Когда поднимаешься по лестнице, чтобы заглянуть в новейший проект компании Boston Metal, становится очевидно, насколько колоссальна задача по сокращению климатического воздействия производства стали.
Внушительная новая установка — это пилотный реактор, который стартап будет использовать для производства стали с нулевым уровнем выбросов. Он размером примерно со школьный автобус, углублен в пол исследовательского центра, а свежевыкрашенные желтые перила ведут на верхнюю площадку. Однако в сталелитейной промышленности, которая ежегодно производит около двух миллиардов тонн стали, потенциальный выход этой установки — капля в море.
При промышленном производстве стали на каждую тонну выплавленного металла выделяется около двух тонн выбросов углекислого газа, что составляет почти 10% мировых выбросов от этого сектора. Ожидается, что к 2050 году, сроку, к которому некоторые из крупнейших сталелитейных гигантов пообещали достичь нулевого уровня выбросов, мировой рынок стали вырастет примерно на 30%. Если в отрасли срочно не произойдут кардинальные изменения, эта цель может оказаться недостижимой.
Новый реактор Boston Metal, недавно установленный в их штаб-квартире к северу от Бостона, — это значительный шаг на пути компании к коммерциализации. С момента своего основания в 2013 году стартап разрабатывал процесс производства «зеленой» стали, прорабатывая детали в небольших емкостях. Новый реактор, а также предстоящий раунд финансирования, представляют собой следующий скачок для компании в попытке масштабироваться.
Если Boston Metal действительно сможет масштабировать свой чистый производственный процесс и обеспечить его достаточным количеством возобновляемой электроэнергии, компания сможет помочь решить одну из самых сложных задач в мире по контролю за выбросами углерода.
Новый подход
Сталь используется повсеместно — от автомобилей до зданий и ветряных турбин, но декарбонизация этой отрасли не является гламурной темой. «Люди не уделяют слишком много внимания промышленным отраслям», — говорит Тэдеу Карнейро, генеральный директор Boston Metal. «Это очень консервативная отрасль, и ее сложно изменить».
Ископаемое топливо играет ключевую роль в современном производстве стали. Большая часть выплавки начинается в доменной печи, где кокс, материал, получаемый из угля и почти чистый углерод, вступает в реакцию с железной рудой — смесью оксидов железа и других минералов. Эта реакция отнимает кислород, оставляя жидкое железо. Затем углерод и кислород выделяются вместе в виде диоксида углерода.
Решение Boston Metal — это совершенно новый подход под названием электролиз расплавленного оксида (MOE). Вместо использования углерода для удаления кислорода процесс основан на электричестве, которое проходит через ячейку, заполненную смесью растворенных оксидов железа вместе с другими оксидами и материалами. Электричество нагревает ячейку до температуры около 1600 °C (почти 3000 °F), превращая все в горячий оксидный «суп».
Помимо нагрева, электричество приводит в действие химические реакции по удалению кислорода. Расплавленное железо собирается на дне реактора, а вместо диоксида углерода выделяется газообразный кислород.
Поскольку примеси в основном остаются вне реакции, процесс MOE может работать с низкосортной железной рудой, что, по словам Карнейро, может стать крупным преимуществом этой технологии.
Оценка масштабов
Процесс выплавки стали Boston Metal был разработан исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) Дональдом Сэдоуэем и Антуаном Алланором в середине 2000-х годов. Исследования продвигались с использованием небольших реакторов размером с кофейную чашку; эти лабораторные версии сейчас дают количество железа размером с арахис в течение пары дней.
Стефан Брок, старший вице-президент Boston Metal по технологиям, отмечает, что основной проблемой при переходе к более крупным реакторам до сих пор была стабильность инертного анода — металлической детали, изготовленной из смеси стали и хрома. Если реактор работает должным образом, анод не участвует в реакции: он просто обеспечивает путь для прохождения электричества через ячейку. Но анод имеет тенденцию быстро деградировать, если баланс условий, таких как распределение тока и химия электролита, не совсем правильный.
Эта и другие проблемы могут стать еще более серьезными с новым пилотным реактором, который примерно в тысячу раз больше исследовательской версии.
Новый реактор будет пропускать ток до 25 000 ампер (типичный дом потребляет от 100 до 200 ампер). Он оснащен множеством анодов и всеми атрибутами первой промышленно-размерной ячейки, которая будет еще в 10 раз больше.
Строительство пилотного реактора почти завершено, а испытания запланированы на август. Сначала он будет использоваться с углеродными анодами для производства ферросплавов — ценных металлов, которые можно производить в электролизном процессе, аналогичном используемому для производства стали. По словам Брока, после того как реактор будет испытан на этом продукте, команда планирует переоборудовать его для использования в сталеплавильном производстве где-то в начале следующего года.
Промышленный старт
Запуск пилотного реактора представляет собой одну из самых больших оставшихся вех для Boston Metal перед строительством демонстрационного проекта коммерческого масштаба, который будет состоять из пяти более крупных соединенных ячеек и должен быть завершен к 2026 году. Стартап в настоящее время находится в процессе привлечения средств для достижения этой цели.
Как только коммерческий объект будет запущен, компания планирует лицензировать свою технологию и работать с существующими производителями стали для установки и эксплуатации реакторов.
Однако такой процесс, как MOE, новый для отрасли, потребует времени для интеграции с существующими игроками. «Понадобится еще пара лет пилотных испытаний и демонстраций, чтобы доказать, что его действительно можно масштабировать», — говорит Макс Оман, профессор энергетических и экологических систем из Лундского университета в Швеции. «И вы пока не знаете, сколько это будет стоить».
По словам Омана, другие новые подходы, находящиеся на стадии тестирования, могут быть более простыми для демонстрации и масштабирования. В частности, процесс, называемый прямым восстановлением (direct reduction), который широко используется сегодня, может быть модифицирован для производства стали без выбросов.
Прямое восстановление обычно использует природный газ для реакции с твердой железной рудой, в результате чего получается железо. Этот процесс, как и плавка в доменной печи, также выделяет углекислый газ, поскольку именно углерод в газе, который в основном является метаном, вступает в реакцию с кислородом в руде, отделяя его от железа. Но если вместо природного газа используется водород, вместо него выделяется водяной пар.
Шведский производитель стали SSAB строит крупный пилотный объект для испытания прямого восстановления на водороде, который, как планируется, достигнет промышленного масштаба примерно к 2026 году.
Карнейро признает, что производители стали, использующие водород, могут иметь фору, хотя он утверждает, что MOE в конечном итоге будет привлекателен для некоторых производителей стали, особенно потому, что он может использовать более широкий спектр исходных материалов, чем просто высококачественная руда, требуемая для прямого восстановления.
Однако, независимо от того, выберут ли сталелитейщики водород или процесс на основе электричества, подобный MOE от Boston Metal, им потребуется намного больше возобновляемой электроэнергии, чтобы действительно сократить выбросы.
Одно исследование, проведенное исследователями из Колумбийского университета, показало, что если бы все мировое производство стали в доменных печах было преобразовано в процесс MOE Boston Metal, для его работы потребовалось бы более 5000 тераватт-часов электроэнергии — около 20% мирового потребления энергии в 2018 году. Производство стали с использованием водорода также потребует больших затрат электроэнергии.
Если эта электроэнергия поступает от ископаемого топлива, переход сталелитейного производства на электричество будет равносилен замене одного источника выбросов другим. Но если она поступает из возобновляемых или других безуглеродных источников, это может значительно сократить загрязнение углеродом.
Исследователи также обнаружили, что цены на электроэнергию должны будут значительно снизиться, чтобы сделать процесс экономически целесообразным.
Несмотря на обещания новых технологий, предстоит еще долгий путь, прежде чем они действительно начнут сокращать выбросы. «В сталелитейной промышленности много гринвошинга, а также люди настроены оптимистично в отношении очень ранних стадий прогресса», — говорит Ребекка Делл, директор отраслевой программы в некоммерческой организации ClimateWorks.
«Легко, если не обращать внимания, принять восхищение ранними проектами за гораздо больший прогресс», — добавляет она.
Возможно, Boston Metal еще предстоит пройти множество шагов до производства зеленой стали в значительном масштабе, но Карнейро, по крайней мере, с энтузиазмом продолжает следовать этому пути. Его энергия переполняет, когда он описывает планы компании и размышляет о будущем. «Я не думаю, что в мире есть другая такая же огромная возможность, как эта, — говорит он. — Это действительно гигантская задача».
«Сталь нужна для всего», — заключает он. И поскольку всеобщее внимание приковано к отрасли, являющейся одним из крупнейших загрязнителей планеты, он добавляет: «Чувство срочности теперь присутствует».
