无化石钢铁的发展之路

— 白皮书 无化石钢铁的发展之路 如何实现可持续发展的未来 2 — 前言 目前，全球炼钢业正经历着一场历史性变革，而这种变革需要全球钢铁供应链上下游企业通力合作，方可获得成功。本报告旨在深入分析钢铁生产过程中需做出变革的根本原因以及无化石钢的发展路径。同时，报告还将介绍目前全球钢铁制造商和行业同仁如何通过技术创新为行业发展作出重要贡献。 尽管通向净零排放的过程不可能一蹴而就，但行业在发展过程中也已取得不少可喜的进展。作为钢铁及有色金属行业重要的供应商和合作伙伴，我们坚信，通过紧密合作，钢铁业可持续发展的未来一定可以实现。 为了推动钢铁产业的未来发展，我们与全球具有领先地位的行业伙伴开展合作，共同开发创新性节能减排解决方案，同时优化运营，以期在这一过程中降本增效并提高生产力。 对于广大合作伙伴一如既往的紧密配合以及对本报告的大力支持，我谨代表ABB在此表示由衷的感谢。让我们砥砺前行，共创无化石钢铁的未来。 顺祝商祺， FrederikEsterhuizen ABB钢铁及有色金属业务全球负责人 本白皮书获得了以下行业领先机构的大力支持，谨此表示由衷的感谢： 美国钢铁技术协会–AIST 安普朗 SSAB 塔塔钢铁 — 目录 4引言 5钢铁生产为何亟需变革？ 6钢铁行业脱碳的重要驱动力 7钢铁业低碳发展的技术路径 8何为绿色钢铁？ 9专家释疑：“如何定义绿色钢铁“？ 10需要克服的障碍 12全球市场策略与行动规划 瑞典–无化石钢发展之旅的先行者美国-清洁能源推动绿色钢铁发展印度–绿色钢铁发展的未来愿景中国–绿色钢铁生产的蓬勃发展 巴西–在可持续钢铁生产领域占据“有利地位” 18直面挑战：实现钢铁行业可持续发展 19合作共铸无化石钢铁的未来 20钢铁生产商当前可采取的行动 21ABB的2030可持续发展战略 22结语 22术语表 23参考文献 WHITEPAPER:WHATDOESTHEJOURNEYTOFOSSIL-FREESTEELLOOKLIKE? 4 — 现代社会的基础设施建设离不开以可持续钢铁为基础的现代解决方案。 — 引言 钢铁是世界上最有价值、应用最广和最常回收利用的材料之一。凭借高比强度、可锻性和成本效益优势，钢铁被认为是公共基础设施（如建筑物、桥梁和铁路）以及车辆和家电制造等领域不可或缺的材料。 由于钢铁具有经久耐用的特性，因此被视为实现可持续发展的重要材料。但为了实现净零碳排放目标并保证钢铁可作为对环境无害的资源，我们需要对炼钢过程本身进行彻底变革，以最终实现钢铁行业的绿色发展。 本报告就如何实现无化石钢铁的工业发展路径进行研究，并介绍何为绿色钢铁，同时阐述这一概念对全球发展的意义。本报告还将概述当前钢铁生产所面临的挑战，并分析绿色钢铁生产的全球发展趋势，包括瑞典、美国、印度、巴西和中国等主要钢铁生产市场。 重要的是，此报告不仅涵盖了与SSAB、塔塔钢铁和安普朗等钢铁行业领先生产企业专家的访谈内容，同时也包括来自美国钢铁技术协会以及技术提供商ABB等机构的专家观点。 WHITEPAPER:WHATDOESTHEJOURNEYTOFOSSIL-FREESTEELLOOKLIKE? 5 — 钢铁的生产过程 如要了解钢铁行业脱碳的难度，必须先知晓钢铁生产的方法。钢铁可以通过铁矿石或回收的废钢来生产，而这些原料决定了钢铁是初级钢（主要由铁矿石组成）还是再生钢（由废钢组成）。 这些分类还与炼钢的方法相关：初级钢的冶炼绝大部分是通过一体式高炉转炉(BF-BOF)进行，而再生钢的冶炼则使用电弧炉(EAF)进行。 根据世界钢铁协会(WSA)的数据，目前有71%的钢铁是采用高炉转炉(BF-BOF)工艺生产，剩余29%的钢铁是采用电弧炉(EAF)工艺生产7。 这两种方法的主要区别在于生产过程中使用的原材料。传统的BF-BOF方法使用煤作为还原剂、能源和最终产品中的碳源。由于其对煤的大量消耗，BF-BOF技术在钢铁生产过程中碳排放量非常高。相比之下，EAF技术使用回收的钢铁和电力，其能耗仅为BF-BOF技术的八分之一8。 — 钢铁生产为何亟需变革？ 目前钢铁制造过程中碳排放和能源消耗量巨大。全球范围内，钢铁行业约占全球能源需求的8%，产生二氧化碳排放占全球总排放量的7%到9%，这其中大部分排放来自燃煤1,2。 为了满足《巴黎协定》的气候变化标准以及将全球升温较工业化前水平控制在1.5°C以内的目标，钢铁行业必须在2050年之前实现净零排放的目标3,4。而基于全球钢铁需求到2050年将增长30%这一预期，钢铁行业亟需进行彻底的变革5。 然而，钢铁行业进行低碳转型面临着巨大挑战，这是因为“碳”对于目前的炼钢而言是不可或缺的一部分。问题并不在于缺少相应的技术解决方案，而在于向低碳技术转型所涉及的成本与复杂性。因此，钢铁行业被归为六大“难以脱碳”的行业之一6。 — 钢铁行业脱碳的重要驱动力 除了满足《巴黎协定》的要求外，推动钢铁行业脱碳的驱动因素可分为3大类：监管要求、商业因素和社会因素。 1.监管要求 世界各国政府都在加强对温室气体(GHG)排放的监管。在欧洲，《欧洲气候法》已将“欧洲绿色协议”中制定的目标正式写入相关法律，包括2030年将温室气体排放量降低55%的过渡性目标9。此外，政府间的贸易安排也会对钢铁行业的相关标准产生影响，比如目前欧盟与美国正在就钢铁与铝行业的相关协议开展磋商，其中就包括对产生高碳排的钢铁互加关税的内容10,11。 2.商业因素 随着全球企业纷纷开展脱碳运营以满足监管法规的减排要求，对无化石钢铁的需求日益增长。例如，全球主要汽车生产厂商开始转向无化石钢铁，以便从根本上降低价值链层面（范围3）的碳排放12。 3.社会因素 无论在世界的哪个角落，人们对环境和气候变化的话题都更加关注13。同时，围绕着环保责任的公众情感也影响着投资者的决策，并出现了可持续发展方面的投资增长趋势。“气候变化机构投资者集团(IIGCC)”便是这样一个投资机构。该机构由350名成员单位组成，拥有超过55万亿美元的资产14。IIGCC成员致力于开展可持续性融资并采取多项举措支持负责任的投资，其中就包括一项专门为钢铁行业制定的脱碳战略和行动计划15。 — 为了实现将全球温升控制在1.5°C以内的目标，钢铁生产正经历着革命性的行业变革。图片来源：安普朗 — 钢铁业低碳发展的技术路径 为了实现严苛的减排目标，钢铁行业必须改变炼钢的技术方法。需要注意的是，不存在一种放之四海而皆准的单一解决方案，目前有多种技术方案正处于研发过程中。至于选择哪一种技术方案，很大程度上取决于生产商所处的地理位置以及可用的配套资源。 简而言之，初级钢的生产可以通过三种途径实现脱碳：碳捕获、氢气或电化学。 碳捕获与封存 碳捕获与封存(CCS)涵盖多种技术，用于捕获二氧化碳废气并将其封存于一个不能进入大气的储存区域。这被看作低碳发展的第一步，可以与传统的BF-BOF炼钢技术结合使用。 利用氢气直接还原 如果用氢气代替碳作为炼钢中的还原剂，产生的唯一排放物就是水，而非二氧化碳。这种利用氢气进行钢铁制造的技术发展与生产“绿”氢的能力相辅相成。绿氢是采用电解技术和无化石电力进行制备的氢气。如果氢气是通过天然气的蒸气重整进行制备，则必须采用CCS工艺来捕获排放的CO2。通过这种方式制备的氢气被称为“蓝”氢。 许多钢铁生产商采用的一种技术路线是DRI-EAF，通过这种工艺，可以将直接还原铁(DRI)在电弧炉(EAF)中进行熔化并与可用的废钢结合来生产钢铁。 电化学 这是一种基于电解的工艺，使用电能而不是传统的冶炼来熔化铁矿石。 — 何为绿色钢铁？ “绿色钢铁”这一名词如今已家喻户晓，通常是指使用低碳排放技术生产的钢铁。然而，关于如何定义“绿色钢铁”，行业内依然众说纷纭。比如它是指零碳或零排放的钢铁吗？‘绿色’是否应该包含比单纯排放更多的因素？它是指从原材料的最初使用到废钢再循环的整个过程都明确不使用化石燃料吗？ 需要注意的是，国际能源署(IEA)和世界钢铁协会(WSA)等组织在其正式文件中既未定义、也未提及“绿色钢铁”这一术语。而世界钢铁协会在其气候变化政策文件中将低碳钢定义为“使用相关技术和实践进行制 造、其二氧化碳排放明显低于传统生产方式的钢铁。”19 — 使用相关技术和实践进行制造、其二氧化碳排放明显低于传统生产方式的钢铁 –世界钢铁协会 — 专家释疑： “如何定义绿色钢铁“？ 美国钢铁技术协会执行总监RonAshburn： “就行业如何定义绿色钢铁这一问题，业内尚未形成共识。但无论如何定义，绿色钢铁都必须切实可行而不是流于空谈，可以实施且同时遵循这一名词的原本内涵——即在生产过程中不会加剧对环境的影响。对绿色钢铁的定义不应迎合较低标准的群体，而是应设定高标准。” ABB企业研究中心资深首席专家ShivaSanderTavallaey： “钢铁生产的最终目标应该是从铁矿开采到炼钢、再到使用和回收的全过程都实现净零碳足迹，这才是真正的绿色钢铁。但首先我们必须努力实现炼钢过程的净零碳足迹。” SSAB公司可持续业务副总裁ThomasHörnfeldt： “我们更愿意谈论非化石钢铁，即生产过程中不产生化石二氧化碳排放的钢铁。” 安普朗南美公司首席执行官FredericoAyresLima： “尽管‘绿色钢铁’一词最终意味着生产对环境的影响，但在安普朗，我们更倾向于倡导‘负责任地生产钢铁’这一理念，并通过环境、社会和治理(ESG)责任对其进行定义——这些责任必须贯穿于生产过程的每一个步骤。” 塔塔钢铁公司企业可持续发展负责人AmitKumar： “由于钢铁有多种生产方式，并且在实现碳中和的进程中有诸多中间步骤，因此很难定义绿色钢铁。对于塔塔钢铁而言，我们在努力实现ResponsibleSteel™倡议所设定的标准，并采取相应措施以实现2045年碳中和的目标。” — 需要克服的障碍 实现净零排放目标充满挑战，尤其是像钢铁这样减排艰难的行业，主要挑战包括： 成本 无论是通过对现有资产进行改建、迭代升级，还是利用低碳能源，钢铁生产向绿色转型意味着巨大的成本。根据麦肯锡的预测，钢铁生产在进行低碳转型时，前期投资成本将达到4.4万亿美元，到2030年，钢铁生产的成本将会比目前增加30%20。 氢尚未形成使用规模 根据国际能源署(IEA)的数据，绿氢在2030年之后才可实现大规模商业应用——目前全球专用氢的生产中仅有不到0.1%来自水电解21。与此同时，人们正在探索蓝氢的可行性——蓝氢是在配备了碳捕获与封存技术(CCS)的设施中使用化石燃料进行制备的氢。然而，主要挑战仍在于如何大规模生产以满足预期的需求。根据国际能源署的可持续发展方案，到2050年，全球对氢的需求将增至287Mt，这意味着较2020年增加400%以上22。 绿色电力匮乏 为支持电解制钢或再生钢制钢（废钢-电弧炉路线）的规模提升，低碳发电量需要大幅增加。为了使其2021年零碳方案能够顺利实施，国际能源署明确，到2030年，每年风能或太阳能等可再生能源的发电量需要增长12%以上。同时，国际能源署也提到2023年太阳能光伏发电能力呈显著增长态势23,24。 优质矿石资源有限 尽管直接还原铁-电弧炉(DRI-EAF)技术已经成熟并已在当今投入使用，但这种技术需具有67%以上铁含量的优质矿石资源（DR级），而目前DR级矿石仅占全球供应量的4%25。此外，麦肯锡的数据研究表明，尽管在未来十年中DRI产量将大幅度扩张，但由于原材料危机，供应将远远无法满足实际需求26。 废钢资源短缺 以目前估算来看，约有85%的可用废钢被回收利用27。但即使这个数字达到100%，业已明确的一点是，在短期内供应量仍然较低。目前，废钢的数量无法满足实际需求，而这种短缺的情况预计到2050年都无法改变。 获取无化石碳和石灰的途径 碳和石灰是钢铁生产的重要成分。其中碳是所有钢铁生产中的必要成分，而生石灰作为