Водородная металлургия что это
Опытный завод по производству низкоуглеродистой стали в северной Швеции мог бы значительно сократить выбросы углерода в отрасли.
Проект под названием Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology (Водородная технология производства железа, HYBRIT) нацелен на замену кокса, который традиционно используется при производстве стали, водородом, получаемым при помощи возобновляемой электроэнергии. Как кокс, так и водород могут быть использованы в качестве восстановителя для удаления примесей из железной руды. При традиционном производстве стали углерод в коксе реагирует с кислородом в железной руде с образованием углекислого газа. Если вместо кокса используется водород, то он реагирует с кислородом в железной руде с образованием водяного пара.
Участники проекта считают, что он может значительно обезуглеродить сталелитейную промышленность в Швеции и других странах. Действительно, сталелитейная промышленность в целом постоянно стремится повысить эффективность своих процессов, и производство тонны стали в настоящее время требует 40% той энергии, которая была необходима в 1960 году.
Mårten Görnerup, генеральный директор совместного предприятия, объясняет сроки реализации проекта:
В нужном месте, в нужное время
В настоящее время большая часть водорода производится в процессе, называемом паровым риформингом, который включает использование высокотемпературного пара для извлечения водорода из природного газа, ископаемого топлива. Что особенного в процессе HYBRIT, так это то, что весь водород получается путем пропускания электрического тока через воду в процессе, который называется электролизом. Несмотря на то, что это энергоемко, если требуемое электричество может быть получено из возобновляемых источников, выбросы углерода во всем процессе незначительны.
Швеция оказалась идеальным местом для реализации HYBRIT технологии из-за комбинации нескольких факторов.
Завод будет использоваться для проведения экспериментальных кампаний, чтобы найти оптимальные условия для сокращения выбросов CO2. Проект даст более четкое понимание того, что происходит внутри взаимосвязанной промышленной системы и как добиться эффективного производственного процесса.
Мартин Линдквист, президент и главный исполнительный директор SSAB, добавляет:
Подсчет стоимости
Правительство Швеции оказывает широкую поддержку HYBRIT, и в июне проект получил крупнейший финансовый вклад Шведского энергетического агентства в общей сложности 528 млн шведских крон, что эквивалентно 51,3 млн евро.
Хотя первоначальные исследования показывают, что производственные затраты HYBRIT будут примерно на 20–30 процентов выше, чем традиционные процессы выплавки стали, ожидается, что этот разрыв со временем сократится, что может привести к увеличению затрат на выбросы углекислого газа через систему торговли выбросами Европейского союза и ожидается снижение стоимости возобновляемой энергии.
Если HYBRIT будет успешным, последствия для будущего производства стали в мире могут быть значительными. Гернеруп заключает:
Водородная металлургия: на 40 лет впереди паровоза
Постоянно растущая стоимость квот на выброс парниковых газов в ЕС подталкивает европейских металлургов к поиску принципиально новых технологических решений. Отсюда и увлечение тематикой водородной металлургии. Вот только интерес к безуглеродному производству стали опережает реальные возможности в этой сфере по крайней мере на 40 лет. А может быть, и больше.
С «зеленым» уклоном
Крупнейший в мире горно-металлургический концерн ArcelorMittal в середине сентября подписал рамочное соглашение о сотрудничестве с компанией Midrex Technologies, владеющей технологией производства прямовосстановленного железа DRI в виде металлизированных окатышей.
Договоренности включают проектирование и строительство установки для выпуска 100 тыс. т. DRI в год на заводе ArcelorMittal в Гамбурге. Это очень скромные объемы: во всем мире по итогам 2018 г. было получено 84,102 млн т. Впрочем, и глобальное производство DRI обеспечивает лишь небольшую часть потребностей металлургов.
При этом DRI используется только в электропечах, а для них основное сырье – металлолом. Из всего объема глобального стального производства на электрометаллургию приходится 23-27%. Т.е. пока DRI не может соперничать с традиционными видами железорудного сырья: окатышами, концентратом и агломератом.
Во-первых, выпуск DRI требует большого расхода природного газа. Поэтому основное производство сосредоточено в Иране, Индии, Египте, Мексике и ОАЭ. Во-вторых, для развития электрометаллургии необходимо два важных условия: обеспеченность металлоломом и дешевая электроэнергия.
С первым в ЕС нет проблем. По итогам 2017 г. европейское потребление лома достигло 93,35 млн т. При этом еще 20 млн т. было экспортировано. Но при этом едва ли не во всех европейских странах тарифы на электроэнергию чрезвычайно высоки. По этой причине электрометаллургия там убыточна.
С другой стороны, повышение стоимости квот на выброс парниковых газов в Евросоюзе ведет к постоянному удорожанию традиционной выплавки стали в конвертерах. Эта технология подразумевает агломерацию ЖРС и выплавку из него чугуна в доменных печах. Как раз эти стадии процесса дают наибольший объем вредных выбросов.
Выброс пыли в расчете на 1 т передельного чугуна составляет порядка 4,5 кг, сернистого газа – 2,7 кг, марганца – 0,1-0,5 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества. При работе аглофабрик в атмосферу поступают пыль и оксиды серы. Также доменный процесс предусматривает использование кокса. А коксохимическое производство само по себе является источником вредных выбросов.
Поэтому многое зависит от административного регулирования со стороны властей – готовы ли они снижать тарифы на электроэнергию, поощряя своих металлургов переходить на выплавку электростали. Нет сомнений, что квоты на выбросы для стальных производителей в ЕС будут с каждым годом все дороже – в соответствии с обязательствами Еврокомиссии в рамках Парижского климатического соглашения снизить выбросы по ЕС к 2050 г. до нулевого уровня.
Но и электроэнергия при этом тоже не дешевеет – на фоне отказа от атомной и тепловой энергетики в пользу электроэнергии из возобновляемых источников. Отсюда интерес к водородной металлургии, подразумевающей восстановление железа из рудного концентрата при помощи водорода – без агломерации и плавки чугуна. Еще одним несомненным преимуществом DRI является чистота получаемого металла. В нем отсутствуют примеси серы и фосфора, попадающие в чугун из угольной шихты.
Подводные камни «белого» водорода
Существующее производство металлизированных окатышей DRI и HBI можно считать первым этапом водородной металлургии. Но здесь для восстановления железа используется так называемый «серый» водород, получаемый из обычного природного газа, который подается в печь с рудной шихтой. А когда речь заходит о водородной металлургии, подразумевается «белый» водород – т.е. предварительно полученный чистый газ.
И вот здесь начинаются сложности. Во-первых, есть вопросы с транспортировкой и хранением. Понятно, что хранить водород в виде газа не очень разумно: для этого требуются резервуары, выдерживающие давление в 20 МПа. Тогда как в промышленной безопасности опасным производством считается объект, на котором работает оборудование под давлением 0,07 МПа.
Теоретически есть еще вариант хранения в связанном состоянии – в виде гидрида металлов. Но для этого лучше всего подходят редкоземельные металлы типа галлия. Как следует из их названия, встречаются они редко и в малых количествах. Поэтому такой способ для промышленного использования водорода не пригоден.
Не меньше проблем и с его получением. Себестоимость H2 при паровой конверсии природного газа – 5 долл./кг. Водород из биомассы и из угля при его газификации будет стоить 5-7 долл./т. Учитывая, что производство 1 т DRI требует 90 кг водорода, получим себестоимость готового продукта свыше 500 долл./т. Для сравнения: стоимость чугуна, который предлагали производители из Украины и России нынешним летом для поставок в США – 355-365 долл./т на условиях CIF порты Нового Орлеана. Цена DRI с использованием «серого» водорода примерно соответствует ценам на стальной лом – плюс/минус.
ArcelorMittal, SSAB и другие
Отсутствие предпосылок к промышленному использованию «белого» водорода не останавливает компании, желающие подчеркнуть свою приверженность инновациям и стремление к экологичности. Так, вышеупомянутый проект ArcelorMittal и Midrex Technologies подразумевает переход на «зеленый» водород из возобновляемых источников энергии – как только это станет доступно в достаточных количествах по экономическим затратам.
Энергия для производства водорода может поступать от ветряных электростанций у побережья Северной Германии, пояснили в ArcelorMittal Germany. Кстати, в этом году в Германии анонсировано строительство завода по производству 13 тыс. т водорода в год. Но, как следует из немецких СМИ, продукцию предприятия планируется использовать для транспортной отрасли, а не металлургии. И пока что авторам проекта не удалось решить вопрос о привлечении инвестиций.
Между тем шведская металлургическая компания SSAB еще в феврале 2018 г. договорилась с местной энергетической компанией Vattenfall о строительстве завода для выплавки стали без эмиссии углекислого газа – т.е. путем получения DRI из «белого»/»зеленого» водорода. Поставки сырья на будущее предприятие обязалась обеспечить шведская железорудная компания LKAB.
Вот только начнутся эти поставки еще очень нескоро. С 2020 по 2024 гг. SSAB предполагает проводить лабораторные исследования, затем – построить пилотный комплекс мощностью 500 тыс. т. DRI в год с применением «серого» водорода.
На этом комплексе к 2035 г. планируется отработать технологию использования «белого» водорода для промышленного внедрения. И уже тогда к 2045 г. SSAB собирается полностью уйти от выбросов углекислого газа при выплавке стали. Т.е. пока что договоренности SSAB – не более чем декларация благих намерений. Удастся ли компании уложиться в заявленные сроки – никто не знает. Но в любом случае это довольно отдаленная перспектива.
О намерении перейти на водородную металлургию заявили и в Великобритании. Там в начале сентября текущего года правительство даже выделило на эти цели 390 млн фунтов стерлингов. Понятно, что этих денег хватит только на научно-экспериментальные разработки – и еще не факт, что они увенчаются успехом. Ну а для промышленного внедрения безуглеродного производства стали потребуются суммы на порядок больше.
Тем не менее британцы в этом аспекте даже оптимистичнее, чем их шведские коллеги: переход на водородную металлургию анонсирован к 2030 г. Хотя и это, если разобраться, будет еще не скоро.
Подпишитесь на Минпром в Telegram, чтобы оставаться в курсе важных новостей
«Зеленая» металлургия: новый рынок для водорода
Декарбонизация добралась до черной металлургии. Спасение — в водороде.
Жесткие требования к повсеместному снижению эмиссии CO2 запускают новый виток конкуренции между европейскими металлургическими концернами. Выигрывает тот, кто может снизить выбросы и для этого отказаться от использования угля как источника энергии. В этой борьбе с, казалось бы, самими основами черной металлургии компании с надеждой смотрят на водород.
В нашем докладе мы оценивали мировой рынок водорода к 2040 году до 82,2 млн тонн в год[1]. По оценкам Hydrogen Council еще 15 млн тонн в год добавит растущий спрос на водород в черной металлургии. До 10% стали в мире к 2050 году будет производиться с использование водорода[2].
Пример этого спроса показывает один из гигантов мирового рынка стали — Arcelor Mittal, который разработал новую технологическую стратегию, нацеленную на декарбонизацию своего производства, в которой особый акцент делается на технологиях «прямого предотвращения» эмиссии парниковых газов (CDA)[3]. Ее основа — прямое восстановление железной руды водородом (H-DRI). Этот давно известный, но не востребованный широко вне задач «борьбы с CO2» процесс имеет шансы получить новый шанс. В этом году компания планирует запустить новый проект на заводе в Гамбурге, чтобы впервые использовать водород в промышленных масштабах для прямого восстановления железной руды водородом в процессе производства стали. Уже сегодня на заводе в Гамбурге действует один из самых эффективных производственных процессов группы Arcelor Mittal, использующий в установке прямого восстановления (DRI) природный газ.
Спрос на водород с низким «углеродным следом» формирует хорошее окно возможностей для поставок российского водорода зарубежным металлургам, которые в 2017 году по технологии DRI с использованием природного газа произвели 80 млн тонн стали [4].
Водородная металлургия что это
Чистые металлы из водорода
Существует технология, использование в которой водорода позволяет сэкономить энергоресурсы (кокс, уголь), получить больший выход готовой продукции из сырья, сократить цикл производства с одновременным повышением качества и улучшением экологического состояния атмосферы. Это металлургия, а именно – восстановление металлов с помощью водорода.
Предыстория, или Вперед в прошлое за чистыми металлами
Уже в XIV веке стали появляться примитивные горны и домницы, положившие начало современным металлургическим процессам: доменному, мартеновскому и конвертерному. Обилие каменного угля и железных руд надолго закрепили эти методы как основные. Однако, повышающиеся требования к качеству продукции, экономия ресурсов и экологическая безопасность привели к тому, что уже в середине XIX века стали возвращаться к истокам: использовать прямое восстановление чистых металлов. Первая современная такая установка появилась в 1911 г. в Швеции, выпускавшая малые партии полученных с помощью водорода металлов чистотой 99,99%. Потребителями тогда были лишь исследовательские лаборатории. В 1969 г. в Портленде (США) заработала фабрика, выпускавшая до 400 тыс. тонн чистых металлов. А уже в 1975 г. в мире этим способом выпускалось 29 млн тонн стали.
Сейчас такую продукцию ждут не только авиационная, приборостроительная отрасль, предприятия по изготовлению медицинских инструментов и электроники, но и многие другие. Особое преимущество эта технология получила в цветной металлургии, но в недалекой перспективе и «водородная черная металлургия».
Как сейчас используют водород для производства чистых металлов
Металлы крайне активные элементы, поэтому легко вступают в соединения (оксиды, сульфиды, хлориды и пр.) и в природе не встречаются в чистом виде. При производстве стали требуется чистый металл, а количество примесей строго регламентируется для поддержания заданных физических и химических параметров. Традиционные способы переработки руды не полностью удовлетворяют современным требованиям, поэтому металлургические заводы, загрязняющие атмосферу и водоемы выбросами, должны перестраиваться на экологичное производство.
Достойной альтернативой стало прямое восстановление металлов водородом. Полученное губчатое железо, окатыши или металлические частички идут на дальнейшую переработку для получения сплавов. Это полностью безотходное производство. Принцип обработки заключается в протекании химической реакции замещения ионов металла в связке с кислородом на ионы водорода. В результате оксиды разрушаются, высвобождается чистый металл и образуется вода. Например: CuO + H2 = Cu + H2O. Это вариант переработки медной руды. Получающийся в результате порошок становится сырьем порошковой металлургии.
Существуют два способа восстановления чистого железа. В первом варианте руда разогревается с применением твердого топлива или газа, состоящего из угарного газа и водорода. Полученные окатыши идут на дальнейшую переработку. Второй выгодно отличается от первого тем, что в процессе участвует только водород. На выходе – два вещества: чистый металл и вода. При этом скорость процесса увеличивается, а примеси отсутствуют. Этот вариант наиболее подходит к получению тугоплавких металлов типа вольфрам, титан. Одна из причин того, что этот процесс пока не стал массовым – это сложность получения, хранения и транспортировки чистого водорода. Но перечень неоспоримых преимуществ достаточен для того, чтобы ученые вплотную занялись решением этих проблем.
Преимущества использования водорода при производстве чистых металлов
Применение водорода как восстановителя обладает рядом преимуществ:
• нет необходимости в доменном переделе, производстве кокса и агломерата, поэтому многократно снижаются выбросы диоксида серы, пыли и прочих загрязнителей воздуха;
• расход воды уменьшается в 2–3 раза, и, следовательно, снижается количество сточных вод;
• выделяемый пар можно вторично использовать (предварительно сконденсировав);
• отсутствие карбидов, серы, фосфора и прочих примесей в конечном продукте;
• экономия энергоресурсов, повышение коэффициента использования сырья и сокращение производственного процесса;
• получение новых материалов – металлических порошков, обладающих после спекания повышенными: износоустойчивостью, жаропрочностью, стойкостью к химическому воздействию.
С помощью водорода получают не только чистые металлы, но и готовые изделия. Это метод газофазного формования из вольфрама тонкостенных деталей или плотных заготовок под последующую обработку давлением. Принцип работы: в результате реакции замещения из оксида при повышенной в 5–10 раз концентрации водорода образуется вода, а чистый вольфрам осаждается на графитовую или металлическую матрицу, которая затем удаляется, а готовое изделие полностью повторяет заданные очертания. Этот способ дает более чистый металл, чем при проведении такой же реакции, но с применением углерода, т. к. не образуются карбиды.
Для хранения водорода нужны большие емкости, что зачастую нецелесообразно. Поэтому его доводят до сжиженного состояния, но в таком случае необходимо запастись криогенными емкостями. Еще более удобный способ хранения – это изготовление металлогидридов. Суть метода основывается на способности редкоземельных металлов вступать в соединения с водородом, накапливая газ объемом в 500 тысяч раз больше, чем сам металл-носитель.
Если криоемкость с жидким водородом вдруг повредится и сжиженный газ вытечет наружу, то его пары исчезнут мгновенно. Так что вероятность горения или взрыва стремится к нулю.
Компания DP Air Gas предлагает клиентам водород газообразный технический марок А (99,99%) и Б (99,95%), соответствующий ГОСТ 3022–80. В баллонах содержится 6 м3 газа. Для удобства клиентов компания осуществляет доставку не только баллонов, но и реципиентов, а также баллонов, соединенных в моноблоки по 8–12 шт. в связке с единым выходом. Качество нашей продукции сертифицировано и постоянно проверяется в лаборатории. С полным ассортиментом можно ознакомиться здесь.
Перспективы и недостатки водородной энергетики
Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.
По этим способам его разделяют на цветовые градации.
Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.
Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.
Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.
Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.
Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.
Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм
Водородная энергетика
На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.
В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.
Перспективы отрасли
Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.
В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.
Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.
В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:
В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.
Как сделать ремонт и не сойти с ума
Преимущества водородной энергетики
Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.
Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.
Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.
Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.
Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.
Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.
Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.
Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.
В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.
Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.
Недостатки водородной энергетики
Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.