文|Ana s Marechal

編輯|Meister Xia

導讀

鋼鐵行業是全球最大的溫室氣體排放者之一，鋼鐵是建筑、交通和可再生能源等領域不可或缺的材料，但其生產過程需要大量的能源，目前主要依賴于煤炭。本文分析了循環經濟、碳捕捉和利用、氫能等技術在鋼鐵低碳化中的作用和挑戰，以及歐盟和法國在產業重置方面的政策。鋼鐵行業如何實現低碳轉型？

一覽：

• 鋼鐵行業是世界最大的溫室氣體排放源，占全球總排放量的7%。
• 為了響應法國新通過的《綠色產業法案》并滿足不斷飆升的市場需求，法國鋼鐵行業正在努力實現煉鋼工藝的去碳化。
• 國際能源署認為，短期來看，發展循環經濟是最有前景的解決方案，但應優先鼓勵減少需求。
• “直接碳減排措施”和“智能碳利用”技術已經證明了其價值，但仍有待開發。
• 歐盟和法國致力于建立產業集群，通過匯聚資源來最大限度地降低成本，并減少對環境的影響。

法國于2023年10月11日通過了《綠色產業法案》，旨在實現各大產業的脫碳。該法案的推出具有重要意義：2022年[1]，法國工業排放的溫室氣體占總排放量的18.1%，其中鋼鐵行業面臨艱巨的脫碳任務。在法國，鋼鐵行業的溫室氣體排放量位居第四（占工業溫室氣體排放量的20%，全國總排放量的4%）。而在全球范圍內，鋼鐵行業則位居第一：煉鋼每年排放的二氧化碳高達28億噸，占全球溫室氣體排放量的7%[2] 。然而，對鋼鐵的需求仍在不斷飆升。鋼鐵是建筑和交通業的支柱，也是可再生能源生產的必需品——風力渦輪機三分之二以上的原材料都是鋼鐵！根據國際能源署（IEA）的預測，到2050年，全球對鋼鐵的需求量將增加三分之一以上[3]。

圖片來源： 國際能源署的部分分析，由Pauliuk、Wang和Muller(2013)、Cullen、Allwood和Bambach(2012)以及Gibon(2017)等人提供。

注：國際能源署（IEA）對全球鋼鐵需求量未來增長趨勢的預測，左縱軸單位為Gt/年，右縱軸單位為t/人。STEPS指繼續實行現有政策的未來情景、SDS指大力推行可持續發展的未來情景。

兩種主流煉鋼工藝

鋼鐵是鐵和碳的合金，主要有兩種生產工藝。第一種是鑄鐵煉鋼，占世界鋼產量的70%[4]：首先將煤熱解，產生焦炭。焦炭進入高爐后生成一氧化碳，還原爐中的鐵礦石，生成鑄鐵和二氧化碳。鑄鐵隨后送入轉爐，煉成鋼。另一種工藝是電爐煉鋼，這種方法被廣泛用于廢鐵的回收利用。除此之外，還有幾種替代方法，如電弧爐熔鐵：先用天然氣或煤炭直接將鐵礦石還原成鐵單質，隨后在電弧爐內轉化為鋼。

煉鋼需要消耗大量能源，高爐的熔化溫度高達1500°C。然而，在2019年，鋼鐵行業消耗的能源有四分之三都來自于煤炭。迄今為止，使用電爐對廢鐵進行回收利用是碳排放最低的選擇，所需的能源僅為礦石煉鋼的八分之一，并且使用電力而非燒煤。法國國立南錫高等礦業學院教授Fabrice Patisson稱，“我們需要提高廢鋼回收利用的比例，但這一行業深受資源的限制：例如，建筑物中存在大量的鋼材，但一用就是幾十年，無法得到回收利用?！?/p>

Fabrice Patisson，法國國立南錫高等礦業學院教授、法國洛林大學能源工程碩士專業點主任

短期和長期解決方案

短期來看，發展循環經濟是最有前景的解決方案。生產設備的更新是脫碳技術創新的基礎，畢竟，如今全球煉鋼設備的平均使用年限僅為13年，還不到其標準使用壽命的三分之一。IEA提出了一個到2050年將鋼鐵行業碳排放減半的前瞻性情景假設，其中指出，2020-2050年間累計減少的溫室氣體排放量必須有40%來自于循環經濟：具體手段包括延長建筑物的使用壽命、改進建筑設計、提高制造業的材料利用率、減少汽車的使用并減輕其重量、重復使用鋼材等。這些手段的共同點在于減少鋼的需求，從而減少能源的消耗，實現減排。

當然，還有一些其他解決方案。鑒于通用鋼的需求短期不會下降，所以減排的另一大手段便是少用煤炭。鋼鐵行業的溫室氣體排放量之所以高，主要是由于高爐中的化學反應和能量消耗會排放大量的二氧化碳。要想生產“綠鐵”，便需要借助電力或綠氫直接還原鐵礦石，而非用使用焦炭。之后，便可用電弧爐將“綠鐵”轉化為鋼。這項技術被稱為“直接碳減排措施”。Patisson 解釋道：“如今，直接還原工藝已廣為人知并得到廣泛應用——約占全球鋼產量的7%，但它主要依賴合成氣（一種從天然氣中提取的合成氣體），而合成氣中的氫氣只占60%左右。當前最大的挑戰是在工業規模上實現100%的氫氣使用?！?/p>

氫氣路線是最為先進的路線：2022年11月，歐洲敲定了60個鋼鐵脫碳項目，其中42個都基于氫氣[5]的使用。在瑞典，Hybrit試點項目自2021年以來一直在使用這種工藝生產綠鋼，它可以帶來85%的二氧化碳減排[6]。Patisson說：“從今往后，鋼鐵制造商的投資意愿和能力將會左右該行業的發展。”不過，這種生產工藝的能耗很高——如果氫氣生產全部來源于電解水制氫，則需要370太瓦時的電力才能實現歐盟所有通用鋼生產的脫碳[7]，占當前總發電量的14%[8]。

還有一條技術路線與“直接碳減排措施”相輔相成——即“智能碳利用”，涉及對現有生產工藝的升級改造。即便行業對高爐的使用已經爐火純青，但仍有改進的余地。例如，有研究表明，鋼鐵生產商購買的能源有一半以上都會在生產過程中被浪費掉[9]。根據IEA提出的到2050年將鋼鐵行業碳排放減半的前瞻性情景假設，現有技術搭配流程優化可將該行業在2020-2050年間的全球累計排放量減少21%。這包括部署熱回收系統、提高焦炭質量、用天然氣或生物能源部分替代煤炭，以及采用預測性維護工具等。

“在大規模部署清潔技術（如氫氣）之前，碳捕集與封存技術將在短期內卓有成效。”

智能碳利用還包括碳回收。與許多工業部門一樣，如果鋼鐵行業要在2050年前成功實現轉型，二氧化碳的捕集、回收及封存至關重要。IEA的數據顯示，現有的碳捕捉技術可以捕獲2020-2050年間6%的碳排放量，到2050年，捕獲率有望提高到每年25%。目前，世界上只有一個二氧化碳封存裝置已經實現商業化，地點在阿聯酋。還有幾個碳回收項目則正在開發中。Patisson補充道：“與其他行業相比，鋼鐵行業更容易進行二氧化碳捕集。在大規模部署清潔技術（如氫氣）之前，碳捕集與封存技術將在短期內卓有成效?！?/p>

最后，歐盟和法國也在致力于構建產業園區，以減少因產品的長距離運輸而帶來的碳排放。法國的能源組合本身碳足跡就相對較低，因此在溫室氣體減排方面具備優勢。當前，法國正在探索產業集群的建立，以打造產業生態圈。

圖盧茲國立綜合理工學院講師Marianne Boix解釋：“類似生態園區的產業集群，有利于各大生產商之間的資源互換。通過匯聚服務、供應鏈、能源和原材料，可以最大限度地降低對環境的影響和成本。”與“單打獨斗”的工廠相比，產業集群中的工廠最多可將溫室氣體排放量減少75%[10]。法國阿塞洛米塔爾公司（ArcelorMittal）在敦刻爾克的生產基地就是一個很好的例子：高爐的副產品爐渣作為建筑材料被回收利用，余熱則被輸送到敦刻爾克的市政供熱系統[11]。此外，該地還在新建兩座第三代壓水反應堆（EPR），以及一個綠色氫氣生產裝置，以便在未來為安賽樂米塔爾的氫基直接還原鐵裝置供應氫氣[12]。

Marianne Boix，圖盧茲國立綜合理工學院下屬國立高等化學工藝技術工程師學院講師

Boix總結道：“氫氣供應商的加入將為生態園帶來顯著的經濟和環境效益，也為法國的脫碳行動帶來了潛力巨大的機遇?！?/p>

參考資料

1.Citepa, 2023. Gaz à effet de serre et polluants atmosphériques. Bilan des émissions en France de 1990 à 2022. Rapport Secten éd. 2023.

2.https://joint-research-centre.ec.europa.eu/jrc-news-and-updates/eu-climate-targets-how-decarbonise-steel-industry-2022–06-15_en#_ftn1

3.https://www.iea.org/reports/iron-and-steel-technology-roadmap

4.Site internet consulté le 04/10/2023 : https:// worldsteel. org/about-steel/about-steel/

5.Site internet consulté le 04/10/2023 : https://www. eurofer.eu/issues/climate-and-energy/maps-of-key-low-carbon-steel-projects

6.https://doi.org/10.1051/mattech/2021023

7.Sylvie Cornot, La sidérurgie européenne se prépare pour être à la pointe de la décarbonation , Notes de l’Ifri, Ifri, janvier 2023.

8.https://www.consilium.europa.eu/fr/infographics/how-is-eu-electricity-produced-and-sold/#:~:text= Comment+l%27UE+produit%2Delle,électricité+nucléaire+plus+de+20+%25.

9.https://doi.org/10.1002/ente.201901230

10.https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.09.032

11.Site internet consulté le 05/10/2023 : https:// france.arcelormittal.com/engagements/environnement/economie-circulaire

12.Site internet consulté le 05/10/2023 : https:// france.arcelormittal.com/neutralite-carbone/dri-hydrogene