Зеленая сталь

Точные оценки годовых выбросов мировой сталелитейной отрасли различаются в разных источниках в зависимости от года и учитываемых границ системы. [1] ссылается на доклад МЭА World Energy Outlook за 2023 год, согласно которому в предыдущем году на производство стали пришлось 8 % выбросов CO₂ и 6 % выбросов парниковых газов. [4] оценивает прямые выбросы при производстве железа и стали в 2,6 Гт CO₂ в 2019 году, что равно 7 % мировых выбросов CO₂ энергетической системы. [3] оценивает долю отрасли примерно в 7-8 % антропогенных выбросов парниковых газов, используя более широкие границы отрасли. Цифра 8 % в сценарии в основном взята из [1], но также служит округлённым обзором этих пересекающихся оценок.

Выбросы углекислого газа транспортным сектором по всему миру в 2024 году, по оценкам, достигли 9 ГтCO₂ из общего оценочного объёма в 41,6 ГтCO₂ (то есть всех антропогенных выбросов CO₂ от использования ископаемого топлива и LULUCF [землепользования, изменений в землепользовании и лесного хозяйства], с учётом антропогенного поглотителя за счёт карбонизации цемента) ^[5,6]. На авиацию (международную и внутреннюю) пришлось заявленные 9,9 % выбросов транспортного сектора, что равно 2,14 % мировых выбросов CO₂ (чуть менее миллиарда метрических тонн). На судоходство (международное, внутреннее и рыболовное) пришлось заявленные 10,67 % выбросов транспортного сектора, что равно 2,31 % мировых выбросов CO₂ ^[5,6].

Более раннее допандемийное сравнение, использующее отдельные исследования авиации и судоходства и тот же общий объём мировых выбросов CO₂, позволяет полезно проверить эту оценку за 2024 год и даёт в целом похожий результат. В 2018 году мировая авиация выбросила примерно 1,034 ГтCO₂ ^[7], а судоходство - примерно 1,056 ГтCO₂ ^[8]. Совокупные выбросы, таким образом, составили примерно 2,090 ГтCO₂. По сравнению с общим объёмом Global Carbon Budget в 42,5 ГтCO₂ за тот же год ^[6], на авиацию и судоходство вместе пришлось примерно 4,92 %. Доля в 8 % выбросов сталелитейного сектора, таким образом, была бы примерно на 3,08 процентного пункта выше, или в 1,63 раза больше совокупных авиационно-судоходных выбросов. Здесь сравниваются только годовые выбросы CO₂, без дополнительных эффектов потепления от авиации, не связанных с CO₂.

На момент написания это лучшие доступные данные для прямого сравнения секторов, по возможности основанные на свежих, авторитетных источниках (например, данные о выбросах судоходства от Международной морской организации). Но к таким сравнениям нужно относиться осторожно, потому что опубликованные оценки могут охватывать немного разные виды или категории парниковых газов, деятельности и источников выбросов.

Во-первых, разные исследования могут указывать только CO₂, все парниковые газы или значения в эквиваленте углекислого газа (CO₂-экв), куда входят такие газы, как метан и закись азота, взвешенные по их потенциалу глобального потепления относительно CO₂. Эти показатели нельзя взаимозаменять или напрямую сравнивать без единых стандартов, и представление одного вместо другого может заметно изменить кажущуюся долю выбросов сектора. Источники, исследования и отчёты организаций часто не дают сразу понять, какой именно показатель (/тип измерения выбросов) использован, и регулярно указывают один, хотя на деле имеют в виду другой (например, пишут ‘CO₂’, когда имеют в виду ‘CO₂-экв’).

Во-вторых, важен выбор глобальной базы сравнения: некоторые сравнения проводят только с выбросами CO₂, связанными с энергетикой, а другие включают все антропогенные источники, такие как землепользование, изменения в землепользовании и лесное хозяйство (LULUCF), что определяет знаменатель и, соответственно, рассчитанную долю сектора в процентах.

За выбросами международного судоходства особенно сложно следить, потому что они в основном происходят в международных водах. Исторически данные часто брали из продаж бункерного топлива, а не из прямого мониторинга движения судов, что добавляло неопределённости. Сейчас IMO сочетает методы продаж топлива, активности судов (моделирование AIS) и распределения по рейсам, и оценки могут различаться в зависимости от используемых методов. Похожая ситуация и с данными по авиации. Вместе с упомянутыми проблемами при публикации цифр это может заметно расширять диапазон доступных оценок мировых выбросов, даже для одного и того же сектора или вида деятельности.

Ежегодно производится 1,892 Гт стали, из которых 52 % используется в строительстве (983,84 Мт стали).

[14] указывает, что площадь городских территорий в мире увеличивалась на 9 687 км² в год с 1985 по 2015 год. Это равно (9 687/365 =) 26,539 км² в день.

Площадь Манхэттена составляет 59,1 км^2 A.: 59,1/26,539 = 2,2 дня

Однако стоит отметить, что нынешние темпы роста могут быть ещё выше. Всемирный банк ^B оценивает (по состоянию на апрель 2023 года), что к 2030 году в мире появится 1,2 млн км² новой городской застройки. Это соответствует среднему годовому темпу расширения городов за всё десятилетие 2020-х примерно в 120 000 км² в год, 328,77 км² в день или 13,698 км² в час - то есть площадь Манхэттена будет застраиваться каждые 4 часа.

Можно привести и другие сравнения: Если ежегодно в строительстве используется 983,84 Мт стали (см. выше), это равно 2,7 Мт в день. Для сравнения, мост Золотые Ворота в Сан-Франциско, США, содержит ~75 000 метрических тонн стали ^C, то есть из стали, используемой в строительстве за день, можно было бы построить ~36 мостов Золотые Ворота. Или в Эмпайр-стейт-билдинге содержится ~51 700 метрических тонн стали ^D,E, то есть из стали, используемой в строительстве за день, можно было бы построить ~52,2 Эмпайр-стейт-билдинга.

^A Обзор Нью-Йорка | NYMTC

^B Обзор городского развития | Группа Всемирного банка

^C Статистика проектирования и строительства | Статистика и данные | Golden Gate

^D Столичное отделение ASCE | Эмпайр-стейт-билдинг

^E Эмпайр-стейт-билдинг | Самые высокие башни мира

94 % добываемой руды - железная руда, а 98 % железной руды используется для производства стали. Поэтому 98 % от 94 % равны 92 %. Это расчётная оценка по массе, а не измеренная статистика.

[39] приводит максимальное потенциальное сокращение выбросов на величину до 85 %; однако это может быть применимо не везде, и источник не даёт чёткого полного определения границ системы для своей оценки. На практике сокращение выбросов может сильно зависеть от доли металлолома в электродуговой печи, структуры источников выработки электроэнергии и масштаба рассматриваемых более широких границ системы. Тем не менее WorldSteel ^F сообщает о столь же больших различиях между маршрутами производства стали на основе руды и переработки лома: в среднем по миру 2,34 т CO₂/т нерафинированной стали для традиционного маршрута доменная-печь/кислородный-конвертер и 0,69 т CO₂/т для маршрута металлолом/электродуговая печь, что соответствует среднему сокращению примерно на 70,5 %.

^F Отчёт об индикаторах устойчивого развития 2025 | Всемирная ассоциация стали

Утечка - это выход CO₂ из предусмотренного хранилища через скважину, разлом, трещину или покрышку - с возможным попаданием в другую геологическую формацию, грунтовые воды, на морское дно или в атмосферу. Сбой хранения может включать утечку, но также означать чрезмерное давление, неожиданную миграцию или потерю приемистости, из-за которой объект не может работать как задумано, даже если CO₂ не попадает в атмосферу. Ни то ни другое не ожидается на правильно выбранном и управляемом объекте. Правила ЕС требуют, чтобы предлагаемые объекты доказывали отсутствие значительного риска утечки и поддерживали планы мониторинга и корректирующих мер.

Замена «угля в доменной печи» означает замену самого традиционного этапа восстановления в доменной печи на угле газовым прямым восстановлением, которое обычно происходит в отдельной шахтной печи/печи прямого восстановления; это не означает прямую замену угля ископаемым газом в той же доменной печи.

Другие методы прямого восстановления железа (DRI) заметно различаются по уровню выбросов. [60] предполагает, что DRI на угле может сократить выбросы на 38 % по сравнению с традиционным доменно-конвертерным способом. Ископаемый газ, однако, с его обычной смесью CH₄, H₂ и CO сокращает выбросы на 61 %. Полная замена ископаемого газа на H₂ может сократить выбросы на 97 %. Однако это не универсальные оценки, и точная экономия выбросов зависит не только от основного восстановителя в процессе, но и от остальной конфигурации DRI, структуры энергоснабжения и границ системы. Важно, что выбросы от производства H₂ до его использования в производстве стали не включены в оценки DRI на водороде. Для производства зелёного водорода используется низкоуглеродная электроэнергия, но выбросы всё равно могут быть связаны с транспортом и инфраструктурой (см. ниже). Хотя DRI на ископаемом газе даёт меньше выбросов, чем уголь, ископаемое топливо всё равно используется, так что выбросы неизбежны.

Зелёный водород получают, используя электроэнергию из возобновляемых источников для расщепления воды на водород и кислород в процессе электролиза. Это устраняет выбросы от производства водорода из ископаемого топлива. Когда водород поступает в процесс выплавки стали на стадии восстановления железа, чтобы отделить железо от руды, он реагирует с оксидами железа в руде и соединяется с кислородом, образуя водяной пар вместо CO₂.

Однако более широкий процесс всё равно может вызывать некоторые выбросы. Эти косвенные, сопутствующие выбросы могут возникать из-за инфраструктуры для производства, перевозки и хранения зелёного водорода или из-за электроэнергии из электросети, энергобаланс которой ещё не полностью безуглероден. Поэтому на практике водород, который называют «зелёным», не всегда производится исключительно с помощью электроэнергии из возобновляемых источников энергии на всех этапах процесса.

Таким образом, сталь на зелёном водороде может очень близко подойти к нулевым выбросам, но не обязательно достичь абсолютного нуля выбросов CO₂. В реальности сталь, произведённая с использованием возобновляемого водорода, даёт примерно 0,08 кг CO₂ на кг стали ^[67].

У синего и серого водорода сопутствующие выбросы определяются точнее. Серый водород обычно производят из ископаемого газа с помощью процесса паровой конверсии метана (SMR), который выделяет водород из метана в смеси ископаемого газа и выбрасывает CO₂. Сейчас это самый распространённый и дешёвый способ производства водорода. Синий водород получают тем же базовым способом, но вместе с технологией улавливания и хранения углекислого газа (CCS), чтобы большая часть этих производственных выбросов не попадала в атмосферу. Поскольку процесс улавливания обычно не захватывает всё, синий водород всё равно создаёт некоторые выбросы в атмосферу.

Когда любую из этих форм водорода используют, чтобы отделить железо от руды, сама реакция восстановления всё равно производит только воду, а не CO₂. Главное различие - в выбросах на предыдущих этапах, возникающих при первоначальном производстве водорода. Меньшие выбросы также могут оставаться на других этапах выплавки стали, в том числе из-за электроэнергии и углерода, используемых в электродуговой печи.

Согласно [67], производство стали с использованием синего водорода даёт примерно 0,22 кг CO₂ на кг стали, если улавливается 85 % выбросов от производства водорода. Для сравнения, традиционная сталь на угле даёт 1,87 кг CO₂, а сталь на угле с улавливанием углекислого газа - 0,38 кг CO₂, при этом для неё предполагается отдельная степень улавливания в 80 % ^[67].

Более 95 % водорода, используемого в мире, производится из ископаемого газа, в основном без какого-либо улавливания углекислого газа. Если этот обычный серый водород используется при производстве стали DRI на водороде, [67] оценивает выбросы примерно в 0,7 кг CO₂ на кг стали ^[67]. Это заметно ниже, чем при традиционном производстве стали на угле, но значительно выше, чем у стали, произведённой с использованием зелёного водорода.

В этих расчётах большая часть оставшихся выбросов - это те, что не были уловлены CCS, потому что она не улавливает весь CO₂, образующийся при традиционной выплавке стали или производстве синего водорода.

Поэтому потенциальное сокращение выбросов более чем на 95 % описывает оптимальный вариант DRI с зелёным водородом, а не универсальный результат для всех видов стали на водороде ^[60,67]. [67] оценивает примерно 0,08 кг CO₂ на кг стали для своего варианта с возобновляемым водородом; по сравнению с 1,87 кг CO₂/кг для традиционной стали на угле это означает сокращение на 95,7 % ^[67]. В конечном счёте результат зависит от производства водорода, углеродной интенсивности электроэнергии, используемого сырья и лома, а также от более широких границ системы и учёта выбросов.

Сталь - не чистое железо: это сплав, который обычно содержит небольшое, тщательно контролируемое количество углерода, придающего ей нужные свойства. Поэтому даже когда на первом этапе - восстановлении железа - водород заменяет углерод, при превращении железа в сталь всё равно нужен углерод.

Производители стали также используют углерод для нескольких технических задач внутри электродуговой печи, которые подробно не рассматриваются в фильме. Среди них - регулировка конечного содержания углерода (включая науглероживание), удаление оставшегося кислорода (раскисление) и образование шлака (Когда сталь плавится, примеси всплывают наверх и образуют жидкий слой отходов, называемый шлаком. Углерод, впрыскиваемый в смесь, реагирует с железной рудой и создаёт пузырьки угарного газа, из-за которых шлак превращается в пену. Этот пенистый слой шлака помогает защитить печь от сильного жара и улучшает её работу, удерживая тепло внутри расплавленного металла и снижая нужные затраты энергии).

Стальной лом служит в первую очередь переработанным источником железа и готовой стали (металлической шихтой), а не заменой специально добавляемого углерода, хотя углерод, уже содержащийся в ломе, влияет на конечный углеродный баланс печи. Поэтому при выплавке стали в электродуговой печи всё равно может потребоваться добавить ещё углерода.

Остатки биогенных отходов потенциально могут стать дополнительным источником углерода, но сначала их нужно переработать в подходящую форму биоуглерода или биоугля. Подготовленные подходящим образом пластиковые отходы и отслужившие свой срок шины тоже могут быть углеродистыми восстановителями или средствами для вспенивания шлака либо помогать вырабатывать энергию, заменяя часть обычного кокса или угля, которые иначе пришлось бы использовать.

Однако большинство пластиков и большая часть углерода в шинах изначально получены из ископаемого топлива, поэтому при их использовании всё равно может выделяться ископаемый CO₂. Поэтому экологическая польза зависит от используемого отхода (состава сырья), способа его обработки (предварительной подготовки), того, сколько нового добытого (первичного) ископаемого углерода он заменяет, работы печи и того, какие этапы жизненного цикла учитываются. Использование отходов может снизить спрос на обычный ископаемый углерод, но не делает процесс автоматически безуглеродным.

Сталь, произведённую водородным методом, испытывают в разных странах:

[76] Германия, [77] Австрия, [78] Нидерланды, [79,80] Великобритания, [81] Южная Корея