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气候变化

氢气能否助力重工业脱碳?

为实现气候承诺,重工业需要迅速脱碳,欧洲重工业制造商在这方面走在前列,它们大多聚焦于利用氢气。
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坐落在德国西北部莱茵河畔的蒂森克虏伯(Thyssenkrupp)杜伊斯堡(Duisburg)工厂,是欧洲最大的综合钢厂。这家庞大的工厂每年生产约1100万吨钢——同时排放约2000万吨二氧化碳,接近该国二氧化碳排放量的2.5%。

随着欧盟(EU)国家承诺到2030年将温室气体排放量减少55%,蒂森克虏伯等公司需要迅速脱碳。该公司最终将杜伊斯堡工厂的高炉炼钢转化为氢气炼钢的计划,是重工业中最雄心勃勃的计划之一。

钢铁、水泥和石油等生产过程中需要极高温度的行业,会产生巨大的碳足迹。根据世界钢铁协会(World Steel Association)的数据,钢占化石燃料所产生的直接碳排放总量的7%至9%,每生产一吨钢平均产生1.83吨二氧化碳。水泥约占全球碳排放总量的8%。

重工业制造商在脱碳方面走在最前列,尤其是欧洲的重工业制造商——考虑到欧洲有严格的环保法规。但现在还处于早期阶段。大多数欧洲钢铁集团都在考虑采用氢气来生产所谓低碳排放钢铁,而它们的中国竞争对手则更注重将传统炼钢与碳捕集和封存(CCS)技术相结合。

批评者表示,氢气只是使生产过程脱碳的众多解决方案之一,而清洁或“绿色”氢气的广泛使用将受到基础设施和所需可再生能源数量的限制。然而,专家表示,如果重工业要减少碳排放,政府和企业可能别无选择,只能克服这些障碍。

哥伦比亚大学国际与公共事务学院(Columbia University SIPA)全球能源政策中心(Center on Global Energy Policy)高级研究学者朱利奥•弗里德曼(Julio Friedmann)说:“氢气存在很多问题,包括如何扩大我们的需求量,但没关系,这是必经之路。”

蒂森克虏伯首席技术官阿恩德•科夫勒(Arnd Köfler)表示,要满足欧洲严苛的排放目标,“你必须找到重大机遇,在哪里以及如何减少二氧化碳排放”。他认为,杜伊斯堡工厂的排放规模为部署氢气提供了一个绝佳机会。

该公司正在进行试验,在传统高炉中使用氢气作为还原剂,从理论上讲,这可以减排20%。但要想显著减少排放,就需要更大幅度的技术变革,并使用天然气或氢气、而不是焦炭,将氧从铁矿石中分离出去,制造所谓的直接还原铁(DRI)。

蒂森克虏伯计划最迟在2025年建成第一座DRI工厂并投入使用,最初每年生产40万吨(使用氢气或天然气生产的)“气候友好型”钢,到2030年每年生产300万吨。它的目标是到2050年淘汰所有高炉炼钢。

关键障碍仍然存在,包括获取足够的氢气和资金——让杜伊斯堡工厂转变成氢气炼钢的费用预计为100亿欧元。

建立氢气中心的基础设施也将需要政府的支持。然而,杜伊斯堡工厂的规模可能使其成为氢经济的核心,通过管道将氢气输送到化学品制造等其他行业。德国政府去年发布的国家氢战略明确聚焦“绿色”氢气——通过可再生能源发电,从水中电解出氢气。

安赛乐米塔尔(ArcelorMittal)首席执行官阿迪蒂亚•米塔尔(Aditya Mittal)本周表示,现在还无法“判断”绿色氢气何时能量产。该公司正在进行多项脱碳试验,其中一项是在其汉堡工厂测试氢气还原铁矿石的能力。

“前路漫漫,”米塔尔表示,“我们距离终点还很远。”

要将欧盟每年用碳生产的1亿吨钢脱碳,需要每年约400太瓦时的电量——相当于欧洲目前用电总量的15%。所有这些电量必须来自可再生能源。

安赛乐米塔尔副总裁兼战略主管布赖恩•阿拉尼亚(Brian Aranha)表示:“短期内都极不可能有如此大量基于新的可再生能源发电的氢气,可供我们使用。”

水泥产业的高管也在思考类似的问题,与水泥生产有关的化学和热力燃烧过程都会产生二氧化碳。该产业中的大多数大型企业都在探索利用氢气,以及碳捕集和封存。

海德堡水泥公司(HeidelbergCement Group)的英国子公司汉森英国(Hanson UK)已与斯旺西大学(Swansea University)的研究人员组成团队,在其位于南威尔士塔尔伯特港(Port Talbot)的工厂中实验,将燃烧器中的天然气替换为绿色氢气。该公司在兰开夏郡里伯斯谷地(Ribblesdale)的水泥工厂有一个得到政府资助的项目,正在试验在水泥窑中使用氢气和生物质燃料。

汉森英国的环境可持续性主管伊恩•沃波尔(Iain Walpole)表示,这种尝试是为了证明使用氢气“我们是否仍然可以生产出水泥”。

化学品公司也在研究能否利用氢气给它们的工厂供电。它们对氢气已经很熟悉了——氢气是一些生产过程的副产品。

每年生产30万吨氢气的英力士(Ineos)认为,氢气将是脱碳过程中的“一个元素”。这家未上市的化工集团计划在其位于挪威拉夫内斯(Rafnes)的工厂建设一个20兆瓦的电解槽,以此建立一个清洁氢气供应中心。

英力士子公司Inovyn的首席执行官盖尔•蒂夫特(Geir Tuft)警告说,考虑到所需的氢气量,取得进展还需要时间。

“围绕氢气项目的市场营销很多。我们需要实事求是——就部署而言,我们处于20年至30年前风电行业所处的阶段。”

专家表示,正如海上风电产业的发展是依靠补贴计划启动的一样,氢气项目要在钢铁和水泥行业中发展起来也需要政府支持。

英国政府顾问团体气候变化委员会(Climate Change Committee)的阿龙•戈特(Aaron Goater)表示:“就近期而言,我们预计有必要建立一个补贴机制,来帮助水泥和钢铁脱碳。”

设置高碳价是关键。彭博新能源财经(BloombergNEF)最近的一项研究发现,如果对焦煤实行每吨二氧化碳50美元的碳价,到2050年,可再生能源发电生产的氢气在价格上也许能与炼钢所用的煤竞争。

最终,帮助建立氢经济所需的基础设施还要靠各国政府。英国政府的气候计划承诺投资逾10亿英镑,以支持氢项目,以及在4个产业集群中建立碳捕集、利用和封存(CCUS)。

弗里德曼表示,这正是脱碳需要聚焦的地方。他认为,在考虑用工业枢纽来提供必要的输送线路、二氧化碳运输系统和氢气分销系统方面,欧洲国家领先于大多数其他国家。

“这很难,也很昂贵,但这是我们要做的事。欧洲各国政府要么为基础设施买单,要么鼓励私营部门这样做。”

译者/何黎

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