По словам главы Всемирной ассоциации производителей стали (worldsteel) Эдвина Бассона, недавно произошли три вещи, которые ускорили способность отрасли к обезуглероживанию. Может потребоваться 20-30 лет инвестиций в новые инновационные процессы, наряду с повсеместно доступным зеленым водородом и улавливанием и хранением углерода, чтобы достичь нулевого уровня выбросов, но железные ворота широко распахнулись перед новыми возможностями в результате слияния событий.
Во-первых, в 2020 году президент Китая Си Синьпин пообещал, что крупнейший в мире производитель стали с 57% мирового производства (в том году Китай первым достиг уровня производства более одного миллиарда тонн) к 2060 году достигнет углеродной нейтральности, а также не увидит роста в выбросах CO2 к 2030 году.
Наряду со стартовым оружием Китая переход режима США два года назад к более глобальному руководству с упором на обезуглероживание «привел к повороту почти на 180 градусов», говорит Бассон, в решимости сталелитейной промышленности выйти за рамки эффективности производства и заняться трудно поддающимся сокращению процессом переработки руды, его источниками энергии и, что важно, тем, как сталь используется, повторно используется и перерабатывается.
Новая волна прогрессивных генеральных директоров в отрасли — это третий элемент, который, по словам Бассона, способствовал изменению стального отношения, которое ранее было сосредоточено на извлечении каждой энергии и экономии материалов из 300-летнего процесса производства стали — в пользу баланс и сокращение выбросов углерода на стороне. Worldsteel заявляет, что меры по повышению эффективности в отрасли позволили снизить потребление энергии примерно на 60% с 1960-х годов, способствуя «значительному снижению интенсивности выбросов CO2».
Бассон говорит, что это вызвано «осознанием того, что как глобальное общество мы не можем продолжать выбрасывать такое количество CO2, которое мы все еще выбрасываем». И что корректировка существующей технологии доменных печей больше не может обеспечить качественный скачок в сокращении выбросов углерода, необходимый для спасения планеты.
Масса возможностей
На сталелитейную промышленность приходится около 8% мировых выбросов углерода, и она в значительной степени (73%) зависит от технологий доменных печей и конвертерных печей для отделения кислорода от оксидов железа, из которых состоит железная руда, и производства прочного, устойчивого материала. известный как сталь.
Изготовление стали включает в себя несколько применений экстремального нагрева. Среди них нагрев угля при температуре около 1000 градусов по Цельсию в отсутствие кислорода для удаления примесей, что приводит к получению гораздо более прочного продукта «кокса». Охлажденный кокс, содержащий 90—93% углерода, вместе с железной рудой и известняком подают в доменный процесс; воздух, нагретый до 1000-1200 градусов Цельсия, подается в печь, инициируя серию химических реакций, в результате которых образуется чугун и СО2.
Чугун по-прежнему содержит около 4% углерода, что делает его слишком хрупким для большинства применений, и кислородный конвертер используется для дальнейшего снижения этой концентрации и других примесей для производства стали с содержанием углерода в диапазоне примерно ~ 0,02-2,1%. Конвертерный конвертер, чугун, металлолом (около 15-20%) и негашеная известь (известная как флюс) нагреваются, и чистый кислород «вдувается» в смесь через фурму с водяным охлаждением, которая окисляет углерод и кремний в горячей железа и высвобождает больше тепла, которое, в свою очередь, плавит лом. Расплавленная масса полученной стали выливается в ковш и может быть отправлена на дальнейший процесс рафинирования с подогревом в соответствии с требованиями заказчика.
Неудивительно, что Бассон говорит, что самая большая проблема декарбонизации, с которой сталкивается отрасль, заключается в следующем: «Откуда мы берем энергию?» В настоящее время, по его словам, уголь является не только основным источником тепла для различных стадий процесса, но и «предоставляет нам основу для химической реакции, которая извлекает железо из его окисленного состояния в железной руде». в этом заключается определение трудно утихнуть. Производство стали из железной руды в настоящее время зависит от углерода, который управляет реакцией; побочным продуктом которого является СО2.
Сегодня при производстве каждой тонны стали в среднем выделяется 1,8 тонны CO2. «По оценкам Worldsteel, — говорит Бассон, — мы считаем, что лучшее, чего может достичь отрасль в ближайшие десятилетия, даже используя новые технологии», которые все еще находятся в стадии разработки и подлежат масштабированию, — это 0,3 тонны, или 300 килограммов CO2, выбрасываемых на тонну стали — отсюда роль улавливания и хранения углерода.
Инновации высвобождаются
Бассон, который до своего почти 11-летнего пребывания на посту главы worldsteel занимал руководящие должности в ArcelorMittal, одной из крупнейших в мире горнодобывающих компаний (железной руды и металлургического угля) и производителей стали, говорит, что горд видеть свежую «готовность отрасли к экспериментам». с новыми технологиями». Он говорит, что факторы Китая/США/генерального директора как будто «выпустили новую волну свободы экспериментов в отрасли».
В отчете «Дорожная карта технологий производства чугуна и стали», подготовленном Международным энергетическим агентством (МЭА) при важном участии worldsteel и опубликованном в октябре 2020 года, подробно описаны проблемы и возможности отрасли. В нем отмечается, что «сталелитейные компании и региональные сталелитейные ассоциации, на долю которых приходится примерно одна треть мирового производства стали, поставили цели по достижению нулевого уровня выбросов к 2050 году или ранее», и что большинство из этих целей были установлены в последние три года.
В отдельном отслеживающем отчете также резко отмечается, что сталелитейная промышленность «не на пути к достижению сокращения выбросов в соответствии с Парижским соглашением по климату, чтобы предотвратить глобальное потепление более чем на 1,5-2 градуса Цельсия по сравнению с доиндустриальными уровнями».
Поэтому он требует, чтобы сокращение выбросов рассматривалось со всех сторон, а правительства разрабатывали политику, поощряющую исследования и разработки новых процессов. Например, в Индии, втором по величине в мире производителе стали с объемом производства 118 миллионов тонн в 2021 году, правительственная схема «Выполнение, достижение и торговля» (PAT) стимулирует промышленность к достижению энергоэффективности и, следовательно, сокращению выбросов.
В Европе государственные учреждения и фонды поддерживают несколько конкретных проектов, таких как Siderwin, разрабатывающий новый процесс переработки руды в Мазьере, Франция. С 2017 года программа Европейского Союза Horizon 2020 профинансировала 12 европейских партнеров, координируемых ArcelorMittal, для расширения масштабов процесса, впервые разработанного в начале 2000-х годов в лабораторных масштабах, при котором железная руда погружается в электролитическую ванну — без коксующегося угля, без выбросов углерода, просто электричество из будущей сети, работающей на возобновляемых источниках энергии, которая извлекает кислород из сырья для производства металлического железа. В этом случае добавление углерода для корректировки качества металла будет осуществляться во время плавки железа, полученного в процессе, для формирования стали в соответствии со спецификациями заказчика.
Дизайн для повторного использования, а не для переработки
Далее по цепочке поставок спрос также может быть снижен благодаря инициативам по улучшению утилизации перерабатываемых материалов. Бассон говорит, что мир должен начать использовать сталь по-другому в основных отраслях промышленности, чтобы ее можно было использовать повторно, не неся энергетическую нагрузку на плавку, переплавку и механическую обработку.
Worldsteel стремится проводить высококачественные исследования, которые приведут к обезуглероживанию стали по всей цепочке создания стоимости, и одна из ее стратегий заключается в сотрудничестве с отраслями, использующими большое количество стали, в поиске путей снижения будущего спроса на этот материал. Нынешний переход автомобильной промышленности на производство электромобилей (EV) дает возможность, говорит Бассон. «Мы находимся в процессе значительного изменения того, как сталь используется в новой автомобильной среде, потому что распределение веса электромобиля сильно отличается от распределения веса автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, что делает требования к стали совершенно другими». Сейчас подходящий момент для разработки новых видов стальных компонентов, которые можно повторно использовать в автомобильной промышленности.
Бассон считает, что в крупных отраслях промышленности, потребляющих сталь, таких как нефть и газ, также должны быть «возможности повторного использования стали в ее существующей форме или форме для будущих установок без необходимости ее переплавки и переработки». Компании также могут применить свой инженерный опыт для проектирования стальной инфраструктуры или компонентов продукции для легкого восстановления и повторного применения.
В то же время, говорит Бассон, промышленность должна обратить внимание на то, как она маркирует сегодняшнюю сталь со своими спецификациями, чтобы, когда ее извлекают, скажем, со строительных площадок, ее можно было с уверенностью перенаправить и повторно использовать.
У электрической дуги есть ограничения
Там, где прямое повторное использование невозможно, сталь можно бесконечно перерабатывать. Альтернативой методу производства стали BF-BOF из железной руды является технология электродуговой печи (EAF), которая уже используется для производства около 30% стали в мире. В ЭДП используются мощные электрические дуги между катодом и анодами для плавления металлолома и железа вместе с очищающими добавками для производства новой стали.
Более широкое использование ЭДП сыграет важную роль в обезуглероживании сталелитейной промышленности, но, по словам Бассона, в настоящее время у него есть два ограничения. Во-первых, для этого требуется высокое, стабильное снабжение электроэнергией [1] — и, поскольку большая часть мирового электроснабжения по-прежнему вырабатывается на угле или газе, эти выбросы углерода от производства энергии на ископаемом топливе должны учитываться при производстве стали. Возобновляемые источники энергии должны стать более заметными и надежными — при поддержке хранения в виде батарей или водорода — в сети, чтобы сделать электрификацию высокоэнергетических промышленных процессов, включая производство стали, более чистым.
На пути к восстановлению руды с помощью водорода
Еще одним многообещающим направлением снижения выбросов при производстве стали в краткосрочной перспективе является увеличение производства железа прямого восстановления (ПВЖ) на газовой основе, на которое в настоящее время приходится лишь 5% производства стали. В процессе прямого восстановления кислород из железной руды удаляется в твердом состоянии — с использованием монооксида углерода и водорода из преобразованного природного газа или синтез-газа для связывания с кислородом в железной руде — без плавки в доменной печи. Несмотря на то, что в настоящее время природный газ и синтез-газ производятся на основе ископаемого топлива, выбросы от процессов, основанных на газе, ниже, чем от процессов, основанных на угле. И системы, которые сейчас настроены на использование газа, смогут легче перейти на использование зеленого водорода, поскольку этот газ с нулевым уровнем выбросов станет более доступным.
«Мы уверены, что водород является частью решения по сокращению выбросов CO2 при производстве стали», — говорит Бассон. «Он может заменить восстановление железа углем и в основном производит только водяной пар в качестве побочного продукта». Он добавляет, что в настоящее время оцениваются многие способы рентабельной доставки зеленого водорода в промышленность. Например, одним из направлений цепочки поставок является производство водорода с использованием солнечной энергии в постоянно солнечных странах, таких как Австралия, и переработка его в аммиак, который легче и безопаснее доставляться к месту назначения, чем водород. Другая возможность может заключаться в том, чтобы вместо этого производить DRI на источнике или в шахте, что позволяет избежать транспортировки водорода.
Часто упоминаемым примером поддерживаемого государством проекта частного предприятия, который интегрирует водород в процесс производства стали, является HYBRIT. Это партнерство между компанией по добыче железной руды LKAB, глобальным производителем стали SSAB и поставщиком энергии Vattenfall, поддерживаемое Шведским энергетическим агентством, а в этом году также Инновационным фондом ЕС, направлено на демонстрацию первой в мире цепочки создания стоимости железа, полностью исключающей использование ископаемого топлива. и производство стали. HYBRIT произвела свою первую сталь, не содержащую ископаемого топлива, путем прямого восстановления с использованием зеленого водорода в августе 2021 года. Эта первоначальная подача газа была получена из экспериментального хранилища зеленого водорода, но к настоящему времени консорциум почти завершил подготовку облицованной пещеры в скале, которая может хранить около 100 гигаватт-часов возобновляемого водорода (достаточно для снабжения полноразмерного сталелитейного завода в течение трех-четырех дней), произведенного электролизом, в основном за счет избыточной выработки ветряных электростанций в регионе.
Одним из приоритетов Worldsteel в области исследований, распространения информации и поддержки ее членов является обеспечение того, чтобы любая новая сталелитейная инфраструктура строилась в соответствии с последними известными передовыми методами и имела минимально возможный углеродный след. Бассон говорит: «Ключ в том, чтобы убедиться, что новые мощности ориентированы на сокращение выбросов CO 2».
В конечном счете, заключает он, новые интегрированные решения появятся благодаря согласованным глобальным усилиям, потому что «ни одна страна не имеет полного представления о технологиях или цепочке поставок. Поэтому нам придется продолжать в течение следующих нескольких лет делиться опытом и информацией таким образом, чтобы не нарушать антимонопольные соображения». С этой целью worldsteel ежегодно проводит открытый форум. Он объединяет участников отрасли, чтобы поделиться тем, что они могут знать о том, что они знают, и, что, возможно, более важно, «чему отрасли еще нужно научиться, чтобы заполнить пробелы» в выводе на рынок чистой стали и помощи клиентам в разумном применении.
Несмотря на то, что многие возможности находятся в зачаточном состоянии, Бассон говорит: «Это очень интересно. Есть так много разных способов, которыми люди используют сталь и зависят от нее, что все, что мы делаем, будет всеобъемлющим. Мы должны попытаться использовать самые большие возможности, многие из которых в конечном итоге будут связаны не столько с производством стали, сколько с использованием стали». Внедрение производства с низким уровнем выбросов в настоящее время позволит повторно использовать этот универсальный материал в будущем.
