Сравнение технологий производства «зелёной стали»: оценка сокращения выбросов CO2

В этой статье, основанной на подробном «Руководстве по экологически чистой стали», чтение которой занимает около 4 минут, приводится обзор текущего состояния сталелитейного производства с объективными, поддающимися количественному измерению показателями сокращения выбросов CO₂.

Улавливание и использование углерода: сокращение выбросов CO₂ на 65%

В настоящее время в сталелитейной промышленности не существует применяемых в коммерческих масштабах технологий улавливания и использования углерода, однако некоторые исследования показывают их большой потенциал. Существует возможность улавливать приблизительно 65% выбросов CO₂, а затем обрабатывать их или комбинировать с другими газами, чтобы получить сырьё для химической промышленности. Недостатки: как и прежде, используется ископаемое топливо, что связано с сопутствующими процессами (добыча и т.п.)

Улавливание и хранение углерода: сокращение выбросов CO₂ на 60-70%

Улавливание и хранение углерода включает сжатие, транспортировку и изоляцию CO2 в подготовленных подземных хранилищах. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) считает, что надлежащим образом подготовленные хранилища «с большой вероятностью» изолируют 99% CO₂ на период более 1000 лет.

Однако в настоящее время в сталелитейной промышленности нет крупных коммерческих систем улавливания и хранения углерода. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), улавливание углерода вряд ли приобретёт значительный масштаб к 2030 году: по оценкам, в сталелитейной промышленности будет улавливаться около 1% ежегодного объёма выбросов CO₂ (16 Мт CO₂ в год).

Некоторые эксперты по выбросам утверждают, что хранилища, прежде всего, должны быть предназначены не для сталелитейной промышленности, а для производства пластмасс или цемента – отраслей, которые сталкиваются со значительными затратами и препятствиями при разработке технологий, функционирующих без использования ископаемого топлива. В этих секторах объём выбросов углекислого газа может быть уменьшен на 60-70%.  

Переработка металлолома гораздо чище процесса выплавки стали из железной руды, поскольку не используется процесс, традиционно связанный с наибольшим уровнем выбросов CO₂ при получении стали. Поскольку сталь может перерабатываться неограниченное количество раз, уровень её повторного использования достигает 90%, что является самым высоким показателем среди всех наиболее распространённых материалов. Вместе с тем, переработка может обеспечить лишь 25% от нынешнего мирового спроса на сталь. Используемые в настоящее время процессы производства стали из металлолома можно улучшить следующими способами. 

Прямое восстановление с низким уровнем выбросов углерода: сокращение выбросов CO₂ на 10-20% 

За счёт прямого восстановления с низким уровнем выбросов углерода, не основанного на использовании ископаемого топлива, можно сократить выбросы углекислого газа при производстве стали из металлолома на 10-20%, в зависимости от объёма и типа восстановления, а также источников электроэнергии. 

Зелёная электроэнергия: сокращение выбросов CO₂ на 50%

Полный переход к использованию электроэнергии, полученной без использования ископаемого топлива, может вдвое сократить выбросы CO₂ при производстве стали из металлолома. 

Биоуголь: 40%-ное сокращение выбросов CO₂

Биоуголь образуется путём экологичного пиролиза и карбонизации сырьевой биомассы. Биоуголь, полученный без связующих веществ и энергии, выработанной с использованием ископаемого топлива, является нейтральным в отношении выбросов углерода. Хотя биоуголь может заменить пылеуглеродное топливо, в производстве кокса для доменной печи уголь всё же необходим. Кроме того, биоуголь обычно содержит больше калия (K) и фосфора (P), что ставит под сомнение качество стали. В целом, этот метод может сократить выбросы углерода на 40%. 

Вдувание водорода: сокращение выбросов CO₂ на 10-40%

Подаваемая в доменную печь угольная пыль частично может быть заменена водородом. В зависимости от технологии, снижение выбросов углекислого газа в этом случае ограничено приблизительно 10-ю – 40%-ка процентами. 

Рециркуляция колошникового газа: сокращение выбросов CO₂ на 21-25%

Колошниковые газы, образующиеся при нагреве и выработке энергии в доменной печи, можно использовать повторно, направляя выделяемый углерод и водород обратно в печь. Ожидаемое сокращение выбросов углерода составляет 21-25%. 

Электродуговые печи: в настоящий момент нет данных по сокращению выбросов CO₂

Электродуговые или имеющие подобное исполнение печи с открытой шлаковой ванной могут заменить в производстве чугуна доменные печи, что снизит потребность в коксе и угле. Ключевым преимуществом этих технологий является возможность использования железной руды более низкого качества. Электродуговые печи и печи с открытой шлаковой ванной по-прежнему находятся в стадии разработки и не применяются в сталелитейной промышленности на коммерческом уровне. При условии дальнейшего развития и внедрения эти инновационные технологии могут существенно сократить выбросы CO₂ в производстве железа. 

Прямое восстановление в электродуговой печи с использованием ископаемого топлива: сокращение выбросов CO₂ на 10-40%

По оценкам, в результате прямого восстановления с использованием природного, синтетического газа (смесь водорода и монооксида углерода) или угля выбросы углекислого газа снижаются на 10-40% по сравнению с традиционным процессом производства железа. 

Прямое восстановление без использования ископаемого топлива с применением электродуговой печи: практически без выбросов CO₂

На сегодняшний день наибольшее сокращение выбросов CO₂ в процессе производства стали из железной руды достигается за счёт замены всех основных источников углекислого газа методом прямого восстановления с использованием «зелёного» водорода. В экологичном процессе прямого восстановления используется водород, полученный из энергии солнца, ветра, воды и т.п. Побочным продуктом процесса прямого восстановления без использования ископаемого топлива является вода, которая может быть снова направлена для производства водорода, формируя таким образом замкнутый технологический процесс.

В 2016 году началось развитие технологии производства стали без использования ископаемого топлива, а в июле 2021 года была выпущена первая в мире подобная сталь.

Другие перспективные технологии производства железа, способные уменьшить выбросы CO₂

Вышеприведённая сводка охватывает инициативы с «высоким уровнем технологической готовности». Среди других инициатив с более низким уровнем технологической готовности:

• Прямое восстановление мелкофракционной руды водородом с использованием электродуговой печи (HyREX, Circored и другие технологии) 
• Прямое восстановление мелкофракционной руды водородом с переплавкой в жидкую сталь (SuSteel и другие технологии) 
• Прямой электролиз железной руды при низких температурах (Ulcowin, Siderwin и другие технологии) 
• Прямой электролиз железной руды при высоких температурах (Ulcolysis, Boston Metal и другие технологии)  

В 2026 году: коммерческие поставки стали без использования ископаемого топлива

В настоящее время в различных отраслях, включая автомобилестроение, небольшие объёмы стали SSAB, выплавленной без использования ископаемого топлива, используются для создания прототипов. Поскольку новая сталь, выплавленная без использования ископаемого топлива, обладает теми же свойствами, что и полученная традиционным способом, неудивительно, что её внедрение не вызывает каких-либо сложностей у заказчиков.