Използване на зелен водород в стоманодобива

• Според оценки на индустрията и научните среди стоманодобивът генерира около 7 до 11% от глобалните емисии на въглероден диоксид
  
  
• От десетилетия индустрията търси технологии, способни да редуцират емисиите и които същевременно да не компрометират производствения капацитет или качеството на стоманата
  
  
• Водородът може да замени въглищата в определени етапи от производството на желязо, което отваря възможността за стоманодобив с драстично по-ниски емисии

Стоманата е една от основите на съвременното индустриално общество. Тя се използва в строителството, транспортните системи, енергийната инфраструктура, машиностроенето, домакинските уреди и безброй други сектори, които подкрепят икономическото развитие. В същото време секторът отговаря за значителна част от глобалните емисии на въглероден диоксид, тъй като конвенционалните методи на стоманодобив разчитат в голяма степен на въглищата. Традиционното производство с етап през доменни пещи изисква използването на богати на въглерод материали както като гориво, така и като редуциращи агенти. При този процес се освобождават огромни количества парникови газове в атмосферата.

Поради това стоманодобивната индустрия е един от водещите отрасли в глобалната битка за по-ниски промишлени емисии. Въпреки че електроенергията от възобновяеми източници вече промени части от енергийния сектор, стоманодобивът представлява по-голямо предизвикателство, тъй като зависи не само от топлинната енергия, но и от химични реакции, които изискват употребата на изкопаеми горива. От десетилетия секторът търси технологии, способни да редуцират емисиите и които същевременно да не компрометират производствения капацитет или качеството на стоманата.

Зеленият водород се очертава като едно от най-важните решения в този преход. За разлика от водорода, произвеждан от изкопаеми горива, зеленият водород се получава без да се отделят въглеродни емисии, чрез електролиза, захранвана с електроенергия от възобновяеми източници. Tози водород може да замени въглищата в определени етапи от производството на желязо, което отваря възможността за стоманодобив с драстично по-ниски емисии.

Според оценки на индустрията и научните среди стоманодобивът генерира около 7 до 11% от глобалните емисии на въглероден диоксид, в зависимост от използваната методология за измерване. Тъй като правителствата затягат политиките си по отношение на климата и индустрията е принудена да се декарбонизира, производителите на стомана са под все по-голям натиск да въведат алтернативни технологии, способни да поддържат производствените обеми, като същевременно ограничават вредните въздействия върху околната среда.

Защо са високи емисиите

Традиционният технологичен процес чрез първоначален етап в доменни пещи доминира в световното производство на стомана. При този процес желязната руда се смесва с кокс, който се произвежда от въглища. Коксът изпълнява две ключови функции – той осигурява необходимата висока температура в доменната пещ и действа като редуктор, който отстранява кислорода от желязната руда. По време на тази реакция се отделят големи количества въглероден диоксид.

Зависимостта от въглищата прави конвенционалния стоманодобив въглеродно интензивен процес. Дори когато заводите подобрят ефективността си и постигнат частично понижение на емисиите, процесът остава зависим основно от изкопаеми горива. Постепенните подобрения могат до известна степен да понижат емисиите, но не могат да ги елиминират напълно.

Друг фактор, който затруднява декарбонизацията, е дългият експлоатационен срок на инфраструктурата за производство на стомана. Доменните пещи често работят в продължение на няколко десетилетия, а инвестициите в нови съоръжения са свързани с изключително високи разходи. Поради това решенията относно промишленото оборудване, взети днес, могат да определят интензивността на емисиите в далечно бъдеще. Ако производителите на стомана продължат да инвестират в конвенционални системи, работещи с въглища, секторът рискува да се обвърже с високи емисии за много години напред.

Тъй като търсенето на стомана остава силно в световен мащаб, редуцирането на производството не се счита за реалистично решение. Вместо това предизвикателството е да се произвежда стомана с помощта на по-чисти технологии, способни да задоволят промишлените потребности, без да се поддържа зависимостта от въглища.

Ролята на зеления водород в директната редукция

Най-важното приложение на зеления водород в стоманодобивната промишленост е директната редукция на желязото с водород, често наричана H2-DRI. При този процес водородът реагира с желязната руда и отстранява кислорода от нея. Вместо да се генерира въглероден диоксид като основен страничен продукт, реакцията води до получаване предимно на водна пара. Полученият материал, известен като директно редуцирано желязо, може след това да бъде преработен в електропещи за производство на стомана.

Този метод се различава коренно от технологичния процес с доменна пещ, тъй като елиминира необходимостта от използване на въглища при редукцията на желязото.

Въпреки че в някои инсталации за директна редукция вече се използва природен газ, замяната му със зелен водород предлага възможност за производство на желязо с почти нулеви емисии, когато процесът на получаване на водорода и електрическите пещи се захранват с възобновяема енергия.

Директната редукция с водород понастоящем се счита за един от най-технологично авангардните методи за дълбока декарбонизация в стоманодобивния сектор. Други подходи, включително свързани с доменните пещи системи за улавяне на въглероден диоксид, могат да намалят емисиите, но често не са достатъчно ефективни и все пак запазват зависимостта от изкопаемите горива. Алтернативните технологии, основани на директна електролиза (MOE), все още са в процес на разработка и не са се утвърдили в индустрията.

Проучванията сочат, че замяната на традиционното производство с етап в доменни пещи с директна редукция с водород би могла да понижи емисиите с близо два тона въглероден диоксид на всеки произведен тон стомана. Някои оценки сочат също, че всеки килограм зелен водород, използван при директната редукция, може да предотврати емисиите на около 25 килограма въглероден диоксид. Тези цифри обясняват защо много анализатори считат производството на стомана за едно от най-целесъобразните промишлени приложения на зеления водород.

Възобновяема електроенергия за зелена стомана

Успехът на производството на стомана с помощта на водород зависи до голяма степен от електроенергията от възобновяеми източници. Зеленият водород може да се счита за нисковъглероден само ако електроенергията, използвана при електролизата, е генерирана от възобновяеми източници. Ако се произвежда от изкопаеми горива, общите емисии остават високи.

Поради тази причина преходът към зелена стомана е тясно свързан с разширяването на системите за възобновяема енергия. Производството на водород в промишлен мащаб изисква огромни количества електроенергия. Според прогнозите пълното декарбонизиране на световния стоманодобив чрез използване на водород може да изисква хиляди тераватчаса електроенергия от възобновяеми източници годишно.

Тези енергийни потребности предизвикват дебат относно целесъобразността на бързата индустриална трансформация. Критиците твърдят, че електроенергията от възобновяеми източници трябва да се използва първо за директна електрификация в сектори, където алтернативите са ограничени. Други поставят под съмнение това дали през следващото десетилетие ще може да се произведе достатъчно количество зелен водород на достъпни цени.

Въпреки тези опасения, производството на електроенергия от възобновяеми източници отбелязва бърз растеж през последните години. Броят на соларните и вятърните инсталации продължава да нараства в световен мащаб, а спадащите цени на възобновяемата електроенергия подобряват икономическите перспективи за получаването на зелен водород. Експертите все по-често разглеждат регионите с богати ресурси от възобновяема енергия като бъдещи центрове за производство на зелено желязо.

В някои случаи желязната руда би могла да се преработва в директно редуцирано желязо в региони с богат потенциал за производство на електроенергия от възобновяеми източници и водород. След това желязото би могло да се транспортира до стоманодобивни предприятия в други държави за окончателна преработка, като този модел би могъл да промени структурата на международната търговия в сектора и да създаде нови индустриални центрове.

Икономически предизвикателства

Въпреки че зеленият водород предлага значителни екологични предимства, свързаните с него икономически предизвикателства остават сериозни. Производството му все още е по-скъпо от използването на въглища или природен газ в повечето промишлени приложения. Електролизьорите, инфраструктурата за възобновяема електроенергия и системите за съхранение на водород изискват големи капиталови инвестиции.

Производителите на стомана трябва също така да инвестират в нови инсталации за директна редукция, електродъгови пещи и свързаната с тях инфраструктура. Тези инвестиции възлизат на милиарди евро и са свързани със значителен технологичен риск. Много компании продължават да подхождат предпазливо, тъй като бъдещите цени на водорода, разходите за електроенергия и регулациите за въглеродните емисии остават неясни.

Друго предизвикателство е свързано с конкуренцията на световния пазар на стомана. Компаниите, които използват по-екологични технологии, могат да се сблъскат с по-високи производствени разходи в сравнение с компаниите, които разчитат на конвенционални системи на въглища в региони с по-слаби екологични норми. Липсата на благоприятна политическа рамка води до риск от нерентабилност на производството на нискоемисионна стомана.

Поради това правителствата играят ключова роля за ускоряването на прехода. Системите за ценообразуване на въглеродните емисии, субсидиите за водород от възобновяеми източници, политиките за обществени поръчки и механизмите за корекция на въглеродните емисии на границите могат да повлияят на инвестиционните решения в стоманодобивния сектор. Финансовата подкрепа може да спомогне за преодоляване на разликата в разходите през ранните етапи на индустриалната трансформация.

Започва да се появява и пазарно търсене на нискоемисионна стомана. Строителните фирми, автомобилните производители и разработчиците на инфраструктура все по-често търсят материали, способни да намалят емисиите по веригата на доставки. Въпреки че зелената стомана понастоящем представлява малка част от световното производство, нарастващите ангажименти в областта на климата сред индустриалните купувачи могат постепенно да засилят търсенето.

В същото време несигурността, свързана с нормативната уредба и инфраструктурата, продължава да забавя инвестиционните решения. Някои планирани проекти се забавят поради опасения относно наличността на водород, цените на електроенергията и политическата подкрепа. Следователно темпото на трансформацията зависи не само от технологиите, но и от съгласуването на индустриалните и политическите стратегии.

Други приложения в стоманодобива

Водородът може да се използва в производството на стомана по няколко различни начина, но не всички приложения носят еднакви ползи за околната среда. Един от подходите включва частичната замяна на въглищата чрез впръскването на водород в съществуващите доменни пещи. Макар това да може до известна степен да редуцира емисиите, доменните пещи все пак ще се нуждаят от въглеродсъдържащи суровини, за да функционират. В резултат се постига само частично понижение на емисиите, а не пълна трансформация на производствения процес.

Друго приложение включва комбинирането на водород с уловен въглероден диоксид в системи за оползотворяване на въглерода. В тези процеси водородът допринася за производството на синтетични горива или други химични продукти. Тези методи обаче не премахват зависимостта от въглищата в самия стоманодобив и често водят до по-малко намаляване на емисиите в сравнение с директната редукция с водород.

Мнозина изследователи и анализатори твърдят, че зеленият водород трябва да бъде приоритет за приложения, при които може да се осигури най-голямо понижение на емисиите на единица консумиран водород. От тази гледна точка директната редукция с водород предлага значително по-големи ползи за климата в сравнение с ограничените промени в работата на конвенционалните доменни пещи.

Това разграничение придобива все по-голямо значение, тъй като световните доставки на зелен водород остават ограничени. Промишлени сектори като химическата промишленост, корабоплаването, авиацията и тежкотоварния транспорт се състезават за достъп до бъдещото производство на водород. Поради тази причина ефективното разпределение на водорода от възобновяеми източници представлява важен стратегически въпрос за енергийната и промишлената политика.

Технически предизвикателства

Отвъд икономическите и инфраструктурните бариери, пред базирания на водород стоманодобив стоят и технически пречки. Водородът се държи по различен начин от въглеродния оксид при редукцията, което оказва влияние върху физичните свойства на желязната руда по време на преработката. Учените продължават да изследват сложните химични и структурни промени, които настъпват по време на редукцията с водород.

Изследванията показват, че процесът може да повлияе на порьозността, образуването на пукнатини и промените в микроструктурата на желязната руда. За да се поддържат стабилни експлоатационни показатели при постигане на високи производствени обеми, е необходима внимателна оптимизация на температурата, дебита на газа и конструкцията на реактора.

В допълнение, излагането на въздействието на водород може да отслаби някои метални материали, което потенциално може да засегне тръбопроводи, резервоари за съхранение и промишлено оборудване. Поради това инженерите трябва да разработват материали и експлоатационни стратегии, които да позволяват безопасното използване на водород в големи мащаби.

Интегрирането на възобновяема електроенергия добавя още едно ниво на сложност. Възобновяемите енергийни източници имат променлив характер, което означава, че доставките на електроенергия могат да варират в зависимост от метеорологичните условия. Затова металургичните заводи, които използват водород и електрически пещи, може да се нуждаят от усъвършенствани системи за управление на енергията, технологии за съхранение и гъвкави производствени графици, позволяващи адаптиране към променящата се наличност на електроенергия.

Въпреки тези трудности, проучванията и пилотните проекти продължават да напредват с бързи темпове. Подобренията в ефективността на електролизьорите, съхранението на водород и технологията за директна редукция постепенно ограничават техническата несигурност. Много експерти смятат, че следващото десетилетие ще определи дали стоманодобивът с използването на водород ще успее да премине от демонстрационни проекти към широкомащабно индустриално внедряване.