Водородная декарбонизация сталепрокатки: путь к устойчивой промышленности

Водород и декарбонизация производства стали

Главные драйверы устойчивого энергетического будущего: (i) сокращение глобальных выбросов CO₂ и улучшение качества воздуха, (ii) обеспечение энергетической безопасности и переход к возобновляемым источникам, (iii) создание новой промышленно-технологической энергетической базы, критически важной для будущей экономики. Все современные оценки глобальных энергетических перспектив сходятся в том, что растущий спрос будет удовлетворяться все более диверсифицированным энергомиксом с долею возобновляемых источников.

Растущие экологические опасения — 주요 движущая сила устойчивого развития энергетики. Главная проблема — выбросы и накопление в атмосфере CO₂ и других парниковых газов. Их уровень неопровержимо превышает доиндустриальный и считается ответственным за повышение глобальной температуры парниковым эффектом. Без резкого сокращения выбросов CO₂ грозят потенциально катастрофические последствия для климата. Эти опасения трансформируют подходы к оценке и использованию энергии, смещая баланс от углеводородной базы к возобновляемым источникам.

Водород — привлекательное альтернативное топливо. Однако, в отличие от угля, газа или нефти, он не является первичным источником энергии. Его роль ближе к электроэнергии как вторичному «энергоносителю»: сначала производится с затратами энергии из другого источника, затем транспортируется для будущего использования, где его химическая энергия реализуется полностью.

Водород обещает по-настоящему устойчивое глобальное энергетическое будущее. Интерес к нему как способу доставки энергетических услуг растет в ответ на экологические опасения и тревогу по поводу безопасности поставок ископаемого топлива. Водород — хорошо известный, универсальный и чистый энергоноситель, широко используемый в промышленности. Большинство водородных технологий имеют долгую историю. Промышленный опыт и текущее применение демонстрируют его безопасность. Водород предлагает варианты производства, распределения и использования; текущее применение можно безопасно расширить.

Потенциал водорода как энергоносителя

Водород может в принципе заменить все формы конечного энергии, используемые сегодня. Он может обеспечивать энергетические услуги всем секторам экономики. Имеет экологические преимущества перед ископаемым топливом. В точке использования сжигание водорода может не давать вредных выбросов. Если водород производится без выбросов CO₂, он может стать основой по-настоящей устойчивой энергетической системы — водородной экономики.

Водород переживал циклы завышенных ожиданий и непрактичных реальностей. Падение цен на возобновляемую энергию и строгие регуляторные требования из-за изменения климата ведут к парадигмальному смене от углеродной экономики к водородной по всему миру. Однако переход не произойдет за одну ночь — нужна выделенная стратегия и усилия.

Водород — первый элемент периодической таблицы. Самый легкий, самый распространенный и один из старейших химических элементов во Вселенной. На Земле встречается в сложных молекулах: воде, углеводородах. Для использования в чистом виде его необходимо извлекать. Пламя водорода бесцветно и без запаха; для видимости и детектирования добавляют красители и одорагизаторы. Молекула водорода меньше, чем у природного газа, поэтому он легче утекает, что может вызывать накопление концентрации в замкнутых пространствах.

Водород может сыграть ключевую роль в глобальной промышленной декарбонизации. Сегодня водородная экономика — приоритет. Нетто-нулевые выбросы CO₂ требуют полного отказа от ископаемого топлива. Климатическое воздействие водорода полностью определяется способом его производства. Для контроля глобального потепления водород, полученный электролизом воды на возобновляемой энергии, незаменим для климатической нейтральности. Однако переход к водородной экономике требует гигантских инвестиций в новую инфраструктуру производства, транспорта, хранения и доставки к конечным потребителям.

Растущий консенсус признает необходимость достижения нетто-нулевых выбросов к 2050 г. для ограничения роста температуры на 1,5 °C относительно доиндустриального уровня. Для этого нужно заменить ископаемое топливо, покрывающее 4/5 глобальных энергопотребностей. Чтобы удержать рост температуры в 1,5 °C, водород как энергоноситель последовательно играет центральную роль, сравнимую с ролью угля, нефти или газа в углеродной экономике. Промышленные процессы производства стали, цемента, стекла, химии требуют высокотемпературного тепла. Сейчас оно получается сжиганием ископаемого топлива. Для этих «трудноуменьшаемых» секторов нет пути к нетто-нулю в нужном масштабе без водорода.

Провал в декарбонизации экономики — недоступная опция. В долгосрочной перспективе водород вместе с возобновляемой электроэнергией способен решить проблему декарбонизации трудноперерабатываемых секторов, включая сталелитейную. Однако существуют серьезные вызовы, требующие преодоления.

Водород — высокоуниверсальное базовое химическое вещество, используемое как источник энергии и сырье для промышленных процессов: аммиак для удобрений, нефтепереработка, пищевая, электронная, стекольная, металлургическая промышленность. Однако использование как источника энергии критически важно для декарбонизации экономики. Новые данные указывают на важную роль водорода в сокращении выбросов от промышленного тепла, особенно где пламя (и продукты сгорания) должен контактировать с материалом/продуктом (печи, горны).

У водорода полезные характеристики: может производиться низкоуглеродными способами; его использование (сжигание или электрохимическая реакция в топливном элементе) не дает выбросов парниковых газов. В топливном элементе побочный продукт — только вода, что значительно улучшает качество воздуха по сравнению с вытесняемым ископаемым топливом.

Сжигание водорода дает высокие температуры, позволяя заменять ископаемое топливо там, где нужно высокотемпературное тепло (промышленные применения). Однако из-за более высокой температуры сгорания могут образовываться оксиды азота (NOx) — вредное загрязнение.

Хотя водород менее энергонасыщен по объему, чем ископаемое топливо, в сжатом виде имеет высокую гравиметрическую плотность энергии. Может храниться в больших объемах на месяцы, а не часы/дни. Как сжижаемый газ, водород может доставляться высокой скоростью через трубопроводы.

Как энергоноситель, водород в некотором смысле похож на электроэнергию: оба должны генерироваться, а не добываться в готовой форме как ископаемое топливо. Может производиться низкоуглеродными методами: электролиз на низкоуглеродной электроэнергии или паровая конвертация/газификация углеводородов (биомасса, природный газ) с улавливанием и хранением/использованием CO₂ (CCS/U).

Водород можно хранить и распределять различными способами. Имеет высокую гравиметрическую плотность энергии. Транспортные опции сравнимы с ископаемыми: газообразный/жидкий автотранспорт, морской транспорт, перекачка по трубопроводам. Смешивание в существующую газосеть возможно и может стать важным, особенно в переходный период. Несколько вариантов хранения, некоторые в стадии разработки.

Переход к устойчивым методам производства водорода для промышленности во многом зависит от признания зеленого топлива и подходящего ценообразования зеленых промышленных продуктов, что может материализоваться через адекватную цену на углерод и регуляторную рамку. Использование зеленого водорода в промышленности также создает преимущество: формирует крупномасштабный спрос, снижая стоимость производства, что позитивно влияет на другие секторы (мобильность).

Водород — не источник энергии, а энергоноситель. Его нужно произвести и сохранить перед использованием. Молекула H₂, накапливающая энергию, может высвободить её сжиганием или через топливный элемент. Сжигание 1 кг водорода выделяет в 3 раза больше энергии, чем 1 кг бензина, давая только воду. В топливном элементе химическая энергия H₂ и O₂ преобразуется в электричество через парные реакции оксиления-восстановления. Отход — вода.

Влияние водорода на сокращение CO₂ определяется сочетанием углеродного следа его производства и выбросами от деятельности, где он используется. Выбросы CO₂ при производстве тесно связаны с технологией и структурой электросети, питающей процесс. Декарбонизация текущего производства водорода сложна, но положительно скажется на выбросах и может сыграть роль в снижении затрат. Стоимость зеленого водорода (электролиз на ВИЭ) ожидается падающей.

Категории производства водорода

Две основные категории: (1) извлечение водорода из воды электричеством (электролиз), (2) использование ископаемого топлива как источника энергии и/или водорода. При извлечении из/с ископаемого топлива (природный газ, нефть, уголь) выбросы CO₂ закреплены в химической реакции. При электролизе выбросы обусловлены углеродной интенсивностью источника электроэнергии.

Источник энергии и метод производства определяют неформальную цветовую классификацию: серый, синий, зеленый водород. Сейчас ~96 % водорода производят из ископаемого топлива углеродоемкими процессами — это серый водород. Два основных процесса: паровое конвертирование метана и газификация угля. Если CO₂, выделяемый при этих процессах, улавливается и хранится/используется (CCS/U), продукт — синий водород. CCS/U на водородных активах имеет коэффициент улавливания до 90 %, что делает этот путь эффективным с точки зрения парниковых газов.

Зеленый водород — низко/нулевыми выбросами, произведённый электролизом на электроэнергии от ВИЭ. Другой код: водород от электролиза на ядерной электроэнергии — желтый (или фиолетовый). Электролиз воды сейчас минимален, так как требует много дорогой электроэнергии; используется для высокочистого водорода.

Дополнительная проблема электролиза — потребление воды. Чистая вода: 10–15 л/кг H₂, входная вода должна быть деионизирована. При дефиците пресной воды — десалинация морской воды или регенерация сточных вод.

Три основных пути к нулевым выбросам: (i) паровое конвертирование метана (SMR) с биометаном или с CCS/U, (ii) электролиз на электроэнергии от ВИЭ, (iii) газификация биомассы. SMR и электролиз — зрелые технологии; газификация биомассы и SMR с CCS/U — в разработке. Сейчас почти всё производство — реформирование ископаемого топлива как самый экономичный путь.

По синему водороду: потребление воды часто упускается из виду. Синие пути потребляют много воды, иногда больше электролиза. По жизненному циклу: до 24 л/кг H₂ для SMR и 38 л/кг для газификации угля.

Дополнительный путь — бирюзовый (зеленовато-синий) водород, на стадии TRL (уровень технологической готовности). Пиролиз метана: природный газ как сырье, энергия — электроэнергия из низкоуглеродных источников. Метан при высоких температурах расщепляется на водород и твердый углерод (технический уголь). Рис. 1 показывает цветовую идентификацию путей генерации водорода.

По электролизу воды: щелочные электролизоры — состояние искусства. Другие процессы в разработке: протонно-обменные мембраны (PEM) — демонстрационная фаза, твердооксидные электролизоры — НИОКР. PEM-электролизоры дают преимущества при сопоставимом энергопотреблении: более высокие выходные давления, лучший диапазон частичной нагрузки, быстрее пуск и изменение нагрузки.

Сейчас водород почти полностью поставляется из природного газа и угля. Уже развернут в промышленных масштабах глобально, но его производство отвечает за ежегодные выбросы CO₂. Производство из низкоуглеродной энергии дорого. Сейчас зеленый водород — дорогое газ. Однако стоимость производства на ВИЭ быстро падает.

Хотя производство электролизом из «излишков» ВИЭ и/или ядерной энергии может быть стоимоэффективной альтернативой, масштаб этой возможности мал по сравнению с потенциальным спросом. Массовое производство электролизом сейчас намного дороже и требует экстремально высоких темпов строительства генерации. Зеленый водород на ВИЭ спроектирован к быстрому росту в ближайшие годы. Множество текущих и планируемых проектов подтверждают это.

Зеленый водород с ВИЭ технически жизнеспособен и быстро приближается к экономической конкурентоспособности. Растущий интерес вызван падающими ценами на ВИЭ и проблемами системной интеграции из-за растущей доли переменной генерации. Фокус сейчас — на внедрении и обучении на практике для снижения стоимости электролизоров и логистики цепочек поставок.

Три ключевых параметра экономической жизнеспособности производства водорода на ВИЭ: (i) капитальные затраты на электролизоры, (ii) стоимость возобновляемой электроэнергии (LCOE) и число рабочих часов в год (коэффициент загрузки). Чем выше коэффициент загрузки, дешевле единица водорода после распределения фиксированных инвестиций на больший объем продукции. Коэффициент загрузки обычно должен превышать 50 % при текущих инвестиционных затратах, но почти оптимальные затраты достигаются уже при >35 %. Продуктивность электролизоров для зеленого водорода экспоненциально росла в последние годы.

Масштабирование электролизоров идет очень быстро: от МВт к ГВт по мере эволюции технологии. Прогресс постепенный, радикальных прорывов не ожидается. Стоимость электролизоров прогнозируется к 2040–2050 гг. снизится вдвое, стоимость ВИЭ также продолжит падать. Возобновляемый водород скоро станет самым дешевым вариантом чистого водорода для многих проектов с чистого листа.

В глобальном энергетическом переходе с основным импульсом декарбонизации между сейчас и 2050 г. нужно заменить текущее производство электроэнергии 24 000 ТВт·ч на ВИЭ. Рост населения и повышение уровня жизни создадут потребность в дополнительных 23 000 ТВт·ч от ВИЭ. То есть глобальное потребление электроэнергии удвоится в ближайшие 30 лет даже без водорода. Успешный рост зеленой водородной экономики потребует еще ~20 000 ТВт·ч. Это серьезный вызов для перехода к водородной экономике.

Хранение водорода дает преимущества с точки зрения закупки/цен на электроэнергию, но не критично для процессной концепции. Сегодня самый стоимоэффективный вариант — подземное газохранилище в соляных формациях. Эта технология проверена в промышленных масштабах. Другие перспективные решения: использование трубопроводов для природного газа, конвертация в аммиак или углеводороды как промежуточное хранение. Начальная оценка технологии LRC (Lined Rock Cavern), используемой в Швеции для газа, выглядит перспективной. В разработке: хранение в металлических гидридах и пористых материалах.

Инвестиции в водород требуют горизонта 10–20 лет. Особенно в ранние годы нужны инфраструктурные инвестиции до роста потребительского спроса. Отсутствие четких и обязательных целей по сокращению выбросов или стимулов для конкретных секторов отбивает у инвесторов желание брать долгосрочные риски.

Основной текущий спрос на водород — промышленное сырье. Но водород для этих процессов пока не из низкоуглеродных источников. Главные будущие промышленные тепловые применения — производство стали, где сейчас используется уголь. Стехиометрическое потребление водорода для восстановления гематита (Fe₂O₃) — 54 кг на тонну железа. Следовательно, сталелитейный завод 1 млн т/год на водородном восстановлении потребует установку производства водорода мощностью ~70 000 м³/ч (STP).

Переход сталелитейной отрасли от угля к водороду — не только технологическая и финансовая задача. Это может повлиять на организацию отрасли на национальном, региональном и глобальном уровнях. Исторически легкий доступ к углю определял расположение сталелитейных заводов: часто возле собственных угольных бассинов или портов для импорта угля.

Использование водорода для производства стали — технология в стадии разработки. Цель — заменить процесс доменной печи (БФ), доминирующую технологию первичного сталелитья с коксовым углем как источником тепла и восстановителем железа, на процесс прямого восстановления железа (DRI), где водород — источник тепла и восстановитель.

Идея использования водорода как восстановителя связана с изменением климата. Декарбонизация железа требует замены углерода/CO в реакции восстановления другим газом с низкими/нулевыми выбросами углерода. Этот газ может быть метаном или водородом. Метан (CH₄), содержащий углерод и водород, позволяет частично снизить выбросы CO₂, заменяя их водяным паром, но не полностью. Водород позволяет полностью декарбонизировать процесс, так как единственный химический побочный продукт — водяной пар.

Оба варианта технически хорошо изучены. Метан — основной компонент природного газа, доступен в больших объемах. Уже ограниченно используется в сталелитье, но более широкое применение даст частичную декарбонизацию. Водород позволяет полную декарбонизацию, но пока производится в ограниченных объемах, и его использование для сталелитья требует доработки для промышленных масштабов.

Таким образом, декарбонизация сталелитья ставит две главные задачи: (i) оптимизация и масштабирование водородного пути производства железа/стали через пилотные установки, (ii) масштабирование производства водорода: большие объемы, ниже стоимость, выше эффективность. Рано или поздно переход на водород потребует создания новых производств водорода беспрецедентного масштаба. Успех критически зависит от доступности больших объемов водорода как можно шире и по минимальной цене.

Два основных способа использования (зеленого) водорода в сталелитье: (1) альтернативный впрыскиваемый материал вместо ПВУ (пульверизированного угольного впрыска) для улучшения характеристик обычных доменных печей. Хотя ПВУ распространен, первые пилотные установки с впрыском водорода недавно созданы для оценки потенциала декарбонизации. Однако впрыск водорода в доменную печь может сократить выбросы углерода только до 20 %, не обеспечивая углеродно-нейтрального производства, так как коксовый уголь остается необходимым восстановителем. (2) Водород как альтернативный восстановитель для производства DRI, которое дальше перерабатывается в сталь в электродуговой печи (EAF). Использование водорода как восстановителя выделяет только воду (нет выбросов углерода). Маршрут DRI/EAF — проверенный процесс, сейчас применяемый с природным газом. Но прямой восстановление можно провести и водородом. На основе зеленого водорода и возобновляемой электроэнергии (ветер, солнце, вода) DRI/EAF позволяет почти углеродно-нейтральное производство стали. Шведские и немецкие организации экспериментируют с «зеленой сталью», нагреваемой чистым водородом; первый успешный тест — 2020 г. в Швеции.

Зеленый водородный DRI и лом в комбинации с EAF заменяют ископаемое топливо на стадии DRI водородом с ВИЭ. Это технически доказанный метод, позволяющий почти безвыбросное производство стали. Все крупные европейские сталелитейные компании сейчас строят или тестируют водородные процессы: либо водород вместо ПВУ, либо водородное прямое восстановление.

Однако капитальные затраты на чистое водородное производство (DRI + EAF) с необходимой транспортировкой и хранением водорода весьма значительны. Рис. 2 показывает типичную технологическую схему водородного прямого восстановления.

Прямое восстановление железа сейчас дает ~8 % глобального производства железа. Сейчас используется восстанавливающий газ из природного газа или угля. В 2016 г. три шведские компании (SSAB, LKAB, Vattenfall AB) объявили о планах декарбонизировать процесс прямого восстановления с водородом как восстанавливающим газом. Их концепция — Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (HYBRIT). HYBRIT использует водород как единственный восстанавливающий газ, продукт — вода вместо CO₂. Полученный DRI затем превращается в сталь в EAF так же, как традиционный DRI. Рис. 3 — принципиальная схема HYBRIT.

Основные характеристики HYBRIT: (i) в производстве пеллет не используются ископаемые топлива, (ii) водород производится электролизом на безуглеродной электроэнергии, (iii) хранение водорода в спец. блоке как буфер для сети, (iv) шахтная печь для восстановления руды, (v) специальные пеллеты как сырье, (vi) восстанавливающий газ/смесь предварительно нагревается перед впрыском в шахту, (vii) продукт — DRI или HBI (горячее брикетированное железо), (viii) DRI/HBI плавится с ломом в EAF.

HYBRIT оценил сквозное энергопотребление новой цепочки поставок и референс-кейс доменной печи. Анализ включает добычу руды. По анализу, доменная печь выделяет 1600 кг CO₂ от сжигания кокса и масла на 1 т сырую стали. Маршрут DRI выделяет только 25 кг CO₂, потребляя ~50 кг водорода, что требует 2633 кВт·ч энергии. Это дает эффективность снижения выбросов 32 кг CO₂ на кг H₂.

Хотя это точный расчет для потребленного водорода, DRI создает промежуточный продукт — губчатое железо, которое нужно переплавить в EAF для получения сырую стали (конечный продукт БФ). Для нормализации сравнения с другими применениями водорода, потребление электроэнергии в EAF (855 кВт·ч/т) могло бы произвести еще 16 кг водорода, что дает нормализованную эффективность 24 кг CO₂/кг H₂. Рис. 4 — сравнение BF-BOF с HYBRIT.

Теперь водородное сталелитье с EAF технически выполнимо и считается частью потенциального долгосрочного решения для массовой декарбонизации сталелитейной отрасли. Вопрос не в «будет ли», а в «когда» и «в каком масштабе». Однако множество взаимозависимых факторов определяет момент точки декарбонизации в сталелитье. Есть внешние факторы, формирующие будущее развитие и время внедрения зеленого водородного сталелитья.

Переход к водородной стали не мгновенен. Сейчас только одна ключевая производственная технология доступна для достижения углеродно-нейтральной сталелитейной отрасли. Будущая доступность дешевой энергии от ВИЭ и регуляторные вопросы — два ключевых драйвера внедрения водородной стали. Несмотря на цель углеродной нейтральности через ~28 лет, действовать нужно сейчас. Промышленные объекты имеют срок службы >50 лет, инвестиционные горизонты 10–15 лет. Решения об активах и углеродном следе должны приниматься сейчас и следовать четкому дорожному плану декарбонизации. Дорожная карта должна сочетать долгосрочные цели с быстрыми выигрышами для плавного перехода с сохранением всех заинтересованных сторон.

В целом, своевременный переход от углерода к водороду в сталелитейных процессах требует скоординированных политических действий в широком спектре областей: повышения цены на углерод одновременно со снижением цены на водород. Снижение цены водорода требует разработки широкого и скоординированного набора мер. Меры необходимы для стимулирования и спроса на водород, и наращивания производственных мощностей как части согласованного толчка к водородной экономике.