Глобальный зеленый водород
Nature Communications, том 14, номер статьи: 2578 (2023) Цитировать эту статью
7136 Доступов
53 Альтметрика
Подробности о метриках
На сталелитейный сектор в настоящее время приходится 7% мировых выбросов CO2, связанных с энергетикой, и он требует глубокой реформы, чтобы отказаться от ископаемого топлива. Здесь мы исследуем рыночную конкурентоспособность одного из широко рассматриваемых способов декарбонизации при производстве первичной стали: прямого восстановления железной руды на основе зеленого водорода с последующей выплавкой стали в электродуговой печи. Анализируя более 300 местоположений с помощью комбинированного использования оптимизации и машинного обучения, мы показываем, что конкурентоспособное производство стали на основе возобновляемых источников энергии расположено недалеко от тропика Козерога и Рака, характеризующегося превосходной солнечной энергией с дополнительным береговым ветром, а также высококачественной железной рудой. и низкая заработная плата сталеваров. Если цены на коксующийся уголь останутся высокими, сталь, не содержащая ископаемого топлива, может достичь конкурентоспособности в благоприятных регионах с 2030 года, а к 2050 году ее дальнейшее улучшение будет продолжаться. с прямым сокращением и будущей конфигурацией цепочки поставок.
В настоящее время ископаемое топливо является кровеносной системой сталелитейного сектора: 27 ЭДж (1018 Дж) угля, 3 ЭДж газа и 5 ЭДж (1400 ТВтч) электроэнергии ежегодно потребляются для производства наиболее широко используемого металла на Земле1, выбрасывая в атмосферу в среднем 2 тонны CO2 на тонну стали и являются причиной 7% глобальных выбросов CO2, связанных с энергетикой2. В 20213 году было произведено 1,95 миллиарда тонн стали, а к 2050 году ожидается увеличение до 2,19 миллиарда тонн, учитывая, что к 2080 году мировой спрос приблизится к 250 кг на душу населения. дуговых печей (ЭДП), спрос на которые к 2050 году увеличится до 50%, как прогнозирует Паулюк и др.5, при условии сохранения эффективного сбора лома, контроля загрязнения и торговли. Исчерпывающие меры по повышению эффективности использования стали, включая повышенную долговечность, возможность повторного использования и минималистичный дизайн, могут снизить спрос на первичную (рудную) сталь потенциально до 40%6. Однако глобальный экономический прогресс и рост населения противодействуют перспективам сокращения спроса на сталь; прогнозы выбросов требуют принятия срочных совместных мер по смягчению последствий со стороны предложения и спроса7. Большой сегмент будущего спроса на сталь, вероятно, придется удовлетворять за счет первичной стали, в ходе которой произойдет сокращение объемов выбросов углеродистой железной руды, если использование нынешней технологии будет продолжено.
В ответ на необходимость декарбонизации дополнительные меры, такие как повышение энергоэффективности и частичный переход на топливо (биомасса или водород) для предприятий, работающих на ископаемом топливе, будут недостаточными для выполнения климатических обязательств сталелитейного сектора; Доменная печь должна быть модернизирована с использованием технологии улавливания углерода или поэтапно прекращена8. С другой стороны, технология глубокой декарбонизации появилась в различных масштабах сокращения выбросов, технической осуществимости, экономической жизнеспособности и зрелости развития. Хотя электросталеплавильные печи можно легко декарбонизировать с помощью возобновляемых источников энергии, наиболее многообещающими вариантами декарбонизации производства железа являются: (i) прямое восстановление железа (DRI) на основе зеленого водорода (H2), (ii) DRI на основе природного газа (NG). с улавливанием, использованием и/или хранением углерода (CCUS), (iii) традиционным доменным производством (ДП) или восстановлением плавки (SR) с частичным замещением угля биомассой и CCUS, и (iv) прямым электролизом железной руды9,10,11 . Решения по улавливанию CO2 до сих пор имели весьма ограниченный успех в сталелитейном секторе; только одна установка ДР на базе природного газа работает с CCUS12. Модернизация существующих доменных печей с использованием CCUS, несмотря на то, что она желательна из-за использования существующих активов, еще не была опробована и не является эффективным методом снижения выбросов, учитывая множество точек выбросов и изменчивость концентрации CO2 в дымовых газах13. Представляя собой совершенно другое направление, как H2-DRI, так и электрохимическое получение представляют собой решения, основанные на возобновляемых источниках энергии, где углерод в качестве восстановителя полностью заменяется водородом или электричеством соответственно. Будучи революционной технологией, электродобыча в настоящее время является непомерно дорогостоящей и, как ожидается, достигнет коммерческой готовности в долгосрочной перспективе (после 2040 года)14. Для сравнения, H2-DRI в сочетании с электродуговой печью (ЭДП) (называемая H2-DRI-ЭДП) широко рассматривается как ведущий вариант глубокой декарбонизации, несмотря на целый ряд проблем, которые необходимо решить15, благодаря активизации промышленных инвестиций16, успешным пилотный проект шведских предшественников17 и коммерческое производство запланировано к 2025 году18.
Up to this point, our global assessments have been made based on steel production facilities with 1 Mtpa capacity, allowing an ‘apples to apples’ cost comparison. However, significant growth in green H2-DRI-EAF steel manufacturing in certain regions could be hindered by resource constraints and industrial development status. To assess the production system feasibility at scale, national green H2-DRI-EAF steel industries were sized according to the hypothetical utilisation of extracted ore given the following rates of technology diffusion (i.e. H2-DRI-EAF steel output of total steelmaking potential): 30% in 2030, 50% in 2040 and 60% in 2050. Using our optimisation modelling results (with 25% scrap charge to EAF), an indicative picture of resource requirements is provided in Table 1 for 2050 (with complete analysis given in Supplementary Data). Land intensity rates of 45 MW/km2 and 8 MW/km2 for solar panels and onshore wind turbines, respectively, were assumed41, alongside a water demand rate of 12 L/kg H2 for electrolysis (considering 33% losses and 9 L/kg stoichiometric minimum) and water recycling rate of 9 L/kg H2 during DRI. Land availability for RE infrastructure was determined within the regions where iron ore mines exist (rather than the entire country) and constrained by 50% of the available shrubland, herbaceous vegetation and sparse vegetation given by the Copernicus Global Land Cover Map(2020)." href="/articles/s41467-023-38123-2#ref-CR42" id="ref-link-section-d238605590e1022"42./p>