گرفته) می‌تواند منجر به پیدایش نسل بعدی فناوری‌های آلومینیوم و تسریع روند توسعه سبز در این صنعت شود.

کانادا: آلومینیوم کم‌کربن با تکیه بر نیروی برق‌آبی

کانادا یکی از پاک‌ترین تولیدکنندگان آلومینیوم در جهان است. این کشور با بهره‌مندی فراوان از منابع برق‌آبی (هیدروالکتریک)، بخش عمده آلومینیوم خود را با برقی تولید می‌کند که تقریباً عاری از کربن است. استان کبک در شرق کانادا مرکز اصلی صنعت آلومینیوم این کشور است و بیش از ۹۰٪ برق کبک از نیروگاه‌های آبی تأمین می‌شود. نتیجه آن، شبکه‌ای از کارخانه‌های ذوب آلومینیوم در کانادا است که انتشار CO₂ ناشی از مصرف برق آنها نزدیک به صفر است. برای درک مقیاس تفاوت: میانگین انتشار مستقیم و غیرمستقیم یک تن آلومینیوم اولیه در سطح جهان حدود ۱۶ تن CO₂ است​، در حالی که یک کارخانه نمونه در کانادا (مثل مجتمع آلومینیوم آلوئت در کبک) فقط حدود ۱٫۸۳۵ تن CO₂ (شامل برق و فرآیند) به ازای هر تن تولید شده منتشر می‌کند​. این رقم ۷۶٪ کمتر از متوسط جهانی و ۲۵٪ کمتر از متوسط حتی سایر کارخانه‌های کانادایی است​. به عبارتی، آلومینیوم کانادایی یکی از کم‌کربن‌ترین‌ها در دنیاست.

کانادا سال‌ها است از این مزیت نسبی بهره برده و آلومینیوم خود را به عنوان آلومینیومی «سبز» و عاری از انرژی فسیلی به بازارهای جهانی عرضه کرده است. برندهایی مانند “Rio Tinto RenewAl” و “Hydro REDUXA” که معرف آلومینیوم کم‌کربن هستند، بخش زیادی از تولیدشان را از کانادا تأمین می‌کنند​. با این حال، کانادا به این مزیت خدادادی بسنده نکرده و گام‌های نوآورانه‌ای برای سبزتر کردن هرچه بیشتر زنجیره تولید آلومینیوم برداشته است. شاخص‌ترین آنها پروژه ELYSIS است که به‌طور مشترک توسط ریو تینتو و آلکوا در مونترال کبک راه‌اندازی شده و همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، هدف آن حذف کامل انتشار مستقیم گازهای گلخانه‌ای از فرآیند الکترولیز با استفاده از آندهای بی‌اثر است​. این پروژه با حمایت ۶۰ میلیون دلاری دولت فدرال کانادا و ۶۰ میلیون دلار از دولت استان کبک آغاز شد و شرکت اپل نیز ۱۳ میلیون دلار در آن سرمایه‌گذاری کرد​. راه‌اندازی مرکز تحقیقاتی و خط آزمایشی این فناوری در سال ۲۰۱۹ در کبک انجام شد و قرار است تا سال ۲۰۲۴ به مرحله تجاری برسد. موفقیت ELYSIS برای کانادا بسیار مهم است، زیرا این کشور را تبدیل به اولین تولیدکننده “آلومینیوم بدون کربن” در مقیاس صنعتی خواهد کرد و مزیت رقابتی عظیمی ایجاد می‌کند.

علاوه بر نوآوری در خود فرآیند ذوب، کانادا تلاش کرده زنجیره بالادستی و پایین‌دستی آلومینیوم را نیز پایدارتر کند. برای مثال در بخش پالایش آلومینا (تبدیل بوکسیت به آلومینا) – که مرحله قبل از ذوب است – شرکت آلکوا طرحی به نام “آلومینا بدون گاز” ( Aluminerie Saoudienne) را در دست دارد که طی آن یک پالایشگاه آلومینا در استرالیا به سوخت بایومس یا انرژی خورشیدی مجهز خواهد شد. هرچند این پروژه خارج از کانادا است، اما مشارکت آلکوا نشان می‌دهد کانادا مایل است ردپای کربنی مواد اولیه وارداتی (آلومینا) را نیز کاهش دهد. همچنین شرکت ریو تینتو در حال جایگزینی سوخت کوره‌های پخت آند کربنی خود از نفت کوره به گاز طبیعی در کانادا است که انتشار CO₂ و آلاینده‌های هوا را کاهش می‌دهد.

از منظر سیاست‌گذاری، دولت کانادا به وضوح پشتیبان کاهش انتشار در صنایع انرژی‌بر به‌ویژه آلومینیوم بوده است. کانادا عضو “چالش حمل‌ونقل و صنایع سبز” (محفل بین‌المللی که برای کاهش کربن صنایع سنگین تلاش می‌کند) است و در مجامع جهانی همواره از اهمیت آلومینیوم کم‌کربن سخن گفته است. افزون بر کمک مالی به ELYSIS، دولت کانادا تعرفه‌گذاری بر واردات آلومینیوم آلاینده‌تر را نیز مدنظر قرار داده (به‌صورت همکاری با اتحادیه اروپا در ایده «باشگاه کربن»). چنین اقداماتی می‌تواند صنعت داخلی را رقابتی نگه دارد و جلوی ورود آلومینیوم تولیدشده با زغال‌سنگ (مثلاً از چین) را بدون لحاظ هزینه کربن بگیرد.

با ترکیب تمامی این عوامل – برق آبی فراوان، فناوری نوین، و سیاست‌های حمایت‌گر محیط‌زیست – کانادا در جایگاهی استثنایی در عرصه آلومینیوم سبز ایستاده است. تولید آلومینیوم کانادایی نه تنها از هم‌اکنون کربن‌پایین است، بلکه در آستانه جهشی به سمت کربن‌صفر قرار دارد. انتظار می‌رود تا اواسط دهه ۲۰۲۰، اولین محموله‌های آلومینیوم تجاری بدون انتشار CO₂ (در فرآیند احیا) از کانادا روانه بازار شود. این تحول می‌تواند الگوی دیگر کشورها (خصوصاً آنها که برق پاک دارند) برای سرمایه‌گذاری در ظرفیت‌های جدید آلومینیوم قرار گیرد. برای کانادا نیز این به معنی تداوم نقش تاریخی‌اش به عنوان تأمین‌کننده مطمئن آلومینیوم ولی این بار با برچسب سبز و پایدار خواهد بود. بدین ترتیب کانادا سهم ارزنده‌ای در توسعه پایدار صنعت آلومینیوم ایفا می‌کند و نشان می‌دهد رشد اقتصادی و حفاظت محیط‌زیست می‌توانند دست در دست هم پیش بروند.

نروژ: طلایه‌دار آلومینیوم سبز در جهان

نروژ با جمعیت کم ولی منابع عظیم انرژی برق‌آبی، نمونه‌ای بارز از یک صنعت آلومینیوم کاملاً دوستدار محیط‌زیست است. شرکت دولتی «نورسک هیدرو» (Hydro) که بزرگ‌ترین تولیدکننده آلومینیوم نروژ و از بزرگان این صنعت در جهان است، تقریباً تمام آلومینیوم خود را با برق آبی داخلی تولید می‌کند. شبکه نیروگاه‌های آبی هیدرو در نروژ (مانند مجموعه Røldal-Suldal) انرژی مورد نیاز کارخانجات ذوب از جمله مجتمع بزرگ «کارموی» (Karmøy) را تامین می‌کند به طوری که این مجتمع عملاً خودکفا از نظر برق پاک است​. نتیجه چنین شرایطی، تولید آلومینیومی است که ردپای کربن بسیار ناچیزی دارد – هیدرو ادعا می‌کند آلومینیوم اولیه برند Hydro REDUXA آنها حداکثر ۴ تن CO₂ به ازای هر تن آلومینیوم انتشار دارد​ که تقریباً یک‌چهارم میانگین جهانی است​. برای سنجش: میانگین اروپا حدود ۶٫۷ تن CO₂ بر تن و میانگین جهانی ~۱۶ تن است. به بیان دیگر، آلومینیوم نروژی جزو پاک‌ترین‌ها در جهان است و تنها با آلومینیوم کانادا و ایسلند قابل مقایسه است.

اما نروژ در زمینه زیست‌محیطی فراتر از صرفاً بهره‌گیری از برق پاک گام برداشته است. شرکت Hydro سرمایه‌گذاری‌های کلانی در بهبود فناوری تولید انجام داده تا مصرف انرژی و انتشار را حتی بیش از پیش کاهش دهد. یکی از پروژه‌های افتخارآمیز، «Pilot Plant» در کارموی است که با هدف ساخت کارآمدترین کارخانه آلومینیوم جهان ایجاد شد. این خط پایلوت که در ۲۰۱۸ راه‌اندازی شد، از فناوری الکترولیز پیشرفته بهره می‌برد و توانست به مصرف ویژه برق حدود ۱۱٫۸ تا ۱۲٫۳ کیلووات‌ساعت بر کیلوگرم آلومینیوم دست یابد​ (در حالی که متوسط جهانی حدود ۱۳٫۵ کیلووات‌ساعت است). این دستاورد که حدود ۱۵٪ بهبود در بهره‌وری انرژی نشان می‌دهد به معنای انتشار کمتر گازهای گلخانه‌ای و کاهش هزینه تولید است. Hydro اعلام کرده درس‌های آموخته‌شده از این پایلوت را در مدرنیزاسیون سایر خطوط خود به کار خواهد بست تا تدریجاً مصرف انرژی کل ناوگان خود را کاهش دهد.

یکی دیگر از محورهای نوآوری Hydro، محصولات کم‌کربن و بازیافتی است. این شرکت دو خط محصول ویژه معرفی کرده است: Hydro REDUXA که آلومینیوم اولیه با انتشار زیر ۴ کیلوگرم CO₂ بر کیلوگرم است (با استفاده ۱۰۰٪ از انرژی‌های تجدیدپذیر)​، و Hydro CIRCAL که آلومینیوم با حداقل ۷۵٪ محتوای قراضه پس از مصرف بوده و ردپای کربن میانگین آن تنها ~۲ کیلوگرم CO₂ بر کیلوگرم است​. این ارقام توسط شخص ثالث (DNV GL) صحه‌گذاری شده‌اند و Hydro برای آنها بازار ویژه‌ای خصوصاً در صنایع ساختمانی و خودروسازی یافته است. برای مثال خودروسازانی مانند مرسدس بنز توافقاتی با Hydro دارند تا از آلومینیوم REDUXA و CIRCAL در مدل‌های برقی خود استفاده کنند​. چنین مشارکت‌هایی زنجیره ارزش کاملاً سبز از تولید تا مصرف را شکل می‌دهد.

در زمینه محیط‌زیست محلی، کارخانه‌های آلومینیوم نروژ جزو پاک‌ترین صنایع از نظر انتشار فلوراید، غبار و سایر آلاینده‌ها هستند. تحت مقررات سخت‌گیرانه نروژ، این کارخانه‌ها سیستم‌های پیشرفته جذب گاز (Dry Scrubbing) نصب کرده‌اند که بیش از ۹۹٪ فلورایدهای خروجی را جذب و به چرخه فرآیند بازمی‌گرداند. همچنین گرمای اتلافی برخی کارخانه‌ها برای سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای شهرهای اطراف استفاده می‌شود که نمونه موفقی از ادغام صنعت و جامعه است.

نروژ نگاه رو به آینده‌ای نیز به کربن‌زدایی فرآیندهای جانبی دارد. اگرچه منبع برق کربن‌صفر است، ولی همچنان در فرآیند آلومینیوم از آندهای کربنی استفاده می‌شود که تولید CO₂ اجتناب‌ناپذیر دارد. Hydro در مشارکت با شرکت‌های بین‌المللی، روی توسعه آندهای بی‌اثر کار می‌کند (همان پروژه ELYSIS که در آن شریک سرمایه‌گذار نیست اما احتمالاً از فناوری بهره‌مند خواهد شد). علاوه بر آن، Hydro به حوزه استفاده از هیدروژن سبز برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی در قسمت‌هایی از تولید که برق نمی‌تواند مستقیماً استفاده شود وارد شده است. تازه‌ترین خبر در این خصوص، تولید نخستین آلومینیوم دنیا با سوخت هیدروژن سبز توسط Hydro در سال ۲۰۲۳ بود​. در این آزمایش در یک کارخانه اکستروژن در اسپانیا، گاز طبیعی مشعل‌های کوره با هیدروژن سبز تولیدشده توسط زیرمجموعه Hydro (شرکت Hydro Havrand) جایگزین شد و بیلت‌های آلومینیومی با موفقیت بدون استفاده از سوخت فسیلی homogenize و اکسترود شدند​. این گام اگرچه در بخش ریخت و فرآوری پایین‌دست بود، اما پیامی قوی داشت: هیدروژن سبز می‌تواند در فرآیندهای دمای بالای صنعت آلومینیوم (مانند پیش‌گرمایش یا عملیات حرارتی) به کار رود و انتشار کربن این بخش‌ها را نیز به صفر برساند​.

از منظر سیاستی، نروژ به عنوان عضوی از منطقه اقتصادی اروپا عملاً در بازار کربن اتحادیه اروپا شرکت دارد و صنعت آلومینیوم آن مشمول قیمت کربن است. اما به دلیل شدت انتشار پایین، کارخانه‌های نروژی معمولاً مازاد سهمیه دارند و گاهی از این طریق درآمدزایی هم می‌کنند. دولت نروژ همچنین مالیات مستقیم بر انتشار CO₂ وضع کرده که سال‌ها است صنایع را تشویق به بهبود بهره‌وری کرده است. نتیجه این ترکیب سیاست و منابع طبیعی، صنعتی است که نه تنها امروز پاک است، بلکه در مسیر رسیدن به آلایندگی نزدیک صفر تا ۲۰۵۰ قرار دارد​.

به طور خلاصه، نروژ نقش طلایه‌دار آلومینیوم سبز در جهان را ایفا می‌کند. این کشور ثابت کرده که با تأمین انرژی پاک، بهبود مداوم فناوری و سرمایه‌گذاری در نوآوری، می‌توان یک صنعت فلزات را که معمولاً آلاینده تلقی می‌شود، به صنعتی پایدار و همسو با اهداف اقلیمی تبدیل کرد. تجربیات نروژ برای سایر کشورها (مثلاً ایسلند، نیوزیلند یا مناطقی از روسیه) که منابع برق‌آبی یا تجدیدپذیر فراوان دارند بسیار الهام‌بخش است. همچنین نشان می‌دهد مصرف‌کنندگان نهایی می‌توانند با انتخاب مواد کم‌کربن (مانند آلومینیوم نروژی)، سیگنال مثبتی به بازار بفرستند و زنجیره تأمین جهانی را به حرکت درآورند. اگر روزی صنعت آلومینیوم جهان به صفر خالص انتشار برسد، بی‌شک سهمی از این دستاورد مرهون پیشگامی کشور کوچکی مانند نروژ خواهد بود.

فصل سوم: تحلیل مقایسه‌ای آلومینیوم و فلزات رقیب (فولاد، مس، روی، منیزیم)

آلومینیوم در بسیاری از کاربردها با دیگر فلزات مانند فولاد، مس، روی و منیزیم رقابت می‌کند یا در تعامل است. هر یک از این مواد ویژگی‌ها و اثرات زیست‌محیطی خاص خود را دارند. برای ارزیابی جامع پایداری آلومینیوم، ضروری است که آن را در برابر گزینه‌های جایگزین بسنجیم. در این فصل، مقایسه‌ای میان آلومینیوم و این فلزات از سه منظر کلیدی انجام می‌شود: مصرف انرژی در تولید و ساخت، قابلیت بازیافت و چرخه عمر، و آلودگی‌ها و اثرات زیست‌محیطی (به‌ویژه انتشار گازهای گلخانه‌ای). این تحلیل نشان خواهد داد که هیچ ماده‌ای به تنهایی “بهترین” یا “بدترین” نیست؛ بلکه مزایا و معایب نسبی آنها بسته به کاربرد و شرایط تولید متغیر است. در عین حال، برخی روندهای کلی را می‌توان شناسایی کرد – مثلاً آلومینیوم از منظر وزن و بازیافت‌پذیری برتری‌هایی دارد اما تولید اولیه آن انرژی‌برتر است.

مقایسه آلومینیوم با فولاد:

فولاد پرمصرف‌ترین فلز جهان است و در بسیاری کاربردهای مهندسی، رقیب سنتی آلومینیوم محسوب می‌شود. مقایسه آلومینیوم و فولاد از جنبه زیست‌محیطی پیچیده اما روشنگر است. از نظر شدت انرژی و کربن در تولید اولیه، فولاد وضعیت بهتری دارد. تولید یک تن فولاد خام (مسیر کوره بلند – کنورتور که ~۷۰٪ فولاد جهان را می‌سازد) حدود ۱٫۸۵ تن CO₂ به همراه دارد​، در حالی که تولید یک تن آلومینیوم اولیه به طور متوسط ۱۴ تا ۱۶ تن CO₂ منتشر می‌کند​. به بیان دیگر، تولید آلومینیوم حدود ۸ برابر انرژی و سوخت بیشتری نسبت به فولاد نیاز دارد​. علت این اختلاف عمدتاً ماهیت فرآیند الکترولیز آلومینیوم است که واکنش تجزیه اکسید آلومینیوم را (بر خلاف فولاد که احیای اکسید آهن است) باید با مصرف عظیم برق به پیش برد. افزون بر آن، فولادسازی متکی بر کربن (کک متالورژی) است که با وجود آلوده‌کنندگی، از دید ترمودینامیکی مسیری کارآمدتر برای احیا فراهم می‌کند. بنابراین در یک مقایسه ساده، فولاد از نظر انتشار CO₂ در مرحله تولید اولیه بسیار کم‌کربن‌تر از آلومینیوم است.

اما این تمام ماجرا نیست. چگالی و استحکام ویژه نقشی تعیین‌کننده در میزان ماده مورد نیاز از هر کدام برای انجام وظیفه معین بازی می‌کند. آلومینیوم تقریباً یک‌سوم فولاد چگالی دارد. در بسیاری از سازه‌ها یا قطعات، می‌توان با طراحی مناسب، مقدار آلومینیوم مصرفی را بسیار کمتر از وزن معادل فولاد گرفت (مثلاً یک قطعه آلومینیومی ممکن است با یک‌دوم وزن فولادی همان قطعه، استحکام کافی را تأمین کند). بنابراین برای مقایسه صحیح باید “انتشار به ازای کارایی” را سنجید. به عنوان نمونه، اگر برای ساخت بدنه یک خودرو ۲۰۰ کیلوگرم آلومینیوم یا ۳۵۰ کیلوگرم فولاد پیشرفته نیاز باشد (فرضی)، آنگاه انتشار مرتبط با مواد بدنه در حالت آلومینیومی ~۳٫۲ تن CO₂ (۲۰۰×16) و در حالت فولادی ~۰٫۶۵ تن CO₂ (۳۵۰×1.85) خواهد بود – هنوز آلومینیوم بیشتر است اما نسبت ۵ برابر تبدیل به ~۵:۱ شده است. با لحاظ کردن چنین ملاحظاتی، WorldAutoSteel در مطالعه LCA خود نتیجه گرفت یک خودروی برقی با بدنه فولادی پیشرفته حدود ۳۰٪ انرژی کمتر در کل چرخه عمر نسبت به همان خودرو با بدنه آلومینیومی مصرف می‌کند​. علت این بود که صرفه‌جویی سوخت (یا برق) ناشی از سبک‌تر بودن آلومینیوم به اندازه‌ای نبود که بدهی انرژی تولید اولیه آن را جبران کند​. البته این نتیجه وابسته به فرضیات خاصی است و اگر سناریوها عوض شوند (مثلاً منبع برق تولید آلومینیوم تجدیدپذیر باشد، یا خودرو عمر کاربری طولانی‌تری داشته باشد)، می‌تواند به نفع آلومینیوم تغییر کند.

از نظر قابلیت بازیافت، هر دو فلز عملکرد عالی دارند اما فولاد مزیت شبکه قراضه گسترده‌تری دارد. فولاد از آغاز انقلاب صنعتی بازیافت می‌شده و زیرساخت‌های آن جهانی است. امروزه در سطح جهان حدود ۳۵٪ کل فولاد تولیدی از قراضه تأمین می‌شود​ (در کشورهای توسعه‌یافته این نسبت بالاتر است، مثلاً در آمریکا ~۷۰٪). میزان بازیافت فولاد از محصولات انتهایی نیز بسیار بالا گزارش می‌شود – برای مثال بیش از ۹۰٪ فولاد خودروها و ساختمانی در اروپا و آمریکا بازیافت می‌شود​. از دید انرژی، استفاده از قراضه فولاد به جای سنگ آهن و کک تا ۷۲٪ صرفه‌جویی انرژی دارد​ و به‌طور متوسط ۱٫۴ تن سنگ آهن و ۰٫۸ تن زغال‌سنگ را به ازای هر تن فولاد حفظ می‌کند​. آلومینیوم نیز همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد در بازیافت یک برنده واقعی است؛ ۹۵٪ صرفه‌جویی انرژی​ و کاهش ۹۲٪ در انتشار CO₂​. بنابراین هر دو فلز در پایان عمر ضایعات ارزشمندی هستند و به دفن نمی‌روند. مقایسه نرخ‌های واقعی بازیافت نشان می‌دهد فولاد و آلومینیوم هر دو بالای ۷۰٪ EoL Recycling Rate دارند (در برخی موارد فولاد به ۹۰٪ نیز می‌رسد برای کاربردهایی چون خودرو​). نکته قابل توجه آن که حدود ۷۰٪ فولاد تولیدشده در طول تاریخ هنوز در حال استفاده است​، برای آلومینیوم این رقم نزدیک ۷۵٪ است​. این اعداد گواهی بر دوام و قابلیت بازیافت بالای هر دو فلزند.

در زمینه آلودگی‌های دیگر، فولادسازی سنتی با مشکلاتی مانند انتشار SO₂، NOx، غبار و پساب همراه است. عملیات کک‌سازی زغال‌سنگ و کوره بلند آلاینده‌های هوا (نظیر بنزن و PAHها) تولید می‌کند. البته فناوری‌های کنترل آلایندگی (فیلترهای کیسه‌ای، اسکرابرها و غیره) در کارخانه‌های مدرن این اثرات را تا حد زیادی مهار کرده‌اند. فرآیند تولید آلومینیوم نیز آلودگی‌هایی نظیر فلورایدها، گرد و غبار آلومینا و پسماند گل قرمز دارد که نیازمند مدیریت ویژه است​. باز هم در اینجا هر دو صنعت راه‌حل‌های مهندسی برای مهار آلاینده‌ها یافته‌اند، اما یک تفاوت کلیدی باقی می‌ماند: پسماند جامد. تولید هر تن آلومینیوم اولیه از بوکسیت حدود ۱٫۵ تا ۲ تن گل قرمز قلیایی تولید می‌کند که دفع و مدیریت آن معضلی زیست‌محیطی است​. در مقابل، فولادسازی پسماند جامد کمتری دارد (چیزی شبیه سرباره که آن هم اغلب در صنعت سیمان مصرف می‌شود). از این منظر فولاد برتری دارد زیرا مشکل انباشت پسماند خطرناک ندارد. البته تلاش‌هایی برای استفاده مفید از گل‌قرمز در ساخت محصولات سرامیکی یا استخراج عناصر ارزشمند در جریان است، ولی هنوز حل کامل نشده است.

جمع‌بندی این بخش آن است که فولاد و آلومینیوم هرکدام نقش مهمی در اقتصاد کم‌کربن دارند و به جای اینکه یکی را مطلقاً برتر از دیگری بدانیم، باید بهترین ترکیب استفاده را بیابیم. فولاد با چگالی بالا اما تولید کم‌کربن‌تر، برای کاربردهای با حساسیت وزن کم (مثل ستون‌های ساختمانی، ریل و…) عالی است. آلومینیوم با چگالی پایین اما انرژی تولید بالا، برای کاربردهای سبک‌سازی (بدنه خودرو، هواپیما، قطعات متحرک) ارزشمند است. استراتژی‌های تلفیقی نظیر طراحی چندفلزی در خودروها (ترکیب فولاد پیشرفته در بخش‌هایی و آلومینیوم در بخش‌های دیگر) احتمالاً از منظر زیست‌محیطی و اقتصادی بهترین نتیجه را می‌دهد. همچنین باید توجه داشت فولادسازی خود در حال دگرگونی است (مثلاً استفاده از هیدروژن به جای کک که می‌تواند انتشار فولاد را به نزدیک صفر برساند). در آن صورت، آلومینیوم اولیه نیز باید با کاهش کربن چشمگیری همراه شود تا مزیت رقابتی خود را در عصر جدید حفظ کند.

مقایسه آلومینیوم با مس:

مس به خاطر رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی، اغلب رقیب یا مکمل آلومینیوم است. در خطوط انتقال برق، موتورهای الکتریکی، مبدل‌های حرارتی و بردهای الکترونیکی، این دو فلز جایگزین یکدیگر می‌شوند. از لحاظ زیست‌محیطی، تولید مس نیز انرژی‌بر و آلاینده است اما نه به شدت آلومینیوم. استخراج مس معمولاً به صورت معادن روباز بزرگ همراه با آسیاب و فلوتاسیون سنگ معدن است که مصرف انرژی قابل توجهی دارد. سپس مرحله ذوب (اسملتر) انجام می‌شود که در آن کنسانتره‌های سولفیدی مس در کوره‌ها گداخته و در کنورتر به مس خام تبدیل می‌شوند و گوگرد آن به SO₂ تبدیل می‌شود. این SO₂ اگر مهار نشود می‌تواند باعث باران اسیدی شود، اما صنایع مدرن مس تقریباً تمامی آن را به اسیدسولفوریک صنعتی تبدیل می‌کنند تا از انتشارش جلوگیری کنند. به لحاظ انتشار کربن، تولید یک تن مس کاتدیک به‌طور متوسط حدود ۴ تا ۵ تن CO₂ منتشر می‌کند​. یک منبع برآورد کرده شدت کربن مس ~4.1 تن CO₂/تن است که بیش از دو برابر فولاد اما حدود یک‌سوم آلومینیوم می‌باشد​. بنابراین می‌توان گفت مس از نظر کربن میانه‌ی طیف فولاد-آلومینیوم است.

مزیت بزرگ مس، کارایی بالای آن در استفاده است. مثلاً اگر در یک موتور الکتریکی از مس به جای آلومینیوم در سیم‌پیچی استفاده شود، راندمان معمولاً بالاتر می‌رود یا حجم موتور کوچک‌تر می‌شود. اما این مزیت در برابر هزینه، وزن و کمبود نسبی مس سنجیده می‌شود. مس فلز گران‌تری است و منابع آن متمرکزتر (ژئوپلیتیک) هستند. از سوی دیگر، آلومینیوم فراوان‌تر (۸٪ پوسته زمین) و ارزان‌تر است. از منظر زیست‌محیطی، بازیافت‌پذیری هر دو بسیار خوب است. مس را می‌توان بارها ذوب و تصفیه کرد بدون افت کیفیت. بیش از ۳۰٪ عرضه سالانه مس جهان از طریق قراضه تأمین می‌شود​. همچنین گفته می‌شود حدود ۶۵٪ کاهش انتشار CO₂ و ۸۵٪ صرفه‌جویی انرژی با بازیافت مس نسبت به تولید اولیه حاصل می‌شود​. این ارقام نسبتاً کمتر از آلومینیوم (۹۵٪ صرفه‌جویی انرژی) هستند، اما همچنان چشمگیرند. دلیل صرفه‌جویی انرژی پایین‌تر مس این است که بخشی از انرژی تولید مس صرف استخراج و تغلیظ سنگ است که آن مرحله در بازیافت حذف می‌شود ولی هنوز ذوب و پالایش الکترولیزی قراضه مس نیازمند مقداری انرژی است.

از نظر ملاحظات خاص زیست‌محیطی، استخراج مس می‌تواند مشکلات آلودگی آب (مانند پساب‌های اسیدی معدن) و تخریب زیستگاه‌ها را به همراه داشته باشد، همان‌گونه که استخراج بوکسیت برای آلومینیوم چنین است​. با این تفاوت که پسماند باطله‌های مس حاوی عناصر سنگین سمی است (مثل آرسنیک) که اگر مدیریت نشود خطرناک است. مقایسه اثرات استخراج بوکسیت (خاک قرمز قلیایی) و استخراج مس (پسماند اسیدی) بستگی به مکان و فناوری دارد؛ هر دو باید با دقت مهار شوند تا به منابع آب آسیب نزنند.

در کاربردهایی مانند خطوط انتقال برق، آلومینیوم و مس یک جدال کلاسیک داشته‌اند. کابل‌های هوایی تقریباً همواره آلومینیومی هستند (به علت وزن و هزینه)، در حالی که کابل‌های زیرزمینی فشارقوی معمولاً مسی‌اند (به علت رسانایی بالاتر در حجم محدود). اگر جنبه زیست‌محیطی را مقایسه کنیم، یک کیلومتر خط انتقال هوایی با کابل آلومینیومی ممکن است انتشار کمتر یا بیشتری نسبت به همان خط با کابل مسی داشته باشد؛ زیرا از یک سو کابل مسی سنگین‌تر است و دکل‌های قوی‌تری می‌خواهد (مصرف فولاد و بتن بیشتر)، اما از سوی دیگر تولید هر تن کابل مس احتمالاً CO₂ کمتری از تولید همان رسانایی الکتریکی در قالب چند تن کابل آلومینیوم دارد. محاسبات LCA مفصل برای چنین سناریوهایی لازم است، اما صنعت به‌صورت تجربی تلفیقی عمل کرده: آلومینیوم برای هوایی، مس برای زمینی.

نکته حائز اهمیت اینکه استفاده از آلومینیوم به جای مس در کاربردهای الکتریکی، فشار بر منابع مس (که محدودترند) را کم کرده و از منظر پایداری منابع نیز مفید است. مثلاً در ساخت ترانسفورماتورها، استفاده از آلومینیوم مدت‌ها بحث‌برانگیز بود اما اکنون رایج است، چون نشان داده شده در عمر ۳۰-۴۰ ساله ترانسفورماتور تفاوت عملکرد چندانی ندارد اما هزینه و وزن بسیار کمتر است. از دید زیست‌محیطی، سبک‌تر بودن تجهیزات الکتریکی (با آلومینیوم) حمل‌ونقل و نصب آنها را ساده‌تر کرده و این خود صرفه‌جویی غیرمستقیم انرژی است.

در مجموع، مس و آلومینیوم را می‌توان رقبای نزدیک دانست که هریک در بخش‌هایی برتری دارند. آلومینیوم سبک‌تر، فراوان‌تر و ارزان‌تر است؛ مس رساناتر، فشرده‌تر و در برخی کاربردها اجتناب‌ناپذیر. از دید آلایندگی کربن، هر دو صنعت نیازمند کربن‌زدایی‌اند اما آلومینیوم فاصله بیشتری برای رسیدن به مس دارد (باید انتشارش ~۳-۴ برابر کاهش یابد تا هم‌تراز مس شود​). در عوض، آلومینیوم می‌تواند ادعا کند در استفاده طولانی‌مدت، با کاهش وزن و توسعه پایدار فناوری‌ها، می‌تواند به عملکرد هم‌ارز با مس برسد. آینده احتمالاً ترکیبی هوشمندانه از این دو را خواهد دید: مثلاً خطوط انتقال جدید HVDC با هادی آلومینیوم خاص که روکش مسی نازک برای بهبود مقاومت سطحی دارد – ترکیبی که مزایای هر دو را جمع می‌کند. همچنین در خودروهای برقی، کابل‌های مسی سنگین داخل خودرو در حال کاهش و جایگزینی با باس‌بارهای آلومینیومی یا ترکیبی است تا وزن خودرو کم شود. بنابراین، همزیستی و بهینه‌کاوی میان آلومینیوم و مس، بهترین راه برای کاهش اثرات زیست‌محیطی کلی بخش‌های برق و الکترونیک خواهد بود.

مقایسه آلومینیوم با روی:

روی فلزی است که بیش از هر چیز به عنوان پوشش گالوانیزه برای فولاد استفاده می‌شود. همچنین در آلیاژهای زاماک و برنج (مس-روی) حضور دارد. حجم تولید روی به مراتب کمتر از فولاد، آلومینیوم یا مس است (حدود ۱۴ میلیون تن در سال) اما چون عمده آن در صنایع ساختمانی و خودرویی به کار می‌رود، مقایسه آن با آلومینیوم از منظر جایگزینی جالب است. به عنوان مثال، لایه روی گالوانیزه‌شده از خوردگی فولاد جلوگیری می‌کند؛ در برخی موارد می‌توان به جای این ترکیب، از آلومینیوم بدون نیاز به پوشش استفاده کرد (چون آلومینیوم ذاتاً مقاوم به خوردگی است). بنابراین سوال می‌تواند این باشد که استفاده از یک سازه آلومینیومی در مقابل سازه فولادی-گالوانیزه از نظر زیست‌محیطی چه تفاوتی دارد.

برای پاسخ، نگاهی به شدت انتشار تولید روی می‌اندازیم. تولید یک تن روی اولیه (شمش روی با خلوص SHG) به طور متوسط ~۳٫۶ تا ۳٫۹ تن CO₂ معادل انتشار دارد. این عدد از مس (۴٫۱) کمی کمتر و از فولاد (۱٫۸۵) بیشتر است. منبع این انتشار، ترکیبی از مصرف الکتریسیته (فرآیند الکترولیز محلول ZnSO₄ که شبیه آلومینیوم نیاز به برق دارد) و سوخت‌های فسیلی در مرحله تشویه سنگ معدن سولفیدی است. بسیاری از پالایشگاه‌های روی از برق زغال‌سنگ استفاده می‌کنند (مثلاً چین)، اما تعدادی نیز از برق‌آبی بهره می‌برند (مثل کانادا). با فرض میانگین جهانی ~۳٫۸۹ کیلوگرم CO₂ بر کیلوگرم روی، می‌توان گفت ردپای کربن روی حدود یک‌چهارم آلومینیوم است (به ازای وزن مساوی).

اما در کاربرد، وزن لایه روی معمولاً بسیار کمتر از آلومینیومی است که بتواند همان نقش را بازی کند. برای مثال، یک تیر فولادی گالوانیزه ممکن است چند صد گرم روی روی سطحش داشته باشد تا در برابر خوردگی محافظت شود، در حالی که اگر آن تیر از جنس آلومینیوم ساخته شود شاید چندین کیلوگرم آلومینیوم نیاز باشد. بنابراین از منظر مصرف مواد، روی ماده‌ای اتلاف‌گریز است (چون فقط به صورت یک پوشش نازک استفاده می‌شود). همین امر در مقایسه زیست‌محیطی مهم است: تولید مثلاً ۱ کیلوگرم روی (برای گالوانیزاسیون ~۲۰ مترمربع ورق فولادی) حدود ۳٫۸ کیلوگرم CO₂ دارد، در حالی که تولید ۱۰ کیلوگرم آلومینیوم (برای ساخت همان سطح پوشش به ضخامت ورق …(ادامه) در حالی که تولید همان سطح محافظتی با ورق تمام‌آلومینیومی نیازمند چندین برابر جرم آلومینیوم است که ردپای کربنی به مراتب بالاتر دارد. به عنوان نمونه فرض کنید برای پوشش ضدزنگ یک سازه فولادی ۲۰ متر مربعی تنها حدود ۵ تا ۱۰ کیلوگرم روی لازم است (به صورت لایه گالوانیزه چند میکرونی)، که تولید آن تقریباً ۲۰ تا ۴۰ کیلوگرم CO₂ انتشار دار​】. اما اگر بخواهیم همان سازه را به طور کامل از آلومینیوم بسازیم، شاید ده‌ها کیلوگرم آلومینیوم نیاز شود که انتشار CO₂ تولید آن به حدود هزار کیلوگرم می‌رسد. لذا در چنین مواردی ترکیب فولاد-روی از دید کربنی بسیار به‌صرفه‌تر از آلومینیوم خالص است.

از جنبه بازیافت، روی وضعیتی دوگانه دارد. از یک سو، خود فلز روی کاملاً قابل بازیافت است و مثلا ضایعات فرآیند گالوانیزه (خاکه‌های روی) می‌توانند در کوره‌های Waelz بازیابی شوند. اما از سوی دیگر، روی به صورت لایه‌های نازک پراکنده روی محصولات فولادی است که جمع‌آوری جداگانه آن دشوار است. هنگام ذوب قراضه فولاد گالوانیزه در فولادسازی، روی موجود تبخیر شده و به عنوان غبار جمع‌آوری می‌شود. این غبار که غنی از اکسید روی است می‌تواند فرآوری و فلز روی از آن استحصال شود. در حال حاضر تخمین زده می‌شود حدود ۳۰٪ از مصرف جهانی روی از منابع بازیافتی تأمین می‌شو​د. نرخ بازیافت نهایی (End-of-life) برای روی حدود ۳۰-۵۰٪ برآورد می‌شود که از آلومینیوم (۷۰-۹۰٪) پایین‌تر است، اما روند روبه‌رشدی دارد زیرا فناوری‌های بازیابی غبار EAF و تفکیک ضایعات روی‌اندود بهبود یافته‌اند.

آلودگی‌های زیست‌محیطی تولید روی شامل انتشار SO₂ (از تشویه کنسانتره سولفیدی) و مصرف اسید برای الکترولیز است. خوشبختانه اکثر کارخانجات مدرن روی، گاز SO₂ را به اسیدسولفوریک تبدیل کرده و از انتشار آن جلوگیری می‌کنند. از نظر آلودگی آب، صنعت روی با مسائلی مانند فلزات سنگین در پسماند (کادمیوم، سرب) روبروست که نیازمند دفع ایمن است. این چالش‌ها مشابه صنعت آلومینیوم (پسماند گل‌قرمز حاوی سود) است و هر دو نیازمند مدیریت دقیق زیست‌محیطی هستند.

در مجموع، روی به عنوان یک فلز مکمل، در بسیاری سناریوها به بهبود پایداری فولاد کمک کرده است. به سختی می‌توان گفت آلومینیوم “بهتر” از روی است یا بالعکس – زیرا کاربرد آنها متفاوت است. هرجا هدف ساخت سازه‌ای سبک و ضدزنگ باشد، آلومینیوم گزینه بهتری نسبت به فولاد گالوانیزه (با لایه روی) است، ولی اگر استحکام و هزینه مهم‌تر از وزن باشد، ترکیب فولاد+روی عملاً با انرژی و مواد کمتر همان خدمت را ارائه می‌دهد. بنابراین تصمیم میان استفاده از آلومینیوم یا فولاد گالوانیزه باید با تحلیل چرخه عمر و شرایط خاص صورت گیرد. اما روشن است که قابلیت بازیافت بالا و استفاده کارآمد (لایه نازک) باعث شده روی سهم مثبتی در کاهش خوردگی و افزایش عمر مفید محصولات فلزی داشته باشد و بدین ترتیب به کاهش اتلاف منابع و انتشار غیرمستقیم کمک کند. بهبود بیشتر صنعت روی (مثلاً افزایش سهم برق تجدیدپذیر در الکترولیز روی) می‌تواند ردپای کربنی آن را باز هم کاهش دهد و موقعیت آن را به عنوان یک ماده حفاظتی پایدار تقویت نماید.

مقایسه آلومینیوم با منیزیم:

منیزیم فلزی فوق‌العاده سبک (چگالی ~۱٫۷۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب، حدود ۳۰٪ سبکتر از آلومینیوم) و با کاربردهای ویژه در صنایع حمل‌ونقل و نظامی است. منیزیم به دلیل وزن بسیار کم و نسبت استحکام به وزن خوب، گزینه‌ای جذاب برای کاهش حداکثری وزن خودروها، هواپیماها و تجهیزات قابل حمل است. اما تولید منیزیم اولیه یکی از انرژی‌برترین و آلاینده‌ترین فرآیندهای متالورژی محسوب می‌شود. حدود ۸۵٪ تولید جهانی منیزیم در حال حاضر در چین و عمدتاً به روش سیلیکوترمی (فرآیند پیجون) صورت می‌گیرد. در این روش، اکسید منیزیم (حاصل از دولومیت) به همراه فروسیلیس در کوره‌های خلا با دمای ~۱۲۰۰°C واکنش داده و منیزیم فلزی به صورت بخار آزاد می‌شود که سپس میعان می‌گردد. فرآیند پیجون شدیداً انرژی‌بر است زیرا نیاز به گرمایش مداوم کوره‌های احیا دارد و برای تولید هر تن منیزیم ده‌ها تن ذغال کک و فروسیلیس مصرف می‌شود. برآوردها نشان می‌دهد شدت انتشار کربن منیزیم اولیه (به روش چینی) به طور متوسط ۴ الی ۵ برابر آلومینیوم اولیه کم‌کربن است. به عبارتی اگر بهترین کارخانه‌های آلومینیوم ~۴-۵ تن CO₂ بر تن انتشار دارند، کارخانه‌های منیزیم چینی بالای ۲۰ تن CO₂ در هر تن منیزیم انتشار دارن​د. حتی در مقایسه با میانگین جهانی آلومینیوم (~۱۶ تن/تن)، منیزیم همچنان بسیار پرکربن‌تر است.

علاوه بر CO₂ حاصل از سوخت، چالش دیگر در صنعت منیزیم گاز SF₆ است. منیزیم مذاب به شدت واکنش‌پذیر است و در تماس با هوا آتش می‌گیرد، از این رو صنایع ریخته‌گری منیزیم ده‌ها سال از هگزافلوراید گوگرد (SF₆) به عنوان گاز پوششی خنثی استفاده کرده‌اند. SF₆ یک گاز گلخانه‌ای با پتانسیل گرمایش جهانی حدود ۲۳٬۵۰۰ برابر CO₂ است و ماندگاری بسیار طولانی در اتمسفر دارد. هرچند میزان مصرف SF₆ در ریخته‌گری نسبتاً کم است (چند کیلوگرم در ساعت برای یک کارگاه)، ولی در صورت عدم بازیابی، می‌تواند سهم قابل توجهی در ردپای کربنی منیزیم داشته باشد. خوشبختانه در سال‌های اخیر جایگزین‌های کم‌زیان‌تر مانند HFC-134a یا مخلوط‌های اختصاصی (Novec) معرفی شده‌اند و بسیاری از ریخته‌گری‌های منیزیم به آنها روی آورده‌اند. با این حال، هنوز در برخی تاسیسات از SF₆ استفاده می‌شود که نیازمند مقررات سخت‌گیرانه‌تری است.

بازیافت منیزیم از دیگر نقاط ضعف فعلی است. منیزیم را می‌توان بازیافت کرد، اما قراضه‌های منیزیمی معمولاً یا به مقدار کم دردسترس‌اند یا در جریان بازیافت فلزات دیگر تلف می‌شوند. برای مثال، تراشه‌ها و پلیسه‌های منیزیم در ماشین‌کاری اغلب جمع‌آوری و ذوب مجدد می‌شوند (زیرا خلوص بالا و عاری از آلودگی‌اند). اما منیزیم موجود در آلیاژهای مختلط (مثل آلومینیوم‌های ریخته‌گری که چند درصد منیزیم دارند) یا در قطعات چندفلزی (مثل پوسته لپ‌تاپ که آلیاژ منیزیم-آلومینیوم است) به سختی جدا شده و اغلب به سرباره تبدیل می‌شود. در خودروها نیز مقدار منیزیم موجود (مثلاً در رینگ‌ها یا قطعات گیربکس) نسبتاً کم است و اغلب در کوره فولادسازی می‌سوزد و اکسید می‌شود تا اینکه به چرخه منیزیم بازگردد. از این رو نرخ بازیافت نهایی منیزیم پایین گزارش می‌شود (در محدوده ۲۰٪ یا کمتر) – گرچه آمار دقیق کمتر منتشر شده است. این یعنی بخش اعظم منیزیم مصرفی پس از یک چرخه عمر از دست می‌رود و نیاز به تولید اولیه جدید هست.

با وجود این، مزایای منیزیم در کاهش وزن آنقدر قابل توجه است که صنایع به دنبال سبزتر کردن آن هستند. در خودروسازی، استفاده از منیزیم می‌تواند وزن قطعات آلومینیومی را نیز ۲۵٪ دیگر کاهش ده​د. به عنوان نمونه، یک رینگ منیزیمی حدود ۲۵٪ سبکتر از معادل آلومینیومی و ۷۵٪ سبکتر از فولادی است. این کاهش وزن، مصرف سوخت/برق را باز هم بهبود می‌دهد. محاسبات چرخه عمر نشان می‌دهد در یک خودروی بنزینی، استفاده گسترده از منیزیم ممکن است طی ۱۰-۱۵ سال بهره‌برداری بتواند انتشار اضافی مرحله تولید را جبران کند – اما برای خودروی برقی ممکن است ۳۰ سال یا بیشتر زمان ببرد. بنابراین در شرایط فعلی، از دید انتشار کربن کل چرخه عمر، منیزیم اغلب سود خالصی ارائه نمی‌کند مگر در کاربردهای بسیار حساسی که هر کیلوگرم وزن تاثیر زیادی دارد (مثل صنایع هوافضا، مسابقات اتومبیل‌رانی یا حمل‌ونقل نظامی).

خوشبختانه تلاش‌هایی برای کربن‌زدایی تولید منیزیم در جریان است. فرآیندهای جدید حرارتی با کوره‌های کارآمدتر و بازیابی انرژی در چین برخی کارخانه‌ها را بهبود بخشیده است. همچنین طرح‌هایی برای احداث کارخانه‌های الکترولیز منیزیم در مکان‌هایی با برق پاک (مثل پروژه‌های در کانادا و استرالیا) مطرح شده که می‌تواند شدت کربن منیزیم را شدیداً کاهش دهد. حتی ایده‌هایی مانند تولید منیزیم از آب دریا با استفاده از انرژی تجدیدپذیر (روشی که در آمریکا طی جنگ جهانی دوم انجام می‌شد) دوباره مورد توجه قرار گرفته است. اگر چنین تحولاتی موفق شوند، منیزیم می‌تواند تبدیل به فلزی پاک و ایده‌آل برای سبک‌سازی شود. تصور کنید فلزی با یک‌چهارم وزن فولاد و تولید کم‌کربن – این می‌تواند انقلابی در مهندسی سبز پدید آورد.

در نهایت، منیزیم و آلومینیوم را باید به عنوان شرکای مکمل دید نه لزوماً رقبتی که یکی بر دیگری برتری قطعی یابد. هر دو در جهت کاهش وزن خودروها و هواپیماها مهم‌اند و ترکیب هوشمندانه استفاده از آنها (مثلاً منیزیم برای قطعاتی که باید فوق‌سبک باشند و آلومینیوم برای سایر بخش‌ها) می‌تواند بهترین نتیجه را داشته باشد. اما از منظر زیست‌محیطی، فعلاً تمرکز بر بهبود کارنامه منیزیم ضروری است. صنعتی‌سازی فرآیندهای منیزیم کم‌کربن (چه با برق پاک، چه با بهبود بازده واکنش) و افزایش نرخ بازیافت آن، چالش‌های بزرگی هستند که باید بر آنها فائق آمد. اگر این اهداف محقق شوند، منیزیم در کنار آلومینیوم می‌تواند ستون فقرات توسعه سبز در حمل‌ونقل فردا باشد. در غیر این صورت، ممکن است منیزیم به دلیل بار آلایندگی بالا، به حاشیه کاربردهای بسیار خاص رانده شود و آلومینیوم نقش اصلی را ایفا کند.

جمع‌بندی مقایسه:

مقایسه آلومینیوم با فولاد، مس، روی و منیزیم نشان داد که هر فلز در زمینه‌ای می‌درخشد و در زمینه‌ای دیگر چالش دارد. آلومینیوم در نسبت استحکام به وزن و قابلیت بازیافت عالی است، اما تولید اولیه آن انرژی‌بر و همراه با انتشار بالای CO₂ است. فولاد تولید نسبتاً کم‌کربنی دارد و بسیار بازیافت‌پذیر است، اما وزن زیاد آن در بسیاری کاربردها محدودیت ایجاد می‌کند. مس رسانایی بی‌نظیری دارد و در کاربردهای الکتریکی بی‌رقیب است، اما سنگین و گران است و تولید آن نیز با انتشار قابل ملاحظه همراه است. روی با به کار رفتن بهینه به صورت پوشش نازک، عمر مفید سازه‌ها را افزایش می‌دهد و نرخ بازیافت بهبود‌یابنده‌ای دارد، اما پراکندگی آن در محصولات چالشی برای چرخه بسته کامل است. منیزیم سبک‌ترین است و پتانسیل کاهش وزن زیادی دارد، ولی تا زمان حل معضلات انتشار و بازیافت، نمی‌تواند به‌طور گسترده و پایدار جایگزین شود.

نکته کلیدی این است که توسعه پایدار در بخش فلزات احتمالاً نه با حذف یک فلز به نفع دیگری، بلکه با بهینه‌سازی ترکیب استفاده از همه آن‌ها حاصل می‌شود. به عنوان مثال، تصور کنید خودرویی که شاسی فولادی پیشرفته (احتمالاً با پوشش روی) دارد، پانل‌های بدنه‌اش از آلومینیوم بازیافتی است، سیم‌کشی‌هایش مسی است، و بخش‌های خاصی از آن (مثلاً قاب صندلی‌های مسابقه‌ای یا چرخ‌ها) از منیزیم فوق سبک ساخته شده است. در چنین طراحی تلفیقی، از هر ماده در جایی استفاده شده که بیشترین بازده را دارد و در عین حال تلاش شده اثرات زیست‌محیطی با بازیافت و تامین کم‌کربن به حداقل برسد. مطالعات نشان می‌دهد چنین رویکردی در صنعت خودرو می‌تواند ۱۷٪ صرفه‌جویی انرژی در کل چرخه عمر فراهم کند نسبت به حالتی که صرفاً به آلومینیوم یا صرفاً به فولاد تکیه شو​د.

بنابراین، مسیر آینده احتمالاً به جای رقابت تک‌بعدی مواد، در گرو نوآوری و هم‌افزایی میان آن‌هاست. در کنار این، ارتقای همه صنایع فلزی از نظر کاهش انتشار کربن (مثلاً تولید فولاد با هیدروژن، آلومینیوم با آند خنثی، مس و روی با برق پاک، منیزیم با روش‌های نو) هدفی مشترک است که باید دنبال شود. در بخش بعد، خواهیم دید که صنعت آلومینیوم و سایر بازیگران، چگونه با توسعه فناوری‌های نوین در پی کاهش ردپای کربنی زنجیره تولید هستند.

فصل چهارم: رویکرد شرکت‌های نوآور در توسعه آلومینیوم سبز

در بخش‌های قبل دریافتیم که کربن‌زدایی کامل صنعت آلومینیوم نیازمند تحولاتی در کل زنجیره ارزش – از تامین انرژی گرفته تا فرآیند الکترولیز و بازیافت – است. محرک اصلی بسیاری از این تحولات، شرکت‌های بزرگ و پیشرویی هستند که با سرمایه‌گذاری در فناوری‌های جدید و تغییر روش‌های تولید، مسیر صنعت را تعیین می‌کنند. در این فصل به بررسی اقدامات و رویکردهای چند شرکت و نهاد مهم در حرکت به سمت آلومینیوم سبز می‌پردازیم: شرکت «نورسک هیدرو» نروژ که الگوی تولید کم‌کربن و بازیافت را بنا نهاده، شرکت «ریو تینتو» (و شریک آمریکایی‌اش آلکوا) که فناوری انقلابی آند بی‌اثر را پیش می‌برند، و شرکت ایرالکو در ایران که به عنوان تولیدکننده منطقه‌ای تلاش‌هایی برای بهبود عملکرد زیست‌محیطی خود انجام داده است. مطالعه این نمونه‌ها نشان می‌دهد چگونه نوآوری صنعتی و مسئولیت‌پذیری اجتماعی می‌تواند دست به دست هم داده و توسعه سبز را از سطح شعار به عرصه عمل وارد کند.

Norsk Hydro – آلومینیوم کم‌کربن و چرخشی (نروژ):

شرکت Norsk Hydro که در سال ۱۹۰۵ در نروژ تأسیس شده، یکی از پیشگامان صنعت آلومینیوم جهان و از نظر زیست‌محیطی، شرکتی با دستاوردهای چشمگیر است. Hydro زنجیره کاملی از معدن بوکسیت تا محصولات نهایی آلومینیومی را در اختیار دارد، اما آنچه بیش از همه این شرکت را متمایز می‌کند تأکید آن بر استفاده از انرژی پاک و بازیافت گسترده است. Hydro از دهه‌ها پیش با تکیه بر نیروگاه‌های برق‌آبی خود، تولید آلومینیومی تقریباً عاری از سوخت فسیلی را امکان‌پذیر کرده است. استفاده ۱۰۰٪ از برق آبی و بادی باعث شده ردپای کربن آلومینیوم اولیه Hydro به تنها ~۴ کیلوگرم CO₂ به ازای هر کیلوگرم کاهش یابد. این عدد در مقایسه با میانگین جهانی (~۱۶) فوق‌العاده پایین است و به Hydro اجازه داده محصول خود را به عنوان آلومینیوم سبز برند‌گذاری کند.

Hydro به طور رسمی دو برند برای محصولات پایدار خود معرفی کرده است: Hydro REDUXA و Hydro CIRCAL. Hydro REDUXA به آلومینیوم اولیه‌ای اطلاق می‌شود که با استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر تولید شده و حداکثر ۴٫۰ کیلوگرم CO₂e بر کیلوگرم فلز انتشار دارد. این محصول که تاییدیه مستقل DNV-GL را دارد، تقریباً ¼ میانگین جهانی اثر کربن دارد و مشتریانی نظیر خودروسازان لوکس و سازندگان تجهیزات الکترونیک علاقه زیادی به آن نشان داده‌اند. از سوی دیگر Hydro CIRCAL محصولی با محوریت اقتصاد چرخشی است – آلومینیومی که حداقل ۷۵٪ از مواد اولیه آن قراضه پسامصرف (Post-consumer scrap) است. Hydro گزارش کرده نسخه CIRCAL 100R حتی با ۱۰۰٪ قراضه نیز تولید شده که رکورددار صنعت است. میانگین ردپای کربن Hydro CIRCAL حدود ۲ کیلوگرم CO₂e بر کیلوگرم آلومینیوم است که سطحی کم‌نظیر به شمار می‌رود. این دستاورد دو جنبه دارد: تامین قراضه کافی با کیفیت مناسب، و فناوری ذوب کارآمد با کمترین پرت و آلایندگی.

Hydro در زمینه بازیافت آلومینیوم سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی کرده است. این شرکت شبکه‌ای از کارخانه‌های بازیافت در اروپا (از جمله در آلمان و بریتانیا) ایجاد کرده که قراضه‌های آلومینیومی جمع‌آوری‌شده – چه پروفیل‌های ساختمانی پس از تخریب ساختمان‌ها، چه قوطی‌های نوشیدنی – را بازیابی می‌کنند. هدف اعلامی Hydro این است که ظرفیت بازیافت خود را تا ۲۰۲۵ به میزان ۱۰٪ دیگر افزایش دهد و بدین ترتیب سهم آلومینیوم ثانویه در سبد محصولاتش را بیش از پیش بالا ببرد. در واقع، Hydro بازیافت را نه تنها به عنوان فعالیتی اقتصادی، بلکه به عنوان استراتژی کربن‌زدایی می‌بیند؛ زیرا هر تن قراضه که بازیافت می‌شود ~۹۵٪ انرژی کمتر و ۹۲٪ CO₂ کمتر نسبت به تولید اولیه مصرف می‌کند.

از حیث فناوری تولید، Hydro یک پروژه شاخص به نام “Pilot Karmøy” اجرا کرد که هدفش ساخت کارآمدترین سلول‌های احیای آلومینیوم دنیا بود. این پایلوت شامل ۶۰ سلول الکترولیز مدل HAL4e بوده که با استفاده از به‌روزترین طراحی‌ها، موفق شدند مصرف انرژی را به حدود ۱۱٫۵-۱۲ کیلووات‌ساعت بر کیلوگرم کاهش دهن​​د. این میزان در مقایسه با متوسط جهانی (~۱۳٫۵) حدود ۱۵٪ صرفه‌جویی نشان می‌دهد. چنین کاهش مصرفی مستقیماً به کاهش انتشار (ناشی از تولید برق) منجر می‌شود و البته هزینه‌ها را نیز کاهش می‌دهد. Hydro اعلام کرده تجربیات این پایلوت را برای ارتقای سایر خطوط خود به کار خواهد بست.

در کنار کاهش مصرف و استفاده از انرژی پاک، Hydro توجه ویژه‌ای به کاهش سایر آلاینده‌ها داشته است. تمامی خطوط احیای Hydro مجهز به سیستم‌های جمع‌آوری گاز فلوراید هستند که فلورایدهای خروجی را تا بیش از ۹۹٪ جذب می‌کند. همچنین حرارت گازهای خروجی در مجتمع‌های Hydro برای پیش‌گرمایش مواد یا حتی گرمایش منطقه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد که بهره‌وری کلی انرژی را بالا می‌برد. می‌توان گفت رویکرد Hydro یک نگاه جامع به پایداری است – از منبع انرژی تا انتشار هوا و مدیریت پسماند.

تعهد Hydro به پایداری در سیاست‌گذاری‌های شرکتی آن نیز مشهود است. این شرکت هدف کربن خنثی (Carbon Neutral) را تا سال ۲۰۵۰ تعیین کرده و اهداف میانی برای ۲۰۳۰ نیز دارد (کاهش ۳۰٪ انتشار مستقیم و غیرمستقیم​. همچنین Hydro عضو ابتکارهای بین‌المللی مانند Aluminium Stewardship Initiative (ASI) است و بسیاری از سایت‌های آن گواهینامه عملکرد و زنجیره انتقال ASI را دریافت کرده‌اند، که نشان می‌دهد معیارهای محیط‌زیستی و اجتماعی را رعایت می‌کنند.

در مجموع، Norsk Hydro نشان داده که یک تولیدکننده آلومینیوم بزرگ می‌تواند پایداری زیست‌محیطی را در مرکز استراتژی کسب‌وکار خود قرار دهد و در عین حال سودده و رقابتی بماند. این شرکت با عرضه محصولات کم‌کربن (REDUXA) و چرخشی (CIRCAL) در بازار، به شکل‌گیری تقاضا برای آلومینیوم سبز کمک کرده و سایر تولیدکنندگان را نیز تشویق به حرکت در این مسیر می‌کند. Hydro نمونه‌ای الهام‌بخش از ترکیب بهره‌برداری از منابع تجدیدپذیر (نیروی برق‌آبی)، نوآوری صنعتی (کاهش مصرف انرژی) و مدل اقتصاد چرخشی (بازیافت حداکثری) است که در کنار هم نشان می‌دهند صنعت آلومینیوم می‌تواند به سوی انتشار نزدیک صفر گام بردارد.

Rio Tinto (و Alcoa) – نوآوری در فناوری ذوب و مسئولیت‌پذیری (کانادا/بین‌المللی):

شرکت Rio Tinto یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های معدن و فلزات در جهان است که در بخش آلومینیوم نیز حضوری قدرتمند دارد (عمدتاً از طریق زیرمجموعه Rio Tinto Alcan). رویکرد زیست‌محیطی ریو تینتو در صنعت آلومینیوم، بر دو محور استوار است: بهره‌گیری حداکثری از انرژی‌های پاک برای کاهش ردپای کنونی، و نوآوری تحول‌آفرین برای حذف کامل انتشار در آینده. این شرکت با دارا بودن تاسیسات بزرگ ذوب در کانادا، بخش عمده‌ای از تولید خود را با نیروی برق‌آبی انجام می‌دهد و بنابراین آلومینیوم کم‌کربن عرضه می‌کند. به طور مثال تمامی ۹ کارخانه ذوب آلومینیوم ریو تینتو در استان کبک و بریتیش کلمبیا کانادا از برق‌آبی استفاده می‌کنند و میانگین شدت انتشار آنها حدود ۲ تن CO₂‌ بر تن آلومینیوم است که بسیار کمتر از میانگین جهانی است. ریو تینتو برای بازاریابی این مزیت، در سال ۲۰۱۶ برند تجاری “RenewAl” را معرفی کرد که نشان‌دهنده آلومینیوم با ردپای کم‌کربن (کمتر از ۴ تن CO₂/تن) است. بسیاری از مشتریان خودروساز و بسته‌بندی، از این آلومینیوم کم‌کربن در محصولات خود استفاده می‌کنند تا ردپای محصولاتشان را کاهش دهند.

اما perhaps بزرگ‌ترین نقش ریو تینتو در آلومینیوم سبز، پروژه مشترکش با آلکوا و دولت‌های کانادا و کبک – یعنی ELYSIS – است. ELYSIS نام شرکتی است که در سال ۲۰۱۸ تأسیس شد تا فناوری آند بی‌اثر (inert anode) را به مرحله تجاری برساند. این فناوری اگر به طور کامل پیاده‌سازی شود، انقلابی در تولید آلومینیوم ایجاد خواهد کرد زیرا *تمامی انتشار مستقیم CO₂ در مرحله احیا را حذف می‌کند. در روش فعلی Hall-Héroult، آندهای کربنی مصرف‌شونده باعث تولید CO₂ می‌شوند. در فناوری جدید، آندهایی از جنس مواد هادی خاص (سرامیک/فلز) جایگزین می‌شوند که واکنش نمی‌دهند و در حین الکترولیز تنها اکسیژن خالص آزاد می‌شود. این بدان معناست که دیگر نه CO₂ تولید می‌شود نه گازهای PFC ناشی از اثر آند. فرآیند ELYSIS نتیجه ده‌ها سال تحقیق بوده است – آلکوا از دهه ۱۹۹۰ روی آندهای سرامیکی کار می‌کرد و در ۲۰۰۹ به پیشرفت مهمی رسید. ریو تینتو در ۲۰۱۸ وارد همکاری شد تا منابع و زیرساخت لازم برای تجاری‌سازی فراهم شود.

مقر اصلی ELYSIS در مونترال کبک قرار دارد و یک خط آزمایشی نیز در مرکز فنی آلکوا در پیتسبورگ راه‌اندازی شده است. در ۲۰۱۹، این شرکت موفق شد اولین نمونه تجاری آلومینیوم بدون کربن را تولید و به مشتری (اپل) تحویل ده​د. طبق برنامه اعلامی، تا سال ۲۰۲۴ یک سلول صنعتی کامل با ظرفیت ~۴۵۰ کیلو آمپر ساخته خواهد شد که تولید در مقیاس نیمه‌صنعتی را نمایش می‌دهد. اگر این فناوری موفق شود، پیش‌بینی می‌شود از ۲۰۲۵ به بعد ریو تینتو و آلکوا بتوانند در کارخانه‌های جدید خود آن را به کار گیرند یا حتی برخی خطوط موجود را retrofit کنند. اهمیت زیست‌محیطی این نوآوری عظیم است: بر اساس داده‌ها، فرآیند احیا و آندهای کربنی حدود ۱۷٪ از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای صنعت آلومینیوم و ۱٪ از انتشار جهانی CO₂ را تشکیل می‌دهد. حذف این بخش یعنی صرفه‌جویی صدها میلیون تن CO₂ در سال در جهان.

ریو تینتو علاوه بر تمرکز بر ELYSIS، در بخش‌های دیگر زنجیره نیز پروژه‌های کاهشی دارد. به عنوان مثال، این شرکت در حال توسعه روشی به نام “رهیافت الکترواکسیژن” برای تولید آلومینا (Al₂O₃) از بوکسیت بدون انتشار CO₂ است – در این روش به جای تجزیه حرارتی هیدروکسید آلومینیوم (که CO₂ و بخار تولید می‌کند)، از الکترولیز محلول استفاده می‌شود و اکسیژن آزاد می‌شود. اگر این فناوری به ثمر بنشیند (در مرحله مفهومی است)، مشکل انتشار و مصرف سوخت فسیلی در پالایشگاه‌های بوکسیت نیز حل خواهد شد. ریو تینتو همچنین یک کارخانه تولید آندهای کربن با کوره‌های برق‌آبی در کبک احداث کرده تا اطمینان یابد حتی آندهای مصرفی‌اش نیز کم‌کربن هستند.

در زمینه بازیافت، ریو تینتو مشارکت‌هایی در اروپا دارد (مثلاً سرمایه‌گذاری در کارخانه Neometals در آلمان برای بازیافت باتری خودروهای برقی که حاوی آلومینیوم نیز هستند). همچنین ریو تینتو بخشی از کنسرسیوم‌هایی است که به دنبال بازیافت آلومینیوم کامپوزیتی در هواپیماهای بازنشسته و خودروهای پایان عمر هستند. هدف این است که تا حد امکان مواد خام جدید مصرف نشود و آلومینیوم موجود در چرخۀ اقتصاد باقی بماند.

به لحاظ استانداردهای مسئولیت‌پذیری، ریو تینتو اولین تولیدکننده‌ای بود که یک سایت ذوب (کارخانه کیتی‌مات در کانادا) و یک معدن بوکسیت (معدن وایپا در استرالیا) را با استاندارد ASI تأیید کرد. این بدان معناست که کل زنجیره از معدن تا فلز، استانداردهای محیط‌زیستی (و اجتماعی) بالایی را رعایت کرده‌اند. این شفافیت در زنجیره تامین برای مشتریانی که دغدغه پایداری دارند بسیار ارزشمند است.

می‌توان گفت Rio Tinto/Alcoa در کنار Hydro نروژ، دو بال اصلی حرکت صنعت آلومینیوم به سوی فناوری‌های پاک هستند: Hydro با پیاده‌سازی عملی الگوی تولید کم‌کربن در مقیاس بزرگ، و Rio Tinto/Alcoa با نوآوری‌های بنیادی که قادر است ماهیت فرآیند تولید را تغییر دهد. ترکیب دستاوردهای این شرکت‌ها تصویر آینده‌ای را ترسیم می‌کند که در آن تولید آلومینیوم – از معدن تا فلز – می‌تواند تقریباً بدون انتشار باشد. برای ریو تینتو که یک غول معدن است، این حرکت علاوه بر مزایای زیست‌محیطی، یک ضرورت تجاری در دنیای در حال تغییر نیز هست: فشار سرمایه‌گذاران برای کاهش ریسک‌های کربنی، مقررات رو به رشد کربن‌زدایی، و تقاضای مشتریان برای مواد کم‌اثر، همگی محرک‌هایی هستند که ریو تینتو را به این مسیر سوق داده‌اند. آن‌ها نیز پاسخ مثبتی داده‌اند و نشان داده‌اند یک شرکت معدنی سنتی می‌تواند با سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه، نقشی پیشرو در حل معضلات زیست‌محیطی ایفا کند.

سایر ابتکارات بین‌المللی:

علاوه بر موارد بالا، در سطح جهانی شرکت‌ها و طرح‌های نوآور متعدد دیگری نیز در حرکت به سمت آلومینیوم سبز نقش دارند. به عنوان نمونه، شرکت روسی روسال (RUSAL) – دومین تولیدکننده آلومینیوم جهان – برنامه‌ای به نام “Net Zero 2050” دارد و برند آلومینیوم کم‌کربن خود به نام ALLOW (با <۴ تن CO₂/تن) را عرضه کرده است. روسال نیز مشغول توسعه فناوری آند بی‌اثر خود موسوم به EcoSoderberg بوده و اعلام کرده در یکی از کارخانه‌هایش در سیبری به پیشرفت‌هایی دست یافته است.

در امارات متحده عربی، شرکت EGA با همکاری شرکت برق دوبی، نخستین آلومینیوم دنیا که تماماً با انرژی خورشیدی تولید شده بود را در ۲۰۲۱ روانه بازار کرد (برند CelestiAL). این آلومینیوم خورشیدی که خالصاً با برق یک پارک خورشیدی عظیم ذوب شده، نشانه‌ای از امکان تامین انرژی تجدیدپذیر حتی در مناطقی بدون منابع آبی یا بادی است. همچنین باید به ابتکار مدیریت آلومینیوم (ASI) اشاره کرد که یک استاندارد جهانی برای تولید مسئولانه آلومینیوم است و ده‌ها شرکت – از جمله Hydro، Rio Tinto، Alcoa، Rusal و حتی شرکت ایرالکو – عضو آن هستند. ASI با تعریف معیارهای زیست‌محیطی (کاهش انتشار، مدیریت پسماند، تنوع زیستی) و اجتماعی (حقوق کار، جامعه محلی) و صدور گواهینامه، نقش مهمی در شفافیت و بهبود عملکرد صنعت دارد.

همه این تلاش‌ها در مجموع نشان می‌دهد صنعت آلومینیوم به طور گسترده‌ای پذیرای ضرورت حرکت به سمت توسعه پایدار شده است. رقابت شرکت‌ها اکنون علاوه بر کمیت و قیمت، بر سر کاهش ردپای کربنی و بهبود وجهه محیط‌زیستی نیز هست. سرمایه‌گذاری‌های مشترک (مانند ELYSIS)، تبادل دانش از طریق مجامع بین‌المللی (IAI، ASI) و تعهدات بلندمدت (net-zero pledges) همگی گواه این تحول هستند. نقش مشتریان بزرگ (مثل خودروسازان و شرکت‌های فناوری) را نیز نباید فراموش کرد که با مطالبه آلومینیوم سبز، مشوق این حرکت بوده‌اند – نمونه‌اش اپل که نه تنها از آلومینیوم بازیافتی در محصولاتش استفاده می‌کند بلکه مستقیماً در تحقیق و توسعه آلومینیوم بدون کربن سرمایه‌گذاری کرده است.

فصل پنجم: فناوری‌های نوین برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در صنعت آلومینیوم

برای آن‌که صنعت آلومینیوم به طور کامل با اهداف توافق اقلیمی پاریس و کربن‌خنثی شدن تا اواسط قرن هماهنگ شود، تکیه صرف بر بهبودهای تدریجی کافی نخواهد بود. نیازمند دگرگونی‌های تکنولوژیک و نوآوری‌های تحولی هستیم که بتوانند بخش اعظم انتشار گازهای گلخانه‌ای این صنعت را حذف یا جبران کنند. خوشبختانه، همان‌طور که در بخش قبل دیدیم، بسیاری از شرکت‌های پیشرو و موسسات تحقیقاتی در سراسر جهان بر روی چنین فناوری‌هایی متمرکز شده‌اند. در این فصل، مهم‌ترین حوزه‌های نوآوری تکنولوژیک در زنجیره آلومینیوم را بررسی می‌کنیم: از آندهای بی‌اثر که می‌توانند فرآیند احیای آلومینیوم را متحول کنند گرفته، تا استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و پیاده‌سازی الگوریتم‌های هوشمند برای بهینه‌سازی مصرف انرژی. همچنین به روش‌های کنترل و جذب کربن (مانند کربن‌گیری و استفاده مجدد)، بهبود فرآیند پالایش آلومینا و مدیریت پسماند، و نقش بازیافت پیشرفته و اقتصاد چرخشی در کاهش انتشار می‌پردازیم. هدف این است که تصویری از کارخانه آلومینیوم آینده ترسیم کنیم – کارخانه‌ای که شاید نه دودکش CO₂ داشته باشد نه حوضچه گل قرمز و نه اتلاف انرژی – و مسیر رسیدن به آن را بر اساس فناوری‌های نوین نشان دهیم.

آندهای بی‌اثر (Inert Anodes) – انقلاب در الکترولیز:

پیش‌تر به کرات اشاره شد که فرآیند الکترولیز آلومینیوم در سلول‌های Hall-Héroult سنتی، به دلیل مصرف آندهای کربنی، منبع اصلی انتشار CO₂ مستقیم است. بنابراین، یکی از بدیهی‌ترین ایده‌ها برای حذف این انتشار، جایگزینی آند مصرف‌شونده با آندی است که در واکنش شرکت نکند – یعنی آند بی‌اثر. چالش این ایده این است که آند ایده‌آل باید در دمای ~۹۶۰°C سلول پایدار باشد، رسانایی الکتریکی خوبی داشته باشد، و در برابر خوردگی شدید حمام مذاب cryolite و اکسیژنی که در سطحش آزاد می‌شود مقاوم باشد. یافتن ماده یا ترکیب موادی با این ویژگی‌ها دهه‌ها دانشمندان را به خود مشغول کرده است. پژوهش‌های اولیه در شوروی (دهه ۱۹۸۰) و سپس آمریکا (آلکوا در دهه ۱۹۹۰) روی آلیاژهای خاص نیکل-آهن-مس با پوشش سرامیکی متمرکز بود. این آلیاژها از یک سو رسانا و شکل‌پذیر بودند (به عنوان فلز) و از سوی دیگر لایه سرامیکی اکسیدی تشکیل می‌دادند که جلوی حل‌شدن در حمام را می‌گرفت. نسل‌های مختلفی از این مواد آزمایش شد و نهایتاً ترکیباتی بر پایه نیکل-آهن-آلومینا توسعه یافت که عملکرد امیدوارکننده‌ای داشت. آلکوا اعلام کرد که با چنین آندهایی توانسته چندین روز عملیات پایدار داشته باشد.

با پروژه ELYSIS، این تحقیق وارد مرحله طراحی صنعتی شد. سلول‌های ELYSIS از آندهای متال-سرامیک و همچنین کاتدهای ارتقاءیافته بهره می‌گیرند (زیرا با حذف کربن آند، طراحی کاتد نیز باید بهینه شود). در این سلول‌ها در حین الکترولیز، اکسیژن مولکولی (O₂) روی آند آزاد می‌شود. یک چالش جدید، مدیریت این اکسیژن داغ و خورنده است که باید بدون آسیب رساندن به آند از سلول خارج شود. طراحی سلول ELYSIS به گونه‌ای است که گاز O₂ از بالای سلول جمع‌آوری شده و می‌توان آن را برای مصارف صنعتی (مثلاً در یک نیروگاه یا پالایشگاه) به فروش رساند. به عبارت دیگر، این فناوری نه تنها انتشار CO₂ را حذف می‌کند، بلکه اکسیژن خالص به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند.

پیاده‌سازی آند بی‌اثر نه تنها انتشار مستقیم را صفر می‌کند، بلکه چند سود جنبی مهم هم دارد: اول اینکه دیگر نیازی به کلسینه کردن کک نفتی و تولید آندهای کربنی نیست که خود فرآیندی انرژی‌بر و آلاینده است. دوم اینکه حرارت حاصل از سوختن آند کربنی (که حدود ۴۰٪ انرژی سلول را تامین می‌کرد) دیگر وجود ندارد، لذا می‌توان شدت جریان سلول را افزایش داد چون محدودیت اتلاف حرارت کمتر می‌شود. این یعنی ظرفیت تولید هر سلول بالا می‌رود. همچنین حذف فرآورده‌های جانبی نظیر CO و CF₄، محیط کارگاه را ایمن‌تر و تمیزتر می‌کند (کارگران در معرض این گازها نخواهند بود). در مقابل، چالش‌ها نیز قابل توجه‌اند: مواد آند هنوز گران و پیچیده‌اند، طول عمر آندها در عمل باید به اثبات برسد تا هزینه جایگزینی منطقی باشد، همچنین طراحی کارگاه باید تغییر کند (چون مثلاً دیگر دوده و CO₂ وجود ندارد ولی باید برای خروج حجم زیاد O₂ برنامه‌ریزی شود).

با وجود این چالش‌ها، صنعت آلومینیوم خوش‌بین است که طی ۱۰ سال آینده آند بی‌اثر از حالت آزمایشگاهی به تجاری گذر کند. اگر این تحول رخ دهد، آلومینیوم تبدیل به فلزی می‌شود که تولیدش (به شرط استفاده از برق پاک) تقریباً کربن‌صفر است – ویژگی که هیچ فلز اصلی دیگری فعلاً به آن دست نیافته است. بر همین اساس، IAI پیش‌بینی کرده که تا ۲۰۵۰ شاید ۳۰٪ از تولید جهانی از مسیرهای کم‌کربن نظیر آند بی‌اثر باشد. بنابراین، آند بی‌اثر را می‌توان مهم‌ترین فناوری انقلابی برای این صنعت دانست.

انرژی‌های تجدیدپذیر و برقی‌سازی کامل:

در کنار بهبود خود فرآیند، کل صنعت آلومینیوم نیازمند استفاده حداکثری از انرژی‌های تجدیدپذیر در تمام مراحل است. برق پاک ستون فقرات آلومینیوم سبز است – همان‌طور که دیدیم کشورهای با برق آبی (مانند نروژ و کانادا) هم‌اینک آلومینیومی با یک‌چهارم ردپای کربن متوسط تولید می‌کنند. لذا یکی از فناوری/سیاست‌های کلیدی، تغییر ترکیب سبد انرژی مصرفی صنعت است: جایگزینی نیروگاه‌های زغال‌سنگ با انرژی‌های خورشیدی، بادی، آبی و احتمالأ هسته‌ای. در چین این حرکت با انتقال ظرفیت به استان‌های پرآب و ساخت مزارع خورشیدی عظیم در سین‌کیانگ آغاز شد​. در هند، پروژه‌هایی برای ساخت نیروگاه‌های خورشیدی اختصاصی برای مجتمع‌های آلومینا و آلومینیوم در حال اجراست. در منطقه خلیج فارس نیز که روزهای آفتابی فراوان است، امارات با پروژه‌ای ۵۰۰ مگاواتی آغازگر شد و عربستان و بحرین نیز طرح‌های مشابهی دارند.

نکته مهم این است که برخی فرآیندهای جانبی تولید آلومینیوم که تاکنون از سوخت فسیلی استفاده می‌کردند نیز باید برقی‌سازی شوند تا بتوان آنها را با برق پاک تغذیه کرد. مهم‌ترین این فرآیندها، کلسیناسیون آلومینا در پالایشگاه‌های بوکسیت است. به طور سنتی برای حذف آب شیمیایی هیدروکسید آلومینیوم (تولید آلومینا)، کوره‌های دوار گازسوز به کار می‌رود که CO₂ و بخار منتشر می‌کنند. راهکار جدید، استفاده از کوره‌های الکتریکی یا مایکروویو برای این منظور اس. شرکت آلکوا و Australian Alumina یک پروژه پایلوت برای استفاده از انرژی مایکروویو در این مرحله دارند. همچنین ایده استفاده از هیدروژن سبز به جای گاز طبیعی در این کوره‌ها مطرح است (که البته هنوز پرهزینه است). فرآیند دیگری که باید برقی شود، پخت آند کربنی است (تا زمان حضور آند کربنی). این کوره‌ها معمولاً با گاز یا نفت‌کوره کار می‌کنند. ریو تینتو در کانادا اقدام به تغییر سوخت این کوره‌ها به گاز طبیعی کرده (کاهش CO₂ ~۳۰٪)، اما گام نهایی استفاده از برق یا گرمایش القایی است که آلایندگی را صفر می‌کند.

به طور کلی، چشم‌انداز کارخانه آلومینیوم تمام‌برقی به شرح زیر است: برق برای احیای آلومینیوم (الکترولیز) – که هم‌اکنون هم چنین است؛ برق برای تمامی گرم‌کن‌ها و کوره‌های کمکی (کوره نگهدارنده فلز مذاب، حمام نمک تصفیه فلز، خشک‌کن‌های آلومینا و غیره)؛ و برق برای حمل‌ونقل مواد داخلی (مانند لکوموتیوهای برقی برای حمل بوکسیت). با این کار، اگر برق مصرفی پاک باشد، اساساً کل عملیات عاری از سوخت فسیلی خواهد بود. تنها بخش باقی‌مانده، حمل‌ونقل مواد به کارخانه و استخراج معدن است که آن هم می‌تواند با کامیون‌ها و ماشین‌آلات برقی یا هیدروژنی در آینده نزدیک بدون کربن شود.

چنین سطحی از برقی‌سازی، نیازمند شبکه‌های برق قدرتمند و پایدار است. در مناطقی مانند ایسلند، کانادا یا نروژ که زیرساخت برق قوی وجود دارد، مشکلی نیست؛ اما در کشورهایی چون هند و آفریقای جنوبی، بهبود شبکه و افزایش سهم انرژی‌های نو شرط اصلی است. خوشبختانه کاهش هزینه انرژی خورشیدی و بادی در دهه اخیر، به‌گونه‌ای است که امروزه ساخت نیروگاه خورشیدی ۵۰۰ مگاواتی در کنار یک کارخانه ذوب نه تنها عملی بلکه اقتصادی است (امارات این را ثابت کرد). در آینده حتی می‌توان فکر کرد که کارخانه‌های آلومینیوم عمداً در نزدیکی منابع تجدیدپذیر ساخته شوند – مثلاً آفریقا با منابع خورشیدی و آبی فراوان، می‌تواند هاب تولید آلومینیوم سبز شود.

بهینه‌سازی دیجیتال و هوش مصنوعی:

علاوه بر انقلاب‌های فنی بزرگ، طیف وسیعی از بهبودهای نرم‌افزاری و کنترلی می‌تواند به کاهش تدریجی ولی قابل‌توجه انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند. استفاده از حسگرهای IoT و سیستم‌های هوش مصنوعی در کارخانه‌های آلومینیوم، انقلابی آرام اما مستمر در حال رقم زدن است. این سیستم‌ها قادرند مصرف انرژی و مواد را در هر لحظه پایش کرده و تنظیمات بهینه را اعمال کنند، که نتیجه آن کاهش اتلاف و در نهایت انتشار کمتر است.

یکی از کاربردهای AI، پیش‌بینی و جلوگیری از اثر آند است. با تحلیل کلان‌داده‌های سلول‌های احیا، الگوریتم‌های یادگیری ماشین می‌توانند تشخیص دهند چه زمانی غلظت آلومینا در حمام رو به کاهش خطرناک است و زودتر خوراک‌دهی کنند تا از بروز اثر آند (و انتشار PFCها) جلوگیری شود. همچنین می‌توانند الگوی مصرف برق سلول را تنظیم کنند تا پایداری دمایی بهتری برقرار شود (در نتیجه بازده جریان و راندمان انرژی بالا رود). به عنوان نمونه، شرکت DTE در ایسلند یک سیستم مبتنی بر بینایی ماشین و LIBS توسعه داده که ترکیب شیمیایی حمام را به طور آنی اندازه‌گیری و تنظیم می‌کند. نتایج نشان داده کاهش چشمگیری در دفعات اثر آند و مصرف فلوراید به دست آمده است.

AI همچنین در مدیریت انرژی کارخانه نقش دارد. یک کارخانه آلومینیوم می‌تواند به شبکه برق خدمات تنظیم فرکانس یا مدیریت بار بدهد. همان‌طور که در مورد Trimet آلمان دیدیم، الگوریتم‌هایی می‌توانند تصمیم بگیرند چه زمانی تولید را کمی پایین آورده یا بالا ببرند تا از نوسانات شبکه استفاده کرده و هزینه و انتشار را کمینه کنند. در آینده، با گسترش منابع متناوب مثل باد و خورشید، این انعطاف تقاضا بسیار ارزشمند خواهد بود. کارخانه‌های آلومینیوم با مصرف عظیم‌شان می‌توانند نقش “باتری مجازی” را بازی کنند به شرط آنکه سیستم‌های کنترل هوشمند به‌خوبی مدیریت را انجام دهند.

یک حوزه دیگر، نگهداری پیش‌بینانه است. با تحلیل داده‌های سنسورها، AI می‌تواند پیش‌بینی کند کدام تجهیزات (مثلاً یک پمپ، یا آستر نسوز یک سلول) در شرف خرابی است و اجازه دهد قبل از خرابی اسمی تعویض شود. این امر از توقف‌های ناگهانی و غیربرنامه‌ریزی که معمولاً با اتلاف انرژی و شاید حوادث زیست‌محیطی همراهند جلوگیری می‌کند.

در مجموع، دیجیتالی‌سازی صنعت آلومینیوم یک روند جاری است که اگرچه مستقیماً “دی‌اکسیدکربن‌زدایی” نیست، اما با افزایش بهره‌وری انرژی و مواد، به طور غیرمستقیم انتشار را کاهش می‌دهد. برآورد IAI نشان می‌دهد تنها با به‌کارگیری بهترین رویه‌های بهره‌وری و کنترل در همه جای جهان، می‌توان تا ۱۵٪ انتشار این صنعت را کاهش دا​د. بنابراین سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های دیجیتال و آموزش نیروی انسانی برای کار با این ابزارها، یکی از “میوه‌های دم‌دست” برای سبزتر کردن تولید است.

جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS):

حتی با انتقال به انرژی پاک و بهبود فرآیندها، در افق ۲۰۳۰ هنوز بخشی از انتشار صنعت آلومینیوم اجتناب‌ناپذیر خواهد بود – به خصوص در کشورهایی که شبکه برق آنها تا آن زمان هنوز فسیلی است (مثلاً چین، هند). برای مقابله با این انتشار باقی‌مانده، فناوری‌های کربن‌گیری و استفاده/ذخیره می‌تواند پل موقتی یا حتی دائمی باشد. ایده کلی CCUS در صنعت آلومینیوم این است که CO₂ خروجی از دودکش نیروگاه یا کارخانه را قبل از انتشار در جو جدا کرده و یا در زیرزمین تزریق کنیم (storage) یا به ماده مفید تبدیل کنیم (usage).

پروژه نانوفیلتر ایرالکو که قبلاً ذکر شد در زمره روش‌های “استفاده” طبقه‌بندی می‌شود – CO₂ به محصول جانبی (یخ خشک) تبدیل می‌شود. این نوع پروژه‌ها هرچند مقیاس کوچکتری نسبت به کل انتشار دارند، اما از جنبه بهره‌وری منابع جالبند. گزینه دیگر، تولید کربنات‌ها یا سوخت مصنوعی از CO₂ دودکش است. برای مثال می‌توان با ترکیب CO₂ و هیدروژن (که از برق اضافی تجدیدپذیر گرفته شده) سوخت متانول یا هیدروکربن ساخت. البته این فرایندها خود انرژی‌برند و در حال حاضر اقتصادی نیستند، اما ممکن است در آینده در شرایط خاص مقرون‌به‌صرفه شوند.

در زمینه ذخیره‌سازی، تا کنون صنعت آلومینیوم مستقیماً پروژه CCS (تزریق به مخازن زیرزمینی) اجرا نکرده است – عمدتاً به این دلیل که بیشتر انتشار این صنعت از پراکندگی نیروگاه‌های کوچک و کارخانه‌هاست نه یک دودکش متمرکز عظیم. اما اگر صنایعی خوشه‌ای (مثلاً چند کارخانه آلومینا و آلومینیوم نزدیک هم) بتوانند یک واحد جذب CO₂ مشترک احداث کنند، آنگاه تزریق آن به چاه‌های نفت/گاز خالی ممکن خواهد بود. برای مثال در امارات، EGA می‌تواند با شرکت نفت ADNOC شریک شود و CO₂ گرفته‌شده از نیروگاه‌هایش را برای تزریق در مخازن نفت به ADNOC تحویل دهد. چنین هم‌افزایی‌هایی در مرحله امکان‌سنجی قرار دارند.

از زاویه دیگر، خود فرآیندهای آلومینیوم شاید بتوانند در آینده مصرف‌کننده کربن شوند. یکی از ایده‌ها افزودن پودر آهک به سلول‌های الکترولیز آلومینیوم با آند بی‌اثر است تا CO₂ هوا جذب و تبدیل به کربنات کلسیم شود – بدین ترتیب سلول آلومینیوم مانند “چاه کربن” عمل می‌کند. این ایده هنوز عملیاتی نشده ولی دانشگاه‌هایی در کانادا در حال بررسی آن هستند.

به طور خلاصه، CCUS برای صنعت آلومینیوم شاید به اندازه صنایعی مانند سیمان و فولاد مطرح نباشد، اما می‌تواند نقش مکمل ایفا کند. مخصوصاً در گذار ۱۰-۲۰ ساله تا زمانی که فناوری‌های بی‌کربن کاملاً مسلط شوند، جذب و مصرف CO₂ می‌تواند به کاهش انتشار تجمعی کمک نماید. همچنین پروژه‌های ابتکاری مانند تبدیل CO₂ به فراورده (که در ایرالکو تست شد) می‌تواند الگوی سایرین قرار گیرد و به کسب‌وکارهای جدید دوستدار محیط‌زیست منجر شود.

بهبود فرآیند پالایش آلومینا و مدیریت پسماند:

هرچند بیشترین تمرکز بر مرحله احیا (ذوب) است، مرحله پالایش بوکسیت به آلومینا نیز از منظر زیست‌محیطی مهم است. فرآیند بایر که در آن بوکسیت با سود سوزآور حل و هیدروکسید آلومینیوم استخراج می‌شود، دو چالش اصلی دارد: مصرف انرژی گرمایی/بخار (اغلب از گاز یا زغال‌سنگ) و تولید انبوهی از پسماند گل‌قرمز. فناوری‌های نوین در این بخش به دنبال حل این دو چالش‌اند.

برای کاهش مصرف انرژی، یک روش استفاده از تبخیر مجدد مکانیکی (MVR) در تبخیرکننده‌های محلول سود است. با این روش، بخار تولیدشده را با کمپرسور فشرده و دوباره به‌عنوان منبع حرارت استفاده می‌کنند. این کار تا ۱۵٪ صرفه‌جویی انرژی ایجاد می‌کند و در پالایشگاه‌های جدید برخی کشورها نصب شده است. روش دیگر – همانطور که اشاره شد – جایگزینی سوخت فسیلی با الکتریسیته یا هیدروژن در کوره‌های پخت و دیگ‌های بخار است. شرکت آلومینا استرالیا یک پایلوت در پالایشگاه Kwinana برای استفاده از انرژی خورشیدی حرارتی جهت تامین بخشی از گرمای فرآیند راه‌اندازی کرده است (آینه‌هایی که آب را مستقیماً به بخار تبدیل می‌کنند). اگر این ایده گسترش یابد، پالایشگاه‌ها می‌توانند در روزهای آفتابی بخش عمده‌ای از نیاز بخار خود را از خورشید بگیرند.

در مورد پسماند گل‌قرمز، فناوری خاصی که آن را حذف کند هنوز موجود نیست – چرا که ماهیت فرآیند بایر، انحلال نصف ناخالصی‌ها و باقی ماندن نصف دیگر به صورت پسماند است. ولی در مدیریت آن پیشرفت‌هایی حاصل شده است. امروزه بیشتر پالایشگاه‌ها به جای ذخیره گل‌قرمز به صورت دوغاب روان (که خطر شکست سد و نشت دارد)، از سیستم‌های خشک‌کننده و فیلتر پرس استفاده می‌کنند تا گل‌قرمز با رطوبت کم (۳۰٪) به صورت کیک انباشته شود. این روش احتمال آلوده‌سازی آب‌های زیرزمینی را کم می‌کند. همچنین تلاش می‌شود با افزودن مواد تثبیت‌کننده، pH قلیایی شدید گل‌قرمز کمی خنثی شود. برای کاربرد این پسماند، پروژه‌های تحقیقاتی متعددی جریان دارد: استفاده تا ۵٪ در تولید سیمان (به عنوان هم‌جوشان)، کاربرد در تولید مصالح سرامیکی و آجر، استخراج فلزاتی مانند تیتانیوم و اسکاندیوم از آن (چرا که گل‌قرمز غنی از این عناصر است). هیچ‌کدام هنوز در مقیاس بزرگ اقتصادی نشده، ولی چشم‌انداز بدی هم ندارند – مثلاً ترکیه یک کارخانه آزمایشی برای استخراج اسکاندیوم از گل‌قرمز ساخته که امید دارد به سوددهی برسد. در صورت موفقیت چنین طرح‌هایی، هم ضایعه خطرناک کاهش می‌یابد و هم منبع جدید درآمد و مواد به دست می‌آید.

نوآوری در محصولات و بازیافت پایانی:

در انتهای چرخه عمر آلومینیوم، بازیافت نهایی قرار دارد که اگرچه اصول آن قدیمی است، اما فناوری‌های جدید در حال ارتقای آن هستند. یکی از چالش‌های بازیافت، تفکیک آلیاژهای مختلف و ناخالصی‌هاست. اکنون شرکت‌هایی روی سامانه‌های تشخیص و تفکیک خودکار قراضه کار می‌کنند که با استفاده از بینایی کامپیوتری و طیف‌سنجی LIBS هر تکه قراضه را شناسایی و دسته‌بندی می‌کند. این کار باعث می‌شود قراضه با ترکیب شیمیایی یکنواخت به کوره برود و کیفیت شمش بازیافتی بالا رود (در نتیجه نیاز به آلومینیوم اولیه برای تنظیم ترکیب کاهش می‌یابد).

همچنین در طراحی محصولات از رویکرد Design for Recycling استفاده می‌شود؛ بدین معنی که مثلا در خودروها تلاش می‌شود قطعات آلومینیومی با یک نوع آلیاژ (یا آلیاژهای سازگار) ساخته شوند تا در زمان بازیافت، آلومینیوم مخلوط مرغوب‌تری حاصل شود. نمونه‌ای از این رویکرد را آئودی انجام داده که آلیاژهای اکستروژن بدنه خودروهایش را طوری انتخاب کرده که ضایعات خط تولید مستقیماً ذوب و به شمش همان آلیاژ بازگردند.

حتی مفهوم آلومینیوم به عنوان خدمت (Aluminum as a Service) مطرح شده که در آن تولیدکننده آلومینیوم مالکیت فلز را حفظ می‌کند و تنها آن را به مشتری قرض می‌دهد تا محصول را بسازد. پس از پایان عمر محصول، فلز دوباره به مالک اصلی بازمی‌گردد تا بازیافت شود. این مدل تجاری، انگیزه برای جمع‌آوری و بازیافت ۱۰۰٪ فلز را بالا می‌برد. اگرچه فعلاً محدود به قراردادهای خاص است، اما ممکن است در آینده رایج‌تر شود.

جمع‌بندی فناوری‌ها: آنچه تصویر شد، یک اکوسیستم نوآوری جامع در صنعت آلومینیوم است: حذف انتشار از فرآیند (آند خنثی)، تامین انرژی پاک (برق تجدیدپذیر)، بهینه‌سازی با دیجیتال (AI)، کنترل انتشارات باقیمانده (CCUS) و بستن حلقه مواد (بازیافت پیشرفته). هریک از این محور‌ها سهمی در کاهش آلایندگی دارند و ترکیب آنهاست که صنعت را به سمت خنثی بودن کربنی می‌برد. بسیاری از این فناوری‌ها هنوز در مراحل ابتدایی‌اند و مسیر تجاری‌سازی ناهمواری دارند، اما روند کلی امیدوارکننده است.

بر اساس سناریو‌های IAI، با اجرای چنین فناوری‌هایی، انتشار متوسط CO₂ صنعت آلومینیوم می‌تواند از ~۱۶ تن بر تن در ۲۰۲۰ به حدود ۲-۳ تن بر تن در ۲۰۵۰ برسد. این کاهشی عظیم (نزدیک ۸۵٪) است که کمک شایانی به اهداف اقلیمی خواهد کرد. در کنار کاهش انتشار، بسیاری از فناوری‌های یادشده مزایای دیگری نیز دارند: بهره‌وری بالاتر، هزینه‌های عملیاتی کمتر (مثلاً آند خنثی نیاز به خرید کک ندارد)، ایمنی محیط کار بیشتر و بهبود وجهه اجتماعی صنعت. بنابراین دلایل محکمی برای تداوم سرمایه‌گذاری و تسریع توسعه این فناوری‌ها وجود دارد.

نتیجه‌گیری

صنعت آلومینیوم که روزگاری به عنوان صنعتی با مصرف انرژی و آلودگی بسیار بالا شناخته می‌شد، اکنون در میانه‌ی یک دگرگونی اساسی به سوی پایداری زیست‌محیطی قرار دارد. آلومینیوم فلزی استراتژیک برای آینده‌ی کم‌کربن ماست – از بدنه خودروهای برقی و قطعات هواپیماهای مدرن گرفته تا پنل‌های خورشیدی و کابل‌های انتقال برق همگی به این فلز وابسته‌اند. در عین حال، تولید سنتی آلومینیوم با انتشار قابل توجه CO₂ و دیگر آلاینده‌ها همراه بوده اس​ت. این وضعیت دوسویه، چالشی پیچیده اما انگیزه‌ای قوی پدید آورده تا صنعت، دولت‌ها و مشتریان متحد شوند و راه‌حل‌هایی جهت توسعه سبز این بخش بیابند.

مروری که در این نوشتار انجام شد نشان می‌دهد برای هر بخش از زنجیره تولید آلومینیوم – از استخراج بوکسیت تا بازیافت نهایی – راهکارها و فناوری‌های نوینی در حال ظهور است. در سطح جهانی، الگوی بهره‌گیری از انرژی پاک در کشورهایی چون نروژ و کانادا اثبات کرده که حتی با فناوری فعلی نیز می‌توان ردپای کربن را به شدت کاهش دا​د. همچنین رقابت اقتصادی و فشارهای زیست‌محیطی، کشورهای پرانتشاری مانند چین را وادار به اصلاحات ساختاری کرده که نتایج اولیه آن مانند کاهش ۱۱٪ شدت انتشار در سه سال اخیر امیدوارکننده است. نقش بازیافت آلومینیوم به عنوان ستون اقتصاد چرخشی نیز برجسته شده – امروز حدود ۷۵٪ کل آلومینیوم تولیدشده در تاریخ هنوز در چرخه استفاده است و این ویژگی ارزشمند، آلومینیوم را از بسیاری مواد دیگر متمایز می‌کند.

مقایسه آلومینیوم با فلزات رقیب نشان داد که آلومینیوم در بسیاری از کاربردها صرفاً به دلیل مزایای زیست‌محیطی استفاده می‌شود (مثلاً کاهش وزن خودرو و صرفه‌جویی سوخت)، اما باید مراقب بود که خود تولید آلومینیوم آلایندگی غیرمستقیم بیشتری ایجاد نکند. خوشبختانه با تغییر ترکیب انرژی و بهبود بهره‌وری، اکنون آلومینیوم در بسیاری از حوزه‌ها از دید انتشارات کل چرخه عمر، عملکردی بهتر یا قابل‌مقایسه با مواد جایگزین دارد. برای نمونه، در بسته‌بندی آشکار شد که قوطی آلومینیومی به لطف نرخ بازیافت ۷۰٪+ و صرفه‌جویی ۹۵٪ انرژی در بازیافت، پایدارترین گزینه بسته‌بندی نوشیدنی است. چنین یافته‌هایی اهمیت سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های بازیافت و ترویج فرهنگ مصرف مسؤلانه را برجسته می‌کند.

اقدامات شرکت‌های نوآور نیز تصویری از مسیر آینده به ما داد. از Hydro که با عرضه آلومینیوم کم‌کربن و افزایش بازیافت، الگوی صنعتی-تجاری جدیدی بنا نهاد، تا Rio Tinto/Alcoa که دست به تحقیقاتی اساسی برای حذف کامل انتشارات زده‌اند، همه نشان می‌دهند این صنعت پویا است و قابلیت دگرگونی دارد. حتی شرکت‌های منطقه‌ای مانند ایرالکو در ایران نیز با پروژه‌های ابتکاری (مانند تبدیل CO₂ دودکش به یخ خشک) سهم خود را در کاهش آلودگی ایفا می‌کنند.

مهم‌تر آنکه، فناوری‌های نوین نویدبخش حل ریشه‌ای مشکلات هستند. آندهای بی‌اثر احتمالاً طی یکی دو دهه آینده چشم‌انداز آلومینیوم را برای همیشه تغییر خواهند داد – تولید آلومینیوم بدون انتشار مستقیم CO₂، رویایی است که اکنون در دسترس قرار گرفته است. ترکیب این فناوری با برق تجدیدپذیر به معنای آلومینیوم واقعاً سبز خواهد بود؛ فلزی که تولیدش آلایندگی ناچیزی دارد ولی استفاده از آن به تحقق اقتصاد کم‌کربن در حمل‌ونقل، ساخت‌وساز و انرژی کمک شایانی می‌کند. دیگر نوآوری‌ها مانند الکترولیز آلومینا، بازیابی حرارت، دیجیتالی‌سازی و CCUS نیز هر یک قطعه‌ای از پازل کربن‌زدایی را کامل می‌کنند.

در مجموع، صنعت آلومینیوم در حال طی کردن مسیری است که آن را از یک مصرف‌کننده بزرگ انرژی و منتشرکننده CO₂، به یک بازیگر مسئول در عصر توسعه پایدار بدل می‌کند. البته چالش‌ها هنوز کم نیستند: نیاز به سرمایه‌گذاری سنگین، همکاری‌های بین‌المللی، انتقال فناوری به کشورهای در حال توسعه، و تدوین سیاست‌های تشویقی (مثل قیمت‌گذاری کربن و استانداردهای سبز) از جمله‌ی این الزامات است. اما روندهای کنونی امیدبخش‌اند و نشان می‌دهند اراده و دانش لازم برای این تحول وجود دارد.

برای ذینفعان مختلف، این تغییر پیام‌های متفاوتی دارد: دولت‌ها باید با تنظیم مقررات هوشمند و حمایت از R&D، این گذار را تسهیل کنند؛ شرکت‌ها باید استراتژی‌های خود را با محوریت نوآوری سبز تنظیم نمایند و ملاحظات زیست‌محیطی را جزئی از ارزش افزوده محصول ببینند؛ و مصرف‌کنندگان نیز با انتخاب محصولات با آلومینیوم سبز و بازیافت دقیق ضایعات، نقش خود را ایفا کنند. تنها با همکاری همه این بخش‌هاست که شعار “آلومینیوم و محیط‌زیست” از یک چالش به یک داستان موفقیت در توسعه سبز تبدیل خواهد شد.

‌‎‏

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.