Производство на „зелената стомана“: Какви са възможностите за получаването ѝ чрез директна редукция в дъгови пещи?

Индустриалните сектори търсят все по-иновативни начини да намалят въглеродните емисии и да поддържат устойчивостта на производството. В тази светлина, концепцията за „зелена стомана“ се превръща в ключова точка на интерес. Замествайки традиционните методи с екологично по-приемливи алтернативи, производството на „зелена стомана“ обещава да преобрази индустрията и да допринесе за намаляването на емисиите на CO2.

Двете основни предизвикателства пред направата на „зелена стомана“ са осигуряването на достатъчно количество желязна руда със степен DR и намаляването на цената на производство на водород от начало до край.  Производството на чист зелен водород е в начален етап, и поради това и плановете за производство на зелена стомана са в начален етап. Това пише Сорош Басират от IEEFA, цитиран от Steel Times International.

Той преглежда пейзажа как стоят нещата при големите стоманодобивни компании в САЩ, Европа, Австралия, Близкия изток. Басират включва таблица с шестнадесет мащабни проекта за директно редуцирани желязо (direct reduced iron (DRI). Той цитира анализатори, които казват, че предстоящата водородна икономика трябва да отдели внимание на захранването на стоманата – според тях от всички възможни приложения на водорода, производството на стомана предлага най-големите възможности за намаляване на емисиите.

Зеленият водород е на път да преобрази стоманарската индустрия. Технологията DRI на база водород вече оставя зад гърба си други решения за декарбонизация на основното производство на стомана, като захващане и съхранение на въглерод (CCS).

Използване на водород в директната редукция-електрическа дъгова пещ (H2-DRI-EAF) включва използването на водород (H2) за производство на “желязна гъба” (DRI), което след това се обработва в електрическа дъгова пещ (EAF), за да произведе стомана. В анализа на BloombergNEF за перспективата за нулеви емисии, 64% от общото предвидено за 2050 г. основно производство на стомана е свързано с H2-DRI-EAF, следвано с 25% от DRI-EAF, оборудван с технология за улавяне на въглерода. Останалата част е разпределена за стоманодобив по метода на високотоплинния купол-базова кислородна пещ (BF-BOF) и други технологии.

В своята коригирана пътна карта за нулеви емисии за 2023 г., Международната енергийна агенция (IEA) предвижда, че до 2050 г. 44% от производството на желязо ще произлиза от процеси, базирани на водород, следвани от други технологии, включително CCS и директна електролиза на желязна руда.

Две основни предизвикателства

Въпреки че използването на водород в процеса на производство на желязо базиран на процеса на директното намаляване (DR) има смисъл за производство на стомана с ниски емисии, съществуват конкретни препятствия, които трябва да бъдат преодолени, за да се улесни този преход. Най-важните предизвикателства включват осигуряването на достатъчно количество желязна руда със степен DR и установяването на устойчива верига за стоманодобив на зелен водород.

За да отговорят на нарастващото търсене на „зелено желязо“, компаниите ползват различни стратегии, включително отварянето на нови мини за желязна руда като Iron Bridge, Австралия, и Simandou, Гвинея. Освен това се изследват иновационни методи като микровълнова и био-въглеродна технологии за производство на нискоемисионно чисто желязо, заедно с използването на метода на смесено намаляване с по-нискокачествени руди.

В сравнение със сектора на желязната руда, „зеленият водород“ е относително нов. Въпреки това, той ще играе решаваща роля за ефективната декарбонизация на стоманодобивната индустрия.

Необходимостта от повишаване на капацитета

Декарбонизацията на стомадобивната индустрия ще наложи допълнителни проекти за зелен водород с огромен мащаб. Той все още се намира в ранен етап на развитие, а увеличеното инвестиране е от съществено значение за неговото интегриране в стоманарската индустрия. В процеса H2-DRI-EAF е необходима почти 300 мегавата (MW) електролизна мощност за производство на един тон стомана.

В момента, сред проектите за производство на „зелена стомана“, само H2 Green Steel е изложил подробен план, предлагайки електролизирана мощност от над 700MW за стоманодобив. Thyssenkrupp разглежда възможността за външно снабдяване с водород за своя завод в Дуйсбург, Германия, предпочитайки да не инвестира директно в веригата за стоманодобив на водород.

Стабилно енергийно захранване

Водородната икономика се сблъсква с трудности като ограничен капацитет за производство на електролизери. То изисква значителна консумация на електроенергия, което представлява предизвикателство за доставката на възобновяема енергия.

За поддържане на работата на големи проекти, базирани на водород, е необходимо да се гарантира постоянно снабдяване с възобновяема електроенергия през цялата година. Вариабилността на източниците на възобновяема енергия, като слънчева и вятърна енергия, налага увеличаване на капацитета и внедряването на решения за съхранение на енергията, за да се осигури непрекъснато снабдяване. Тази необходимост допринася за увеличаване на началните инвестиционни разходи за възобновяемите източници на енергия, които може да надминат CAPEX, необходимия за съоръженията за стоманодобив.

Според актуализирания Акт за намаляване на инфлацията на правителството на САЩ (IRA), данъчни кредити се предоставят единствено за проекти за водород, отговарящи на конкретни критерии, покриващи три основни фактора. Първо, проектът трябва да включва възобновяеми източници, построени не повече от 36 месеца преди започването на производството на електролизери. Второ, възобновяемите източници и електролизерите трябва да работят в рамките на същата мрежа. Трето, проектът трябва да съответства точно на производството на възобновяема енергия по отношение на времето за производство.

Цената на производството

Към декември 2023 г., Хидрогенният съвет съобщи, че въпреки значителния брой обявени проекти, чиито капацитет достига 305 гигавата (GW) , комбинираният капацитет на електролизери за зелен водород е преминал само 1 GW. Той е достатъчен, за да декарбонизира едва един завод за стомана с капацитет от близо 3 милиона тона годишно производство. Секторът за развитие на водорода се бори и с предизвикателства като инфлация на разходите и растящи разходи за финансиране, които повишават цената на водорода. Оценената нивелирана цена на производството на възобновяем водород (LCOH) е около 4,5 до 6,5 щатски долара за килограм (USD/kg). Тя се очаква да спадне до 2,5 до 4,0 USD/kg към 2030 г.

Китайските електролизери представляват възможност, тъй като те са два до пет пъти по-евтини от западните им аналоги, но въпреки това техните качества отстъпват на западните модели.

Приоритет за стоманата

С оглед на всички тези предизвикателства пред производството на „зелен водород“, е от съществено значение да се приоритизират наличните капацитети за сектори, които могат да донесат съществено намаление на въглеродните емисии, като например стоманодобивната индустрия.

Германският мозъчен тръст Agora Industry подчертава, че стоманата се издига като сектор с най-голям потенциал за намаляване на въглеродните емисии сред различните приложения на водорода. Интересно е, че дори в сектори, където директната електрификация не е осъществима, преминаването от въглища към водород - както се вижда в стоманодобивната индустрия - дава по-големи ползи в сравнение с преминаването от други фосилни горива, включително петрол и газ, към водород.

Разделянето на производството на желязо от производството на стомана

Освен разпределението на ценния зелен водород в различни сектори в съответствие с приоритета и потенциала за намаляване на въглеродните емисии, разработчиците трябва да преосмислят преноса на водород на дълги разстояния. Особено за проекти, които се разработват в региони като MENA, транспортирането на водород не е оптимално решение, защото е неефективен процес, който търпи загуби на енергия, които добавят разходи към веригата на стойността на водорода. Вместо това, използването на водород на местно ниво за производство на водородно намалено желязо се превръща в предпочитан подход.

Като алтернатива, някои стоманодобивни фирми, избират да преместят процеса на производство на желязо на места с достъп до по-надеждни енергийни източници, като внасят чисто желязо като суровина във формата на горещо брикетирано желязо (HBI).

За да се осъществи това, някои производители на стомана насочват усилията си към Австралия, Бразилия, Близкия изток и Африка, които са превръщат  в зелени хъбове за суровини за стоманодобив.

Таблица: широкомащабни проекти за DRI на зелено и техния редуциращ газ

Пътищата са различни

Заключителните бележки от COP28 подчертават неотложната необходимост да се откажем от използването на фосилни горива в енергийните системи. Това подчертава колективната отговорност на всички нации да изтеглят бързо своите проекти на база фосилни горива, като се гарантира съответствие с целите на Споразумението от Париж.

Въпреки високата цена на водорода в момента, се очаква тя да стане все по-ниска в близките години, като технологията на електролизера се оптимизира, насърчавайки прехода към водорода. Инвестирането в разработка на нови капацитети е вероятно да доведе до неизползвани активи.

Дори в региони с достъп до газови резерви, като Западна Австралия (WA), където са обявени проекти като новият завод за HBI на POSCO, се оказва трудно снабдяването с газ поради изключително строгото снабдяване, тъй като повечето газ, произведен в WA, се изнася като втечнен природен газ (LNG). Обратно, региони като Близкия изток разполагат с изобилие и достъпни ресурси от газ, които исторически се използват в производството на желязо.

Първата вълна от инициативи за производство на „зелена стомана“ вече се появяват в Европа. След войната в Украйна, Европа цели частично да замени руските газопроводи с увеличени вноси на LNG, главно от САЩ. Въвеждането на ново търсене на газ от стоманодобивните фирми може да натовари общото снабдяване, налагайки преосмисляне в изследванията за преход към пътеката на NG-DRI, дори като мостово решение за истинскa „зеленa стомана“. Важно е да се отбележи, че използването на LNG като суровина може да повиши крайната цена на стоманата, като се имат предвид допълнителните разходи по време на процесите на кондензация, транспортиране и регазификация за LNG в сравнение с доставянето на газ чрез газопровод.

Европа намалява своята зависимост от газ, тъй като възобновяемите източници претендират за по-голям дял от енергийния микс на континента. ЕС цели да задоволи 42,5% от своята енергийна нужда от възобновяеми източници до 2030 г.

Поради трансформациите в енергийния сектор концепцията за използване на „син“ водород - произведен чрез газ, с емисиите хванати с CCS - в производството на стомана е ирационална. CCS остава непроверена технология с недостатъчно доказана ефективност и ниски проценти на хващане.

Според доклад от Департамента на САЩ за енергетика (DOE), повечето проекти за син водород не се считат за „чисти“ поради високите им емисии и не сe квалифицират за данъчни кредити. Също така, ЕС не предоставя субсидии за „син“ водород.

Освен това, в съответствие с преработената Директива за възобновяеми енергийни източници на ЕС, отрасли като стоманодобивната промишленост са задължени  42% от водорода, който употребяват, да идва от възобновяеми източници, до 2030 г., като това да се увеличи до 60% до 2035 г. Тази актуализирана директива фактически изключва възможността за разработване на син водород за производството на стомана в ЕС.

Използването на газово базирано DRI не е дефинитивно решение за постигане на декарбонизация на стоманата поради значителните му емисии на въглерод. Производителите на „зелена стомана“ трябва да имат ясна стратегия за преход към „зеления водород“ или поне да планират прогресивно въвеждане на водород, за да ограничат зависимостта си от газа в производствения процес.

H2-DRI-EAF представлява наратив за разпределение на ограничени ресурси за създаване на ценни продукти. В момента зеленият водород е на висока цена, а достъпът до желязни руди с клас DR е ограничен. Чрез умното разпределение на тези два ресурса на зелените стоманени съоръжения и с подкрепата на спомагащи, но строги регулации, преходът към „зелената стомана“ може да продължи да набира темпо през 2024 г.

Повече за терминологията и процесите можете да намерите тук.