Еврокомиссия в 2021 году поставила задачу сокращения выбросов металлургического сектора на 55% к 2030 году и стать климатически нейтральным регионом к 2050 году. По некоторым оценкам металлургический сектор ЕС производит 27,5% от общих годовых выбросов CO2 или 190 млн. тонн.
Основными направлениями декарбонизации в секторе чёрной металлургии являются:
Технологии прямого восстановления железа
В настоящее время в качестве источников получения восстановительных газов для технологии DRI используются природный газ и уголь. В качестве перспективной альтернативы для DRI-металлургии рассматривается водород, полученный с использованием низкоуглеродных или безуглеродных технологий – уже существуют пилотные установки с работой на водороде.
В случае использования «зеленого» водорода – для производства водорода используется энергия от ветряных или солнечных установок – и работы электросталеплавильного производства на аналогичных источниках энергии выбросы CO2 могут быть на 98% меньше, чем у классической технологии BF-BOF. Потребность в водороде в этом случае для процесса DRI оценивается примерно в 50…60 кг на 1 тонну стали. По различным оценкам потребление водорода в металлургическом секторе в странах Евросоюза и Англии к 2050 году составит около 5,1 млн. тонн в год. Для производства такого количества «зеленого» водорода потребуется около 240 ТВт*ч от возобновляемых источников энергии. По итогам 2021 года совокупный спрос на водород в ЕС и Англии составил около 10 млн. тонн, из которых 90% пришлось на потребление в химической промышленности. Прогнозируется, что совокупный спрос на водород к 2050 году в ЕС и Англии составит 113 млн. тонн.
Существующие проекты DRI в Европе планируют использовать природный газ в качестве переходного топливно-восстановительного агента и постепенно увеличивать долю водорода по мере его доступности с учётом экономической составляющей.
Основной переменной, определяющей затраты металлургов, становится стоимость возобновляемого водорода, которая в настоящее время варьируется от €1 до более €5 за килограмм водорода. Чувствительность к затратам на электроэнергию и водород снижается, если в процессе выплавки стали используется повышенная доля лома.
По оценкам европейского проекта Hybrit, который первым начал производить экологически чистую сталь в модуле DRI на своем демонстрационном заводе, технология DRI приведет к увеличению затрат на производство сырой стали на 20…30%. Тем не менее, это станет привлекательной инвестицией в будущем из-за снижения затрат на электроэнергию и более высокой стоимости CO2.
Технологии улавливания и хранения CO2
В основе технологий CCS и CCU лежат способы улавливания и хранения выбросов CO2. Из основных источников отходящих газов в структуре металлургического предприятия полного цикла – доменного, коксохимического и конвертерного производств – доменный газ имеет самое высокое содержание CO2 и выделяется в наибольшем объеме. Поэтому большинство проектов CCS и CCU сосредоточены на их применении при производстве чугуна.
Определённую сложность представляет отсутствие инфраструктуры под захоронение CO2.
По оценкам Еврокомиссии по определению потенциала захоронения CO2 на суше и на шельфе около 65% производственных мощностей находятся менее чем в 65 км от подходящей зоны захоронения, 17% – в 100-километровой зоне, и только 18% мощностей расположены дальше возможного места захоронения CO2. Несмотря на относительную близость большей части производственных мощностей к потенциальным локациям для захоронения CO2, такие проекты пока не распространены – сказываются отсутствие инфраструктуры для транспортировки технологических газов и их многокомпонентный состав.
Другими препятствиями для разработки проектов CCS&CCU являются большие первоначальные капитальные затраты, а также значительные эксплуатационные расходы и высокая стоимость обеспечения полного развертывания этой технологии. Из текущих проектов два – Porthos и Northern Lights – располагаются в Северном море. Проект Porthos будет введен в эксплуатацию к 2024 году с мощностью хранения 2,5 млн. тонн CO2 в год. Northern Lights, являющийся совместным проектом Equinor, Shell и Total, будет завершен в середине 2024 года с мощностью транспортировки и хранения CO2 в количестве 1,5 млн. тонн в год.
Компания ArcelorMittal разрабатывает проект IGAR по улавливанию отходящих газов из доменной печи и преобразования их в монооксид углерода и водород, которые могут быть введены обратно в доменные печи в качестве восстановительных газов. По оценкам компании снижение выбросов CO2 может составить 0,1…0,3 тонны на 1 тонну стали. ArcelorMittal намерен построить полномасштабный завод CCS в Дюнкерке, который к 2025 году будет улавливать до 1 млн. тонн в год CO2 (8% от выбросов компании в 2019 г.).
Также ArcelorMittal в 2022 году планирует запустить на заводе в Генте пилотную установку по производству 80 млн. литров биоэтанола по технологии CCU. Биоэтанол применяется в нефтехимической промышленности при производстве бензина и дизельного топлива. На территории ЕС в 85% марок бензина добавляется биоэтанол.
Вместе с тем, текущие технологии CCU не могут обеспечить полное сокращение выбросов CO2 по двум причинам. Во-первых, эти технологии улавливают лишь небольшую часть общих выбросов сталелитейного предприятия. Во-вторых, улавливаемый CO2 выделяется во время его использования в качестве попутного продукта, например, в виде топлива или в конце срока службы выделенного химического вещества. Чтобы обеспечить действительное сокращение «углеродного следа» эти продукты должны быть частью полностью замкнутого углеродного цикла.
Технологии электролиза железорудного сырья
Процесс электролиза может быть близок к углеродно-нейтральному для варианта использования электроэнергии на основе возобновляемых источников. В настоящее время разрабатываются две отдельные технологии электролиза железорудного сырья. В Европе основное внимание уделяется низкотемпературному электролизу железной руды, в то время как в США исследуются альтернативные процессы высокотемпературного электролиза. Аналогичные предлагаемым высокотемпературные электролитические процессы уже используются для получения алюминия.
Электролизные технологии в настоящее время разрабатываются в рамках проекта Siderwin (ArcelorMittal) с ожидаемым уровнем технологической готовности к 2023 году. Промышленная опытная установка с годовой производительностью около 100 кг стали была построена в 2021 году. Согласно плану развития проекта, ожидается, что небольшая установка мощностью 50 тыс. тонн в год будет введена в эксплуатацию в 40-х годах, достигнув полного коммерческого масштаба к 2050 году. Для всего процесса выплавки стали потребуется около 3,6 МВт*ч на 1 тонну стали, что сопоставимо с расчетной потребностью в электроэнергии для процесса H-DRI с применением «зеленого» водорода (3,5…3,95 МВт*ч/т стали).
Другой тип электролитического процесса выплавки стали разрабатывается стартапом Boston Metals в США. В этом процессе железную руду растворяют в жидком оксидном электролите с температурой плавления выше 1600°С и восстанавливают до жидкого железа. Для производства одной тонны стали процесс требует около 4 МВт*ч. Ожидается, что данные установки будут модульными, что потенциально позволяет производить сталь в небольших масштабах и децентрализовано. Однако обе технологии все еще находятся на ранней стадии технологической готовности, так что пока их вклад в обезуглероживание сталелитейной промышленности до 2050 года выглядит неочевидным.
Производство DRI на основе водорода выглядит многообещающей технологией, которая близка к коммерциализации и может занимать высокую долю в общем объеме производства стали. Это приведет к росту спроса на водород и электроэнергию с низким «углеродным следом», что может стать мощным стимулом для развития водородной энергетики.
Затраты на электроэнергию и водород становятся основными переменными, определяющими будущую себестоимость производства стали.
Все технологические варианты обезуглероживания производства в настоящее время связаны с более высокими затратами, чем современные производственные цепочки. Для того чтобы металлурги инвестировали и расширяли масштабы этих технологий, необходимы согласованные с государственными органами действия в отношении совместного финансирования проектов по декарбонизации и борьбы с «утечкой углерода».
