Производство стали приводит к значительным выбросам углекислого газа. Чтобы декарбонизировать производство стали и его высокие выбросы углекислого газа, исследователи Fraunhofer, TS ELINO GmbH и Salzgitter AG работают над переводом существующего сталелитейного завода на климатически нейтральные методы производства.
Целью является производство стали путем прямого восстановления железной руды водородом, что позволило бы полностью заменить вредный кокс в качестве восстановителя. Водород, необходимый для этого метода, производится с использованием процессов электролиза с использованием электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников энергии. В целом это может сократить выбросы углекислого газа до 97%. Таким образом, декарбонизация сталелитейной промышленности внесет значительный вклад в защиту климата.
Сталь обладает многими полезными качествами и содержится практически во всех продуктах, ключевыми свойствами которых являются прочность, ковкость и стабильность. Будь то здания, транспортные средства, машины или бытовая техника , сталь является незаменимым компонентом, но, по данным Центра компетенции по смягчению последствий изменения климата в энергоемких отраслях промышленности (KEI), при производстве стали ежегодно выбрасывается около 55 миллионов тонн CO 2 . только в Германии. Таким образом, на сталелитейную промышленность приходится около 28% общих выбросов CO 2 , производимых немецкой промышленностью. Это связано, прежде всего, с использованием кокса, который необходим в доменных печах для удаления кислорода из железной руды и извлечения чугуна.
Работа по разработке новых технологий по декарбонизации производства ведется уже много лет. Институт керамических технологий и систем Фраунгофера IKTS, институты-партнеры Института системных и инновационных исследований Фраунгофера ISI и Института технологий окружающей среды, безопасности и энергетики им. Фраунгофера UMSICHT, а также Salzgitter AG сосредоточены на прямом восстановлении на основе водорода.
При прямом восстановлении в реакторе железная руда реагирует с водородом при высокой температуре. Этот водород действует как восстановитель и удаляет оксид железа из железной руды. Остаётся сырой чугун. «Используя электричество из возобновляемых источников энергии, производство водорода полностью исключает выбросы CO 2. Это означает, что, применяя экологически чистый водород в производстве сырой стали, мы можем сэкономить до 97% вредного углекислого газа», — объясняет доктор Маттиас. Ян, руководитель отдела энергетики и технологического проектирования Fraunhofer IKTS.
Зеленый водород от высокотемпературного электролиза
В принципе, зеленый водород производится с помощью электролиза, при котором применяется электрическое напряжение для разделения пара на водород и кислород. В частности, высокотемпературный электролиз на основе твердооксидных электролизеров (SOEC) имеет в Fraunhofer IKTS долгую историю. Учитывая, что отходящее тепло высокотемпературных процессов можно использовать для повышения электрического КПД, это дает значительные преимущества по сравнению с другими процессами электролиза, особенно при производстве стали.
Исследователи Fraunhofer IKTS разработали собственные электролизные ячейки и батареи и использовали собственные эксплуатационные данные для технико-экономической оценки концепции процесса. Более того, консорциум продемонстрировал осуществимость нового процесса как в исследовании MACOR, так и в последующем проекте BeWiSe.
Демонстрационная установка на территории компании
Запустив новый проект BeWiSe, исследователи и их промышленные партнеры продолжают оптимизировать всю технологическую цепочку с точки зрения эффективности использования ресурсов и энергии. Для этой цели была построена демонстрационная установка прямого восстановления размером ок. Высота 30 метров также используется в помещениях Salzgitter AG.
Например, в рамках проекта исследуется возможность использования биогенных материалов в качестве заменителя угля и природного газа для регулирования содержания углерода, необходимого в стали. Учитывая, что большое количество воды требуется, помимо прочего, для электролиза при производстве сырой стали, в проекте также уделяется внимание тому, как оптимизировать использование воды. В результате вода, образующаяся при восстановлении железной руды водородом, должна быть по возможности переработана для повторного использования.
Исследователи вкладывают весь свой опыт, который варьируется от высокотемпературного электролиза, мембранных процессов разделения газов и очистки воды до моделирования процессов и моделирования предприятий с использованием цифровых двойников. «Нас не удовлетворяет просто предоставление выборочных решений и лабораторных установок. Мы стремимся предложить Salzgitter AG комплексную технологическую поддержку на всех этапах процесса», — заявляет Грегор Герц, менеджер группы моделирования и моделирования в Fraunhofer IKTS.
Доктор Александр Редениус, руководитель отдела ресурсоэффективности и развития технологий в Salzgitter Mannesmann Forschung, добавляет: «В течение шести лет мы успешно работаем с исследователями Фраунгофера над преобразованием производства стали. Демонстрационная установка прямого восстановления позволяет нам оптимизировать процесс восстановления и понять, как он взаимодействует с другими этапами процесса. Благодаря этой работе мы создаем основу для устойчивого производства стали с низкими выбросами CO2 ». Компания планирует перевести треть своего производства стали на экологически безопасный процесс с использованием водорода уже к 2026 году.
