Зеленая сталь: как снизить выбросы CO2 в металлургии

Производство железа и стали, лежащее в основе большинства современных конструкций и машин, ответственно примерно за 7-9% всех глобальных выбросов углекислого газа. Профессор Янсон Шен из Университета Нового Южного Уэльса возглавляет исследования, направленные на разработку низкозатратных и низкоуглеродных технологий производства железа, что крайне важно, учитывая устойчивый спрос на эти материалы и длительный срок службы производственных мощностей.

Традиционно, в доменной печи железная руда плавится при высоких температурах с использованием ископаемого топлива, такого как кокс. Затем полученное железо очищается в кислородном или электродуговом печах для производства стали. Профессор Шен подчеркивает, что строительство новых заводов фактически фиксирует уровень выбросов парниковых газов на десятилетия вперед, поэтому поиск эффективных и экологически чистых решений является приоритетом. Важно отметить, что "зеленые" металлы обладают теми же прочностными и долговечностными характеристиками, что и обычные, и могут использоваться без компромиссов в безопасности или производительности.

Проблема и ее масштабы

Сектор производства железа и стали является крупнейшим промышленным источником выбросов CO2, опережая авиацию, судоходство и даже добычу полезных ископаемых. Рост населения и ускоренная урбанизация продолжают увеличивать спрос на сталь, делая переход на "зеленые" методы производства еще более актуальным. Термины "зеленое железо" и "зеленая сталь" обозначают продукцию, произведенную с минимальным использованием или полным исключением ископаемого топлива.

Пути к "зеленому" производству

Существует несколько основных направлений развития:

• Прямое восстановление железа с использованием водорода (H-DRI): Этот метод предполагает реакцию железной руды с "зеленым" водородом, практически исключая выбросы CO2. Последующее преобразование в сталь происходит в электродуговой печи, питаемой возобновляемой энергией. Основные вызовы — обеспечение стабильных и доступных поставок высококачественной железной руды, "зеленого" водорода и возобновляемой энергии.
• Переработка стального лома: Расплавление и переработка стального лома в электродуговых печах, питаемых "зеленой" энергией, снижает выбросы почти до нуля. Этот метод является одним из наиболее зрелых, но его масштабируемость ограничена доступностью и качеством лома. Для быстрорастущих экономик, нуждающихся в больших объемах "новой" стали, этот метод может быть недостаточным. Также исследуется возможность впрыска полимеров для переработки отходов, таких как шины и пластик.
• Электролиз железной руды: Новая технология, при которой возобновляемая электроэнергия напрямую разделяет железную руду на железо и кислород, полностью исключая углеродное топливо. Пока эта технология находится на ранней стадии исследований и разработок, а ее коммерческая применимость еще не доказана.
• Модернизация доменных печей (RISB): Технологии "возобновляемого инжектанта и устойчивой нагрузки" (RISB) в сочетании с улавливанием и хранением углерода (CCUS) позволяют сократить долю угля в процессе, используя возобновляемое сырье и улавливая часть неизбежных выбросов CO2. Этот подход, разработанный профессором Шеном, уже показал свою эффективность в промышленности, позволяя значительно снизить углеродный след существующих предприятий с наименьшими затратами и наибольшей реализуемостью.

Социально-экономические преимущества

Снижение выбросов при производстве железа и стали внесет значительный вклад в борьбу с изменением климата. Переход на чистые источники энергии также уменьшит промышленные загрязнения, улучшая качество воздуха и воды, что положительно скажется на здоровье населения, особенно вблизи промышленных зон. Экономически, "зеленая" металлургия стимулирует создание новых отраслей, экспортных возможностей и высококвалифицированных рабочих мест. Регионы, богатые возобновляемыми источниками энергии, могут стать центрами производства "зеленого" водорода и передовой обрабатывающей промышленности, диверсифицируя экономику и развивая интеллектуальную собственность в области чистых технологий.

Преодоление препятствий

Несмотря на перспективы, остаются серьезные вызовы. Многие новые технологии еще не вышли за пределы пилотных или демонстрационных стадий, а масштабирование для удовлетворения мирового спроса на сталь — это сложная техническая и логистическая задача. Стоимость "зеленого" водорода и возобновляемой электроэнергии пока выше, чем у традиционных источников, что делает "зеленую" сталь на 20-50% дороже. Кроме того, ограниченность поставок стального лома является фактором, сдерживающим развитие наиболее экологичных и экономичных методов.

Профессор Шен отмечает, что ключевая проблема — это именно этап производства железа из руды, который в основном зависит от угля. Для эффективной разработки новых технологий в тяжелой промышленности применяется поэтапный подход: сначала безопасные и низкозатратные компьютерные симуляции, затем лабораторные эксперименты для подтверждения результатов и, наконец, полномасштабные заводские испытания. Такой метод, называемый "NLP" (Numerical, Lab, Plant), более эффективен, чем традиционные дорогостоящие методы проб и ошибок.

Точные и быстрые компьютерные модели играют решающую роль в симуляции поведения материалов и реакций на всех этапах процесса. Именно поэтому исследователи и промышленные компании активно ищут новые, реализуемые и более чистые способы производства железа, что является ключом к достижению углеродной нейтральности в производстве стали.