Адаптация к изменениям климата в промышленном регионе при производстве стали: обзор мирового опыта

Введение

На мировую сталелитейную промышленность приходится около 7 % от общего объема глобальных выбросов парниковых газов – это самый высокий показатель среди отраслей тяжелой промышленности [1]. Черная металлургия относится к крайне энергоемким отраслям [2; 3], затраты на энергию составляют значительную часть себестоимости производства стали – от 20 до 40 % [4], поэтому многие варианты декарбонизации производства стали связаны с энергосбережением. Таким образом, металлургическая промышленность в значительной степени ответственна за глобальные выбросы парниковых газов (ПГ) и, следовательно, за изменение климата.

В Российской Федерации существует острая необходимость в научных разработках по снижению углеродного следа в черной металлургии, которые учитывают региональные особенности отрасли. Особого внимания заслуживает этот вопрос с учетом того, что в исследованиях западных экспертов [5] бездоказательно сообщается о высоком углеродном следе российской промышленности и высоких выбросах углерода на душу населения (в три раза выше, чем в среднем в мире) с тенденцией к увеличению выбросов¹. Экологизация производства повышает устойчивость предприятий, что особенно важно в ситуации беспрецедентных санкций, оказывающих влияние на закономерности развития металлургии.

В настоящей работе рассмотрены существующие технологии и практики декарбонизации производства чугуна и стали, уровень их реализации на начало 2025 г., проанализированы перспективы внедрения в серийное производство, существующие трудности и способы их преодоления.

Существующие технологические инновации
и примеры их реализации

В мае 2021 г. Международное энергетическое агентство (МЭА) опубликовало отчет [6], который был обновлен в 2023 г. [7]. В этом отчете был изложен предлагаемый путь для мирового энергетического сектора по содействию достижению цели Парижского соглашения по ограничению роста глобальной температуры до 1,5 °C выше доиндустриального уровня и удержанию температуры ниже уровня 2 °C. И, хотя этот документ являлся важным ориентиром для политиков, промышленности и финансового сектора, в 2024 г. по данным Службы ЕС по изменению климата Copernicus (C3S)² цель Парижского соглашения не была достигнута. Международное энергетическое агентство предлагает к реализации так называемые near zero emission projects – проекты, которые c самого начала после ввода в эксплуатацию имеют близкие к нулевым выбросы (рис. 1).

Согласно рекомендациям МЭА планируется, что к 2050 г. доля производства чугуна и стали в результате реализации таких проектов составит 95 % от общего объема (см. таблицу).

Наиболее простым решением для сокращения выбросов является использование металлолома (scrap-EAF) и внедрение чистой электроэнергии (clean electricity) взамен использования ископаемого топлива. Однако этот метод ограничен доступностью высококачественного лома. Инновационные технологии, такие как технологии улавливания, использования и хранения углерода (Сarbon capture, use and storage, CCUS), технологии прямого восстановления железа из руды с использованием электролитически полученного водорода (electrolytic hydrogen-based direct reduction iron, EHB DRI), а также электролиз железной руды (iron ore electrolysis, IOE) являются ключевыми рычагами для сокращения выбросов, но пока очень дороги и в большинстве своем находятся на стадии пилотирования.

Технологии улавливания, использования
и хранения углерода (CCUS)

Технологии CCUS во всем мире внедряются очень медленно из-за их высокой стоимости, а при внедрении в производство чугуна и стали они являются одними из самых дорогих по сравнению с другими отраслями³ [8; 9]. Однако МЭА настаивает, что без внедрения таких технологий достижение целей по нулевому выбросу невозможно. При этом в сталелитейной промышленности по сравнению с другими технологическими вариантами, технологии ССUS оказались наименее затратными низкоуглеродными вариантами. Есть мнение, что более экономически выгодно модернизировать существующие объекты с помощью CCUS, чем строить новые мощности с использованием альтернативных технологий. Основная проблема состоит в том, что в сталеплавильном производстве образуется не чистый углекислый газ. Так, при выплавке чугуна в доменной печи на каменноугольном коксе образуется колошниковый газ, содержащий 12 – 20 % СО₂, 20 – 30 % СО, до 0,5 % СН₄, 1 – 4 % Н₂, 55 – 58 % N₂ [10]. Дымовые газы также содержат в своем составе угарный газ и оксиды азота. Первые проекты CCUS в сталелитейной отрасли уже запущены: в Абу Даби (ОАЭ) с 2016 г. действует коммерческий проект по захвату СО₂ на сталелитейном заводе мощностью 0,8 млн т СО₂ в год. Газ отправляется на нефтепромышленные объекты для повышения эффективности нефтеотдачи пластов. В 2022 г. упоминалось, что компания «Северсталь» активно развивает тематику CCUS в металлургической отрасли⁴. Упростить улавливание углекислого газа позволяет инновационная технология производства чугуна HIsarna, разработанная компанией Tata Steel Europe в рамках программы «Сталь со сверхнизким уровнем выбросов CO₂» (ULCOS) [11]. Недавние пилотные испытания HIsarna успешно продемонстрировали сокращение выбросов CO₂ [12]. Другие привлекательные стороны процесса HIsarna включают возможность использования низкокачественной железной руды, использование разнообразного топлива (от энергетических углей и газового топлива до биомассы) вместо коксующихся углей, а также простоту улавливания большей части CO₂. Процесс HIsarna включает в себя частичное предварительное восстановление железорудных окатышей в верхней части конвертерной печи (CCF) по технологии НIsarna и выплавку железа в нижней части плавильного реактора (SRV) по технологии HIsmelt. По мнению разработчиков, технология HIsarna имеет хорошие перспективы как альтернатива доменному производству.

Одной из разновидностей технологий CCUS является улавливание CO₂ минеральными системами, в результате чего образуются карбонатные соединения. Альтернативным минеральным сырьем являются промышленные отходы, в том числе шлаки. Карбонизация может проводиться как прямыми методами, так и косвенными (рис. 2).

Согласно последним оценкам [13; 14], почти половину прямого сокращения выбросов CO₂ можно отнести на счет минерализации сталелитейных шлаков. Изначально стальной шлак считался отходами и утилизировался на свалках. Однако в настоящее время предпринимаются усилия по перенаправлению некоторых видов шлака с полигонов на использование их в качестве экологически чистых вяжущих материалов и карьерных заполнителей [15 – 21]. Проведенные исследования доказывают, что обработка стального шлака с помощью карбонизации улучшает его свойства, в том числе повышает твердость и химическую активность [22; 23]. Такие разработки перспективны для будущих применений, таких как производство дорожного покрытия, цемента и бетонных изделий [24 – 26].

Тем не менее потенциал минерализации CO₂ ставится под сомнение из-за высоких энергозатрат, необходимых для преодоления медленной кинетики реакции. Исследования в этой области находятся на начальном этапе, но уже имеют важное научное и прикладное значение, особенно в последнее время в связи с необходимостью достижения углеродной нейтральности.

Технологии, основанные на электролитическом получении водорода и использовании его в прямом восстановлении

Впервые сталь с использованием водородных технологий прямого восстановления была произведена в 2021 г. шведской компанией SSAB в рамках шведского проекта HYBRIT ⁵ (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). Хотя технология прямого восстановления на основе «зеленого» водорода является перспективной и имеет потенциал для изменения парадигмы в сталелитейной промышленности, ее реализация требует долгосрочных усилий в области НИОКР. В настоящее время реализуются лишь первые пилотные проекты HYBRIT, за которыми последуют крупномасштабные демонстрационные проекты с производительностью 1,3 Мт, а затем полная коммерциализация к 2030 – 2040 гг. Отметим, что «зеленая» электрификация промышленности требует доступа к значительному количеству электроэнергии из возобновляемых источников. Так, производство стали без использования ископаемых в проекте HYBRIT потребует приблизительно 10 – 15 ТВт·ч электроэнергии в год [27]. Аналогичная технология разрабатывается в Германии компанией ArcelorMittal. В рамках проекта HyBit (Hydrogen for Bremen's industrial transform) на сталелитейном заводе в октябре 2024 г. начался монтаж электролизеров для получения водорода. Металлургический завод в Бремене выбрасывает около 4,6 млн т CO₂ в год, что делает его седьмым по величине загрязняющим промышленным предприятием в Германии [28]. Переход на водородные технологии должен исправить данную ситуацию.

В России в последнее время также появились работы, посвященные обоснованию производства водорода электролизным методом с получением электроэнергии от ветровых электростанций с дальнейшим использованием в промышленном процессе прямого восстановления железной руды для производства «зеленой» стали [29], рассматриваются перспективы освоения водородных технологий в отечественной металлургии [30; 31].

Нужно отметить, что переход на использование «зеленого» водорода происходит в условиях значительной неопределенности, поскольку водород еще не получил широкого распространения или не интегрирован в конкретные энергетические политики, нет конкретных деталей или условий, связанных с распределением государственных средств для содействия переходу на водород. Надо понимать, что производство декарбонизированной стали на основе водорода, полученного электролизом, увеличит спрос на электроэнергию для сталелитейной промышленности примерно на 11 % (или 183 ТВт·ч) к 2050 г. только в Европе. Это в контексте декарбонизации должно быть удовлетворено за счет увеличения выработки «чистой энергии» ветра и солнца [29].

Технологии электролиза железной руды

Переход к низкоуглеродной экономике требует изменения способов производства железа и стали. В настоящее время изучаются два пути электролиза. Во-первых, это процесс электролиза ULCOWIN (проект ULCOS), в котором зерна железной руды суспендируются в щелочном растворе гидроксида натрия при температуре 110 °C. Результатом является твердый железный продукт [33]. Предложена пилотная установка производительностью 5 кг железа в день [34]. Во-вторых, производство железа методом электролиза расплавленного оксида железа (Molten oxide electrolysis) [35] – это новая технология, разработанная Массачусетским технологическим институтом (MIT), исследования которой были завершены в лабораторных условиях. В результате этого процесса получается железо, полностью не содержащее углерод, из газовой составляющей образуется только кислород, а не углекислый газ. Электролиз расплавленного оксида, при котором железная руда растворяется в смешанном оксидном растворителе (таком как оксид кремния и оксид кальция), протекает при температуре около 1600 °С. Полученное расплавленное железо собирается на дне ячейки и откачивается. Поскольку при электролизе не образуется CO₂, теоретически процесс может считаться нулевым по выбросам углерода, но только если электричество, необходимое для питания процесса, производится без выбросов CO₂. Предстоит решить еще несколько инженерных проблем, прежде чем электролиз станет экономически выгодным.

Выводы

В целом, в мире реализуется большое количество проектов по разработке и внедрению технологий производства стали с низкими выбросами CO₂. Возможности существенного снижения выбросов парниковых газов в металлургии ограничены существующими технологиями, качеством железорудного сырья, доступностью низкоуглеродного топлива, водорода и безуглеродной энергии. Декарбонизация металлургии будет невозможна без новых технологий, основанных на инновациях, без максимального использования потенциала вторичных энергетических ресурсов металлургических предприятий, а также без внедрения возобновляемых источников энергии. Отрасль CCUS в России на данный момент, по сути, только формируется, однако текущая климатическая повестка, очевидно, стимулирует российские компании рассматривать и этот метод декарбонизации.