气候技术值得关注：清洁钢铁（英）

气候技术值得关注：清洁钢 汉娜男孩|2023年6月 低碳钢对能源转型至关重要。钢铁脱碳是一段漫长的旅程，而且在竞争激烈的情况下，支持性的研发和贸易政策对成功至关重要。 KEYTAKEAWAYS 钢铁产量占全球总排放量的8-10％，是最大的贸易排放的单一工业来源。 有几种既定的技术可以减少钢铁行业的排放 也有希望的新生途径，可以大大减少温室气体排放炼钢过程。 降低钢铁生产碳强度的大多数途径还不广泛 商业部署；然而，几个试点项目正在试验碳捕集现有的生产方法以及创新的低碳生产方法。 新的生产工艺和技术比 与现有的方法。这些技术将需要成为成本竞争力传统的钢铁生产方法被广泛采用。 美国是温室气体排放量较低的钢铁生产工艺的领导者。尽管如此，对大幅减少部门排放的新生产途径的支持是 需要通过支持性的研发和贸易政策。 itif.org CONTENTS 钥匙外卖1 WhatIs净零钢andWhyIsIt重要？2 清洁钢的RoleintheEnergy过渡2 Pathwaysfor钢Production3 脱碳途径3 Global进展4 ProgressintheUnitedStates5 钥匙Policy问题5 Looking前进7 尾注8 什么是净零钢，为什么它很重要？ 钢是现代生活中不可或缺的材料，对许多行业都是必不可少的，包括运输、建筑和能源。净零钢的功能与 传统钢材，但没有净温室气体(GHG)排放。 由于钢铁行业的复杂性，不太可能出现单一的全球脱碳技术途径；然而，能效投资的组合；电气化； 碳捕集与封存(CCS)；低排放炼钢技术提供了有前途的行业脱碳的途径。加快创新，降低成本，以及 减少温室气体排放，政府需要实施联邦和私人创新政策以及支持性的监管和贸易政策。 洁净钢在能源转型中的作用 钢铁对于实现全球能源系统的广泛脱碳至关重要， buildings,manufacturing,andtransportation.Steelproductionbyitselfisalsoresponsiblefora 全球二氧化碳份额上升(CO2)排放。生产的每吨钢都会产生一个平均1.9吨CO2排放，整个行业负责7 和9%的全球CO2排放量。1如果全球钢铁行业是一个国家，它将排名世界第三的CO2排放量。2 钢铁需求预计将上升，部分原因是对风力涡轮机、太阳能的需求增加阵列、电动汽车和其他清洁能源解决方案。目前全球钢铁需求为1,985百万吨，中国产量近55%，其次是印度、日本和美国 在过去的50年里，产量增加了两倍。3国际能源署（IEA） 预计到2050年，全球钢铁需求将增长三分之一以上。4Industries 将需要全球净零解决方案来满足这种需求的增长，同时减少排放。 钢铁生产的途径 钢铁生产有三种主要方法： 1.高炉-鼓风氧炉（BF-BOF）钢的生产是一个过程，通过它的原料铁矿石以及碳源(主要是煤或天然气)、石灰石和小 钢屑的百分比转化为原钢使用大量的能源。 在高温高炉中冶炼铁，并将石灰石送入高炉以去除杂质。然后将铁水或生铁与钢一起送入转炉废金属，在那里用氧气喷砂以进一步去除杂质。 2.电弧炉（EAF）使用电流熔化废钢 合金。然后可以将液态钢铸造成次要形状并形成最终钢产品。5 3.直接还原铁（DRI）可以代替电弧炉中的主要液态钢。它是通过使用还原气体还原铁矿石而产生的。还原气体-称为 “合成气”，它是氢气的混合物(H2)和一氧化碳(CO)-通常是由天然气或煤制成，但可以用低碳氢代替。 在BF-BOF和EAF工艺完成后，可以对热钢进行成型和精加工成钢筋等长材产品、钢板板等扁材产品或专业 通过添加合金的钢铁产品，包括不锈钢和高级航空 andautomotivesteel.Finally,theseproductsarefinishedandshipped,eitherviabarge,shipping 集装箱，铁路或卡车到建筑工地，使用钢材作为输入的工厂，或一些其他后处理。 由于较低的能量需求,使用EAF途径生产的钢的碳强度较低。 然而，在全球范围内，BF-BOF途径更为普遍，占70％以上全球生产能力。6 脱碳途径 有几种经过商业验证的技术可以帮助减少碳排放。 美国钢铁生产的足迹，例如增加电弧炉生产的可再生能源，以及能源效率措施。随着电网变得不那么碳密集，由于 增加可再生能源的使用，与电弧炉钢铁产品相关的排放将 continuetodecline.Therearealsoremainingenergyefficiencyimprovementsattheplantlevel 仍未开发。钢铁厂也可以继续投资于改善现场能源依赖于集成传感器、5G电信、机器学习、 预测性维护，以及智能制造原则，进一步提高能效。 目前存在于台式和中试规模演示规模的技术可能会提供有希望的途径进一步脱碳现有钢铁生产。最有前途的完全脱碳途径是使用低碳氢作为还原剂，与DRI- EAF工艺（DRI-H2）。该途径结合了已经商业化的DRI 工艺，使用低碳氢，而不是天然气，以及电弧炉工艺。 另一个潜在的技术途径是碳捕获，利用和储存（CCUS） 技术，可以在现有或新的BF-BOF和DRI工厂上进行改装。CCUS由 捕获CO2从烟囱，隔离它，并将其运输到长期储存或重复使用。结果是低排放的钢铁产品。7 直接铁电解仍处于发展的早期阶段，但有潜力充分 如果使用无碳电力，则使炼钢过程脱碳。已经有几条路线在实验室规模进行测试，包括高温熔融氧化物电解和低温水性电解沉积。8两种方法都涉及使用电解从矿石中提取铁。 图1：低碳钢生产的途径 钢是一种固有的碳基产品，因此完全去除碳要么成本很高根据技术途径，效率低下或技术上不可行。即使行业可以有效实施上述脱碳途径，该行业可能会 需要抵消或直接空气等碳负技术的残余排放捕获、生态系统保护或其他生态方法。 全球进展 降低钢铁生产碳强度的大多数途径还不广泛商业部署。氢突破炼铁技术(HYBRIT)设施 瑞典卢勒奥，瑞典钢铁生产的SSAB，瑞典钢铁之间的合资伙伴关系 矿石生产商LKAB和瑞典电力生产商Vattenfall是第一家大规模使用DRI-H2工艺的示范设施。其他几家全球钢铁公司已经 宣布计划试点和部署商业规模的DRI-H2设施，合计产能约2000万吨，承诺至少500亿美元 资本。9 第一家也是唯一一家全面运营的CCS-DRI钢铁厂是320万吨的AlReyadah 阿布扎比的设施，能够捕获80万吨二氧化碳2每年从天然气。捕获的CO2然后用于附近的提高石油采收率气田。10两个集成 全球钢铁生产商美国钢铁公司和安赛乐米塔尔公司宣布了CCS钢铁项目，位于在法国、挪威、比利时和美国的俄亥俄河谷。然而，规模、范围、 预计完工日期的数据仍然是粗略的，除了最初的项目之外，几乎没有细节公告。11 更新生的直接铁电解途径有几个研究和开发(R&D) Siderwin是一个欧盟资助的项目，正在研究一种低温水溶液 到十年中期具有商业可扩展性的解决方案。12如果成功，该技术具有有可能大幅减少原生钢生产的总排放量-约为95 %或更多 美国的进步 美国的钢铁生产已经低于全球的碳密集型 竞争对手的碳排放量比全球平均水平低75%至320%，取决于生产途径。13美国最近采取了几项措施 立法投资于低排放钢铁生产途径和刺激吸收和私营部门 投资于新技术。2022年的《减少通货膨胀法》（IRA）包括58亿美元先进工业设施部署计划，为创新工业提供资金 碳减排技术，特别是在钢铁等难以削减的行业。IRA和 基础设施投资和就业法案为相关技术提供了进一步的激励措施如CCS和低碳氢。 美国刚刚开始实施更新、更具变革性的脱碳 钢铁行业的技术。能源部(DOE)化石能源办公室和 碳管理公司宣布向克利夫兰悬崖提供150万美元的赠款，用于设计工业-高炉-转炉炼钢工艺的规模CCS系统。14和波士顿金属公司，它开发了用于替代炼钢过程中使用的化石燃料的铁水电解平台 可再生能源发电公司计划在十年中期之前扩大其早期技术的规模。15 关键政策问题 生产清洁钢的新兴技术途径面临重大挑战，需要 额外的联邦和私人研究、开发和示范(RD&D)支出， 除了更广泛的监管和基础设施支持以促进可再生能源的增长，氢和CO2管道。 最重要的障碍之一是与净零碳相关的高额外成本 钢。目前通过BF-BOF设施生产的原始钢平均价格从450美元到 每吨600美元，取决于地点和产品。国际能源机构报告说，所有当前的技术 $430 $115 （传统BF-BOF成本：360美元/吨CS） CCS成本 燃油 $315 其他运营支出 资本支出 原材料 可能显著减少部门排放的途径在10%到50%之间 比目前的生产流程更昂贵-对全球来说，这是一个巨大的成本溢价贸易商品。16联邦政策应侧重于持续的研发，这将导致 可部署的创新，降低成本并提供与传统钢铁同等的价格技术。DRI-H2途径需要廉价和容易获得的低排放 氢气，目前比传统的碳密集型产品贵两到三倍氢。 最近的联邦立法，如激励CCUS和绿色氢包括在IRA 将有助于推动这些技术的部署，并带来净零的好处。突破 Energy发现，在某些情况下，IRA中授权的税收优惠可能会使净零与现有技术相比，钢铁成本具有竞争力。17此外，钢铁升级伙伴关系和减排(SUPER)法案，该法案被纳入 2022年，美国能源部授权美国能源部建立其首个先进，低排放钢的研发计划技术。18假设该计划获得资金，它可能有助于加速商业化 对钢铁行业脱碳至关重要的技术。 图2：使用CCUS改造BF-BOF工厂（45Q封存信贷：$50-$85/tCO2)19 $500 $450 $400 $350 $300 $250 $200 $150 $100 $50 $0 IRA前成本IRA信贷IRA净影响 $560 $190 （传统DRI-EAF成本：450美元/吨CS） 燃油 其他运营支出资本支出 $370 原材料 IRA前成本 IRA信贷 IRA净影响 图3：使用绿色H作为DR2I-EAF的燃料（45V绿色氢生产信贷：31美元/kgH）202 $600 $500 $400 $300 $200 $100 $0 最后，各国越来越意识到支持监管和贸易的必要性解决排放密集型全球贸易行业竞争力的政策。国家 追求昂贵的国内努力以减少排放，担心其他国家会利用钢铁等行业出口成本较低、较高碳钢，面临碳成本的行业 进入那个国家，或者制造商将转移到没有这种碳排放的国家 penalties.OneproposedsolutionistheEuropeanUnion’scarbonborderadjustmentmechanism(CBAM)，这将对工业进口征收与碳相当的碳价格 国内生产商面临的价格。21美国正在考虑一项基于关于国内生产的钢铁的相对低碳强度，这将对 进口产品的排放量超过同等美国制造的产品。22 向前看 为了到2050年实现净零排放，大幅减少排放的技术途径 Theemissionsfromthesteelsectormustbeimplementedatscale.Thesetechnologieswillneedto 与传统的钢铁生产方法相比具有成本竞争力。最近的联邦和私人政策和投资以及支持性贸易提案旨在刺激创新和部署 这些低碳技术的规模。钢铁脱碳是一段漫长的旅程，随着竞争激烈，支持性的研发和贸易政策对成功至关重要。 Acknowledgments 作者要感谢EdRightor和RobinGaster对本报告的帮助。 关于作者 HannahBoyles是ITIF清洁能源创新中心的研究助理。以前， Boyles是WeldonCooper中心和ROMAC实验室的研究助理 弗吉尼亚州夏洛茨维尔，并在美国能源协会实习。博伊尔斯持有弗吉尼亚大学航空航天工程理学学士学位。 关于ITIF 信息技术与创新基金会（ITIF）是一个独立的501（c）（3）非营利、无党派的研究和教育机构，一再被认为是