Сточные воды в сталь: зелёный водород и уголь

Европейские исследователи нашли способ превратить осадок сточных вод в биоуголь и зелёный водород, снижая тем самым экологический след сталелитейной промышленности.

Осадок, образующийся после очистки сточных вод, обычно высушивается, сжигается или утилизируется. Этот процесс не только затратный и загрязняющий, но и считается расточительным. Однако группа учёных видит в этом осадке ценный ресурс, способный стать сырьём для производства водорода и углерода, необходимых для создания более экологичной стали.

«Этот осадок имеет ценность, это не просто отходы», — утверждает Давид Кьярамонти, профессор энергетических систем, экономики энергетики и биоэкономики в Политехническом университете Турина, Италия. «С его помощью мы можем создавать такие вещи, как углерод и водород».

Путь к зелёной стали

Кьярамонти руководит инициативой ЕС под названием H2STEEL, объединяющей учёных и экспертов сталелитейной промышленности из Франции, Италии, Нидерландов, Испании и Великобритании. Их цель — разработать процесс извлечения полезных материалов из осадка сточных вод для их повторного использования и снижения выбросов в сталелитейной отрасли.

Производство стали жизненно важно для всего — от самолётов и автомобилей до зданий и ветряных турбин. Однако оно также является одной из основных причин изменения климата. По данным Международного энергетического агентства за 2023 год, на долю сталелитейного сектора приходится 8% мировых выбросов CO2.

Сокращение этих выбросов представляет собой сложную задачу. Производство стали требует углеродсодержащих ингредиентов, что неизбежно приводит к выбросам парниковых газов. Это делает отрасль одной из самых трудно декарбонизируемых и дорогих в плане трансформации.

Традиционные методы производства стали сталкиваются с растущим давлением в виде цен на углерод в Европе в рамках Системы торговли выбросами ЕС. По прогнозам рынка, к 2030 году цены на углерод могут достичь 120–150 евро за метрическую тонну CO2, что значительно увеличит затраты на производство тонны стали.

Учитывая, что мировой рынок стали оценивается более чем в 2,5 триллиона евро ежегодно, поиск доступных низкоуглеродных альтернатив становится насущной задачей.

Горячий осадок

Именно здесь на помощь приходит H2STEEL. «Это хороший пример циркулярной экономики», — говорит Кьярамонти. «Мы берём малоиспользуемый ресурс, осадок сточных вод, и делаем его снова полезным».

Процесс состоит из двух основных этапов. Во-первых, осадок нагревается без доступа кислорода для получения биоугля в процессе, называемом «карбонизация». Затем метан из биогазовых установок обрабатывается с использованием этого биоугля в качестве катализатора для производства водорода.

В ходе этого процесса биоуголь становится ещё более богатым углеродом, что делает его ценным для сталелитейной промышленности. Другой побочный продукт, фосфор, отделяется для использования в производстве удобрений.

Оба продукта — водород и богатый углеродом биоуголь — могут способствовать более чистому производству стали. Традиционное производство стали сжигает уголь вместе с железной рудой, выделяя CO2. В подходе H2STEEL водород может заменить часть этого угля. Тем временем биоуголь заменяет обычный уголь, превращая отходы в полезный промышленный компонент.

Команда в настоящее время строит в Турине установку высотой 4 метра для демонстрации технологии. «Мы расщепляем биометан на углерод и водород, используя карбонизированный осадок при температуре 900°C», — поясняет Кьярамонти. «Так мы превращаем его в биоуголь и циркулярный водород».

Углерод и водород

Официальных результатов по проекту, который завершится в марте 2026 года, пока нет, но потенциал значителен. Декарбонизация стали привлекает интенсивные исследовательские усилия, от электрических печей до водородных процессов. Подход H2STEEL, основанный на осадке, может вписаться в эту более широкую трансформацию.

«Эта технология очень гибкая», — отмечает Ян Венке, руководитель группы по устойчивому углероду в исследовательском центре сталелитейной компании ArcelorMittal в Мазьере, на севере Франции. ArcelorMittal, штаб-квартира которой находится в Люксембурге, является вторым по величине производителем стали в мире и партнёром проекта H2STEEL. Компания надеется использовать разрабатываемую технологию на своих сталелитейных заводах.

«Независимо от того, используем ли мы водородную или электрическую печь, нам всё равно понадобятся такие ингредиенты, как углерод и водород в наших процессах», — говорит Венке. «С помощью этой технологии мы можем сократить выбросы уже сейчас, и она будет полезна и в будущем».

Среди других партнёров — Лейденский университет в Нидерландах и Имперский колледж Лондона.

Следующие шаги

Одним из главных преимуществ H2STEEL является скорость. Если испытания пройдут успешно, технологию можно будет внедрить в течение нескольких лет, что необычайно быстро для отрасли, где изменения инфраструктуры часто занимают десятилетия.

Тем не менее, проблемы остаются. «Нам нужно обеспечить поставки осадка, трансформировать его и доставить на сталелитейные заводы», — говорит Кьярамонти. Создание цепочек поставок и минимизация затрат будут иметь решающее значение.

ArcelorMittal, стремящаяся к углеродной нейтральности к 2050 году, внимательно следит за проектом. «Это отличная технология для сталелитейной промышленности, но она должна доказать свою экономическую целесообразность», — отмечает Венке. Патент уже находится на рассмотрении, и партнёры с нетерпением ожидают результатов демонстрационной установки. «То, что мы делаем, выглядит очень многообещающе», — говорит Кьярамонти. «Теперь предстоит сделать последние шаги».

В случае успеха H2STEEL может принести не только технический прорыв. Превращая отходы в ценное сырьё, проект воплощает принципы циркулярной экономики, помогая Европе оставаться конкурентоспособной и одновременно приближаться к своим целям по достижению нулевых выбросов.