Водородът като енергиен ресурс
Възможност за декарбонизация на индустриалното производство
Водородът може да се превърне в жизнеспособна алтернатива на природния газ за индустриалното производство. Той може да спомогне за декарбонизация на промишлените процеси. Водородното гориво вече се тества от международни индустриални гиганти, включително и от водещи доставчици на стомана. В момента в глобален мащаб се работи за въвеждането му в стоманодобивната индустрия, където се очаква той да бъде използван като редуктор и гориво за доменните пещи. В статията ще разкажем за основните технологии за производство на стомана, за декарбонизационните технологии, за технологията за намаляване на емисиите от въглероден диоксид, за технологията за въглеродна неутралност, за иновативните корпоративни проекти.
Текст: списание Енергия
Според International Energy Agency (IEA), глобалните преки емисии на въглероден диоксид от стоманодобивната промишленост през 2019г. е 2,27 гигатона. Това е количеството емисии, пряко свързани с процеса на производство на стомана. Металургичната индустрия е под натиск да намали парниковите емисии както от страна правителствата на държавите, които си поставят съответните екологични цели, така и от потребителите и инвеститорите. Глобалната цел предполага намаляване на емисиите по цялата производствена верига.
Поради това редица потребители, като например производителите на автомобили, ще изискват „зелени“ продукти.
В резултат на това ще се създаде ново „зелено” законодателство, което в бъдеще ще се внедри в производствените стандарти. Строгите цели за намаляване на въглеродните емисии могат да навредят на дългосрочната устойчивост на бизнеса на стоманодобивните компании. Такъв натиск създава рискове за техния бизнес, тъй като има ограничени възможности за намаляване на емисиите. Въпреки прилаганите политики, средният обем на специфичните въглеродни емисии(въглероден диоксид) остава на ниво от 1,83 тона за тон стомана(според World Steel Association) през последните 10 години. Следователно, производителите на стомана трябва да имат разработени стратегии за декарбонизация, за да могат да се адаптират и да останат на пазара.
Основни технологии за производство на стомана
Високите въглеродни емисии от стоманодобива могат да се обяснят със спецификата на производствените мощности и използваните технологии. В металургичната индустрия 68% от инсталираните мощности са представени от традиционната технология „доменна пещ-конвертор” или “Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace” (BF-BOF). Други 32% от мощностите се падат на технологията на електродъгови пещи - „Еlectric Аrc Furnace” (EAF). Емисиите на парникови газове от конверторната технология са значително по-високи - 2,2 тона въглероден диоксид за тон стомана, в сравнение с EAF (DRI-Direct Reduced Iron) - 1 тон въглероден диоксид за тон стомана. Причината за по-високите емисии в доменно-конверторната технология е използването на въглища (под формата на кокс или прахово въглищно гориво) и природен газ.
Въглищата и газът са източници на въглерод. Въглеродът играе важна роля в процеса на производство на стомана в металургичните заводи. Първо, това е редуциращ агент в доменната пещ, който отделя кислорода от желязната руда, което е необходимо за производството на чугун. Второ, въглеродът е източник на енергия, който дава възможност да се достигне до висока температура, необходима за производството на стомана. На трето място, въглеродът е необходим компонент на стоманата (до 1% при високовъглеродни марки). Основният източник на емисии от въглероден диоксид в стоманодобивния завод работещ по технологията BF-BOF, е доменното производство-68% от общите преки емисии. В доменната пещ желязото се редуцира директно от желязната руда, при което се отделя 1,3 тона въглероден диоксид за тон стомана.
Според IEA, за да постигне целите за въглеродна неутралност до 2070 година, стоманодобивната индустрия трябва да намали емисиите с 55%. Консултантската компания World Steel Dynamic прогнозира, че обемът на производството на стомана през 2050 година ще остане на нивото от 2019 година, т.е. в размер на 1,85 - 1,87 млрд.тона. Това означава, че до 2050 година специфичните емисии на парникови газове от производството на стомана също трябва да намалеят с 55%. Според водещата инженерингова компания Primetals, използването на съществуващите най-добри практики ще намали емисиите с не повече от 25-30%. Това не е достатъчно за постигане на необходимите цели за намаляване на емисиите. За декарбинизационното производство е необходимо бързото навлизане на нови технологии, които в момента съществуват на етап развитие.
Декарбонизационни технологии
В зависимост от потенциала за декарбонизация се разграничават технологии, които намаляват емисиите на въглероден диоксид, и технологии за постигане на въглеродна неутралност. Технологията за намаляване на емисиите на въглероден диоксид, чрез замяна на кокса и праховото въглищно гориво с водород, вече е достъпна за промишлена употреба. Технологията за въглеродна неутралност с използване на водород за производството на EAF(DRI), е на етап развитие.
Технология за намаляване на емисиите от въглероден диоксид
Вместо въглища/кокс в доменната пещ може да се подава водород. Водородът, подобно на въглерода, е в състояние да редуцира желязо от рудата. Предимството на водорода е, че когато той се използва вместо въглероден диоксид, се отделя водна пара. Компанията Primetals е изчислила, че потенциалът за намаляване на емисиите на въглероден диоксид чрез вдухване на водород в доменната пещ може да достигне е до 20%. В момента тази технология се тества. Концернът ThysenKrupp Steel Europe е започнал да използва водород в доменна пещ вместо прахообразно въглищно гориво.
През ноември 2019 година е било проведено първото тестване, при което водородът е вдухан в една от 28-те дюзи на доменна пещ в Дуйсбург (Германия). През февруари 2021 година компанията е завършила първия етап на тестване и обявява готовност да проведе тестване през 2022 година на всичките 28 дюзи на доменната пещ. Датите на тестовете са отложени поради пандемията COVID-19 (по-рано е било планирано използването на водород да се разшири и в други три доменни пещи до края на 2022 година). Бюджетът на проекта е 2,7 милиона евро. Разходът на водород на тон чугун е 11,7kg или 131m3, като намаляването на емисиите от въглероден диоксид на тон чугун е с 19%.
Понастоящем ThysenKrupp, в партньорство с RWE, произвежда зелен водород. Този зелен водород от електролизната инсталация на RWE се доставя в заводите на ThysenKrupp от средата на 2020 година. Друг проект на ThysenKrupp заедно с STEAG, е изграждането на инсталация за електролиза на вода за производство на зелен водород с мощност от 500MW, генерираща 75 хил. тона водород годишно. Първоначално водородът ще се използва в доменни пещи, а по-нататък и в новия завод за производство на DRI, който се очаква да се изгради до 2025 година.
Технология за въглеродна неутралност
Директното редуциране на желязото е производствен процес, който осигурява алтернативна суровина за електродъговите пещи, т.е произвеждат се метализирани пелети (DRI-Direct Reduced Iron) и горещо брикетирано желязо (HBI-Hot Briquetted Iron). За това се използват богати на желязна руда суровини (със съдържание на желязо най-малко 67%), които се редуцират при високи температури до съдържание на желязо от 90% и повече. Природният газ действа като редуциращ агент (до 400m3 на тон DRI).
Директното редуциране на желязото, последвано от топене на стомана в електродъгови пещи, отделя 50% по-малко въглероден диоксид в сравнение с веригата „доменна пещ-конвертор”. Въпреки това, в Европейският съюз, директното редуциране на желязото не е често срещано поради липсата на евтин газ. Производството на DRI- и HBI-продукти, е концентрирано основно в Близкия изток, Северна Африка и Латинска Америка. Основната идея за намаляване емисиите, е да се замени природния газ с водород. Възможността за използване на водород за редуциране на желязото не повдига въпроси. При конвенционалния DRI-процес, който се основава на природен газ, водородът редуцира до 50% желязо, останалата част се редуцира от въглерода.
Преминаването към зелен водород с цел декарбонизация поражда редица предизвикателства. На първо място, водородът трябва да се произвежда без емисии от въглероден диоксид. Това може да се постигне или чрез улавяне на въглероден диоксид (Carbon capture and storage, CCS) или чрез използване на възобновяеми източници на електроенергия. Ако водородът се произвежда от вода чрез електролиза, ще са необходими от 3 до 4MWh зелена електроенергия за производството на тон стомана. Ако водородът се произвежда от природен газ, чрез доминиращия в момента парен реформинг на метан, ще бъде необходимо да се улавя 0,5 тона въглероден диоксид на всеки тон произведена стомана.
Отделен аспект е необходимостта от създаване на големи хранилища за съхранение на водород. Според University of Cambridge Institute for Sustainability Leadership, стоманодобивните заводи ще трябва да поддържат минимален петдневен запас от водород, за да гарантират непрекъснатостта на производствените процеси. За постигане на въглеродна неутралност при производството на стомана от DRI са необходими промени по цялата производствена верига. Например, необходимостта за постигане безвъглеродно производство от раздробена руда/концентрат, ще изисква разработване на нови технологии от минни компании.
Постигането на целите за въглеродна неутралност на металургичното производство в света е възможно само в дългосрочен план. Процесът на декарбонизация в стоманодобивната индустрия е сложен поради причини, които могат да бъдат разделени на две групи – технологични и икономически. Икономическите причини са високата потребност от инвестиции, по-висока производствена себестойност(10-80% по-голяма в сравнение с BF-BOF), отрицателни социални последствия, зависимост от държавата. Технологичните причини са големия брой източници на емисии, необходимостта от нови технологии, кардинална промяна в производствените вериги, наличност на „зелени” енергийни ресурси.
Постигането на въглеродна неутралност е възможно само чрез основна промяна в производствените технологии и веригите за доставки. Затова са необходими значителни инвестиции в стоманодобивната индустрия, сравними с изграждането на нови обекти. Размерът на инвестициите в проекти за декарбонизация в хоризонта до 2050 година, се оценява средно на 1000 долара за тон стомана, а също и в диапазона от 600 до 1850 долара. Значително по-големи инвестиции ще са необходими за подготовка на веригите за доставки-производство на "зелен" водород и "зелена" електроенергия в промишлени мащаби. Въз основа на данните от обявените проекти, порядъкът на сумите е 3700-4600 долара за тон стомана.
Иновативни корпоративни проекти
Индустриалните компании активно инвестират в научноизследователска и развойна дейност. В сегашно време са реализирани няколко иновативни проекти, базирани на концепцията DRI+водород. HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) е съвместен проект на три шведски компании - SSAB, LKAB и Vattenfall. Проектът се основава на директното редуциране на желязо с помощта на водород. Планира се водородът да се произвежда чрез електролиза на вода с помощта на възобновяема енергия. През периода 2016 - 2017 година е завършено предварителното предпроектно проучване на проекта. То е показало, че преходът към директно редуциране на желязото с водород ще намали емисиите на въглероден диоксид на тон стомана с 98,4% - от 1600kg (във веригата доменна пещ-конвертор в Швеция) до 25kg (в схемата HYBRIT).
Получените продукти ще бъдат обаче с 20-30% по-скъпи. През лятото на 2018 година е започнало строителството на пилотния завод HYBRID. Производствената площадка е осигурена от стоманодобивния завод SSAB в шведския град Лулео. Завършването на пилотната фаза се очаква през 2024 година. До две години по-късно се предвижда въвеждане в експлоатация на пилотен завод за производство на „зелено” желязо с директна редукция. Първоначално производителността му ще бъде 1,3 милиона тона гъбесто желязо годишно, но до 2030 година тя може да достигне до 2,7 милиона тона. SuSteel (Sustainable Steelmaking) е изследователски проект на Voestalpine и партньорите му от K1-MET, Primetals и MUL. Разработен е в завода в Донавиц в Австрия. Целта на проекта е разработване на технология за редуциране на желязна руда, използваща водородна плазма.
Водородът действа като редуциращ агент, а плазменото състояние осигурява енергията, необходима за топене на желязото. Тази технология прави възможно да се получи стомана директно от раздробена желязна руда в специална електродъгова пещ. Проектът е в етап на мащабиране на пилотната инсталация. Паралелно със SuSteel се развива и H2Future, който е съвместен проект Voestalpine с партньори от Siemens, VERBUND, Austrian Power Grid (APG), K1-MT и ECN. Целта на проекта е промишлено производство на "зелен" водород. Като технология се използва електролиза на водата. Източникът на енергия е излишната възобновяема електроенергия, която постъпва в електропреносната мрежа. През 2019 година е пусната пилотна инсталация за производство на водород в завода на Voestalpine в Линц.
Капацитетът му е 6MW, производителността е 1200m3 водород на час. Сега водородът постъпва във вътрешните газови мрежи на завода, а след това, като част от тестовете, се използва на различни етапи от производството на стомана. Voestalpine проучва възможности за комбиниране на традиционното производство, включващо доменни пещи, използващи кокс, с електродъгови пещи, захранвани от алтернативни източници като „зелен” водород. H2Hamburg е проект на ArcelorMittal за директно редуциране на желязо с използване на водород. Проектът се планира да бъде реализиран в завода в Хамбург в Германия. В това предприятие вече е реализирано производство на желязо с директно редуциране с използване на природен газ. Използването на водород ще бъде тествано на нова пещ с годишно производство от 100 000 тона.
Първоначално ще се използва водород с чистота над 95%, получен чрез разделяне на газовете на действащото предприятие. В бъдеще заводът ще може да премине към "зелен" водород. През юли 2020 година ArcelorMittal Bremen е подписал договор с немската енергийна компания EWE и нейното дъщерно дружество wb Stadtwerke Bremen за изграждане на съоръжение за производство на „зелен” водород. На първия етап на площадката на металургичния завод ще бъде изградена инсталация за водородна електролиза с мощност до 24MW. Предвижда се водородът да се доставя на заводите на ArcelorMittal. SALCOS (Salzgitter Low CO2 Steelmaking) е съвместен проект на Salzgitter и партньори от Sunfire, Paul Wurth, Tenova, Avacon, Linde и Fraunhover.
Проектът се фокусира върху производството на желязо чрез директно редуциране с водород. SALCOS включва създаване на собствено производство на водород (проект GrinHy) и собствени мощности за производство на електроенергия от водород и вятър (проект WindH2). В момента заводите на Salzgitter отделят около 8 милиона тона въглероден диоксид годишно. Изпълнението на първата фазата на проекта SALCOS, с бюджет от 1,2 милиарда евро, ще намали емисиите на въглероден диоксид с 25% до 2025 година. Очаква се до края на 2022 година инсталацията GrInHy 2.0 да произвежда 100 тона водород, който ще се използва в производствените процеси. През май 2020 година е започнало и изграждането на 7 вятърни турбини, които съставляват Windpark Salzgitter. Те ще доставят електричество за производството на "зелен" водород. Общата мощност на турбините е 30MW.
HYFOR (Hydrogen-based Fine-Ore Reduction) е изследовстелски проект, който се осъществява от Primetals Technologies, Voestalpine Stahl Donawitz GmbH, Montan University Leoben и K1-MET. Проектът разработва технология за редуциране на концентрат на желязна руда с помощта на водород. Технологията може да работи с частици, по-малки от 0,15mm, което не изисква допълнителна подготовка на рудата след обогатяване. Планира се изграждането на пилотен завод в Донавице. Заводът ще включва три части. Първата част, е инсталацията за предварително нагряване (в която концентратът на желязната руда ще бъде нагрят до 900°C и след това ще бъде прехвърлен в инсталацията за редукция). Втората част, е инсталацията за подготовка на водорода. Третата част, е инсталация за редуциране.
В нея се подава водород за редуциране на желязото от концентрата. При това системата за оползотворяване на отпадната топлина (топлината от отпадъчните газове), ще осигури оптимално използване на енергията. Системата за сухо очистване от прах, ще намали праховите емисии от производствения процес. От инсталацията за редуциране напуска DRI при температура около 600°C, което може да се подава в електродъгова пещ или да се използва за производството на горещо брикетирано желязо. GISH (Grid Interactive Steelmaking with H2) е проект на Университета за наука и технологии в Мисури и Университета на Аризона(САЩ). Сред партньорите са Voestalpine, Nucor и Gerdau. Целта на GISH е да демонстрира система за производство на стомана, която комбинира технологии за директно редуциранe на желязо с производство на стомана с електрoдъгoво стапяне, заедно с производство на „зелен” водород.