在城市 在波士顿北部郊区马萨诸塞州沃本市，一群身着白大褂的工程师和科学家正在霓虹灯照明的实验室空间内的桌子上检查一堆整齐的砖块大小的炮铜灰色钢锭。
他们所看到的是一批采用创新制造方法制造的钢材， 波士顿金属十年前从麻省理工学院分拆出来的公司希望能够彻底改变几个世纪以来合金的制造方式。该公司声称，通过利用电力将铁从矿石中分离出来，它可以在不释放二氧化碳的情况下炼钢，从而为清理世界上温室气体排放最严重的行业之一提供了一条途径。
钢铁是工程和建筑的重要投入，是世界上最受欢迎的工业材料之一，其用途超过 2十亿 每年生产吨。然而，这种丰富的代价是高昂的 环境。炼钢占 7 11％ 的全球温室气体排放量，使其成为大气污染的最大工业来源之一。并且因为生产可以 上升 到 2050 年，这种环境负担可能会增加三分之一。
这对应对气候危机提出了重大挑战。联合国 说 大幅削减工业碳排放对于将全球变暖控制在 1.5 年巴黎气候协议规定的 2015 摄氏度以内至关重要。据预测，要实现这一目标，钢铁和其他重工业的排放量到 93 年必须下降 2050% 估计 由国际能源署。
面对政府和投资者不断加大的减排压力，许多钢铁制造商（包括主要生产商和初创企业）正在试验使用氢或电的低碳技术，而不是传统的碳密集型制造。其中一些努力已接近商业现实。
巴黎研究智库 IDDRI 的能源经济学家克里斯·巴塔耶 (Chris Bataille) 表示：“我们谈论的是一个资本密集型、规避风险的行业，这种行业的颠覆极为罕见。”因此，他补充道，“这令人兴奋”，同时发生了这么多事情。
尽管如此，专家们一致认为，要对一个翻身的全球行业进行转型 $ 2.5 万亿 2017 年，员工人数超过 6万人 将需要付出巨大的努力。除了及时扩大新工艺以实现全球气候目标的实际障碍之外，人们还对中国感到担忧，全球一半以上的钢铁产自中国，其钢铁行业脱碳计划仍然模糊。
巴塔耶表示：“像这样的行业脱碳当然不是一个容易解决的问题。” “但是别无选择。该行业的未来以及我们气候的未来就取决于此。”
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现代炼钢涉及 几个生产阶段。最常见的是，铁矿石被粉碎并变成烧结矿（粗糙的固体）或球团。单独地，煤炭被烘烤并转化为焦炭。然后矿石和焦炭与石灰石混合并送入大型高炉，从底部引入极热的空气流。在高温下，焦炭燃烧，混合物产生液态铁，称为生铁或高炉铁。然后，熔化的材料进入氧气炉，通过水冷喷枪用纯氧吹扫，迫使碳脱除，留下粗钢作为最终产品。
这种方法最初由英国工程师 Henry Bessemer 在 1850 年代获得专利，它以不同的方式产生二氧化碳排放。首先，高炉中的化学反应会导致排放，因为焦炭和石灰石中的碳与空气中的氧气结合，产生副产品二氧化碳。此外，通常燃烧化石燃料来加热高炉并为烧结和球团厂以及焦炉提供动力，并在此过程中排放二氧化碳。
高达70% 世界上 的钢铁是通过这种方式生产的，产生 近两吨二氧化碳 每生产一吨钢。这 剩下的 30% 几乎都是通过电弧炉制成的，电弧炉使用电流来熔化钢铁（主要是回收的废料），并且具有 二氧化碳排放量低得多 比高炉。
但由于废钢供应有限，并不是所有未来的需求都能通过这种方式得到满足，旧金山能源和气候政策公司能源创新的行业项目总监兼建模主管杰弗里·里斯曼 (Jeffrey Rissman) 表示。他说，如果政策到位，到 45 年，回收可满足全球需求的 2050%。 “其余部分将通过锻造原生矿石钢来满足，这是大部分排放的来源。”
因此，他补充说，“如果钢铁行业认真对待”其气候承诺，“就必须从根本上重塑材料的制造方式，而且要相当快地做到这一点。”
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正在测试的一项替代技术是用氢气代替焦炭。在瑞典， 混合动力钢铁制造商 SSAB、能源供应商 Vattenfall 和铁矿石生产商 LKAB 之间的合资企业正在试点一项工艺，旨在重新利用称为直接还原铁的现有系统。该过程使用化石燃料中的焦炭从铁矿石球团中提取氧气，留下称为海绵铁的多孔铁球团。
Hybrit 方法使用不含化石的氢气来提取氧气。这种气体是通过电解产生的，这种技术使用电流（在这种情况下，来自无化石能源）将水分离成氢气和氧气。 （最纯的氢气 今晚 由 产生的海绵铁然后进入电弧炉，最终精炼成钢。该过程仅释放水蒸气作为副产品。
Vattenfall 行业脱碳主管米凯尔·诺德兰德 (Mikael Nordlander) 表示：“这项技术已经为人所知有一段时间了，但迄今为止仅在实验室中完成。” “我们在这里所做的就是看看它是否可以在工业层面发挥作用。”
去年 8 月，Hybrit 达到了第一个里程碑：SSAB，生产和销售最终产品， 交付了第一批无化石钢材 对于汽车制造商沃尔沃来说， 在车辆原型中使用它。它还正在规划一座用于商业规模生产的工厂，目标是在 2026 年完工。
另一家瑞典企业 H2 Green Steel 正在开发一座类似的商业规模的氢钢工厂，该工厂从私人投资者和梅赛德斯-奔驰、斯堪尼亚以及与宜家有联系的组织 IMAS 基金会等公司筹集了 105 亿美元。公司 计划 到 2024 年开始生产，到本十年末每年生产 5 万吨零排放钢铁。其他测试氢动力炼钢的公司包括 安赛乐米塔尔, 蒂森克虏伯及 萨尔茨吉特公司 在德国; 浦项制铁 在韩国；和 奥钢联 在奥地利。
电还可用于还原铁矿石。例如，波士顿金属公司开发了一种称为熔融氧化物电解的工艺，其中电流流过含有铁矿石的电池。当电流在电解槽两端流动并加热矿石时，氧气就会冒泡（并且可以被收集），而铁矿石则被还原成液态铁，液态铁汇集在电解槽底部并定期被排出。然后将纯化的铁与碳和其他成分混合。
“我们所做的基本上是将碳换成电力作为还原剂，”该公司业务发展高级副总裁 Adam Rauwerdink 解释道。 “这使我们能够使用比传统炼钢更少的能源和更少的步骤来生产非常高质量的钢材。”他补充说，只要电力来自无化石能源，这个过程就不会产生碳排放。
他表示，该公司目前在其沃本工厂运营着 3 条试验线，正在努力将其实验室概念推向市场，利用 去年筹集了 50 万美元 来自包括比尔·盖茨支持的 Breakthrough Energy Ventures 和德国汽车制造商宝马在内的投资集团。商业规模的示范工厂预计将于 2025 年建成并运行。
亚利桑那州立大学材料科学与工程教授 Sridhar Seetharaman 表示：“我认为所有这些解决方案都有自己的位置，具体取决于位置、资源可用性和目标产品。” “不过，我认为目前没有任何人能够单独为您提供满足需求的灵丹妙药。”
IDDRI 能源经济学家巴塔耶表示：“基于现有系统，氢具有一定的领先优势，而且在商业化方面也处于领先地位。” “但实现钢铁行业净零排放将采取更多无碳途径，因此我认为最终所有这些都会有足够的市场空间。”
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尽管绿色炼钢工艺似乎正在蓄势待发，但仍然面临许多严峻的挑战。总部位于科罗拉多州的非营利组织高级负责人托马斯·科赫·布兰克 (Thomas Koch Blank) 表示，其中最主要的是可再生能源基础设施的大规模扩张，全行业转向这些新方法将导致可再生能源基础设施的大规模扩张。 落基山研究所。他估计，世界将需要三倍于目前已安装的太阳能和风能资源来为现有的初级钢铁生产提供电力。
另一个障碍是成本。改用电力或氢气将需要大量资本支出来建造新工厂和改造旧工厂。科赫·布兰克指出，在清洁氢气方法的情况下，钢铁的价格将大幅上涨，因为钢铁生产商靠近低成本焦煤而不是低成本氢气。 “这些前期成本可能会推高钢铁和最终产品的价格，至少在一开始是这样。”
旧金山分析师里斯曼表示，供给侧和需求侧的立法有助于抵消更高的成本，并鼓励对绿色技术进行更多投资。他说，政府可以通过要求国家资助的项目使用指定建筑材料的低碳版本来鼓励建筑和基础设施中低碳钢的使用。他们还可以执行政策，提高从排放规定不太严格的国家购买产品的成本。里斯曼表示，随着清洁钢铁市场的“增长和新的生产工艺实现规模经济”，这将有助于国内生产商“保持竞争力”。
也许最大的障碍是中国，在那里 关于90％ 的钢铁生产是通过高炉实现的。 2020年XNUMX月，国家主席习近平 公布 该国的目标是到 2060 年实现碳中和。为了减少国内钢厂的污染， 约占15% 北京还承诺 到2030年实现钢铁排放峰值。即便如此，仅在 18 年前六个月，中国就宣布了 2021 个新高炉项目， 根据 赫尔辛基能源和清洁空气研究中心研究小组。
里斯曼表示，钢铁是脱碳最重要、最具挑战性的行业之一，因此全球协调将大有帮助。
回到波士顿后，劳维尔丁克在考察波士顿金属公司的工厂生产线后表示同意。 “这是我们面临的一个巨大的挑战，”他说。但是，他补充道，“我们正在证明解决方案是存在的，而且是有效的。”
