歐盟建立清潔鋼鐵合作計劃（CSP） 規(guī)劃鋼鐵工業(yè)未來的發(fā)展路線
作者：1發(fā)布時間：2023-03-21
據(jù)歐盟排放貿(mào)易體系(EU Emissions Trading System)數(shù)據(jù)，在歐洲地區(qū)，目前鋼鐵工業(yè)的二氧化碳排放量占據(jù)了整體工業(yè)排放量的20%-25%。鋼鐵廠商對于減排這一話題也表現(xiàn)得十分積極，這對于鋼鐵行業(yè)達(dá)成碳中和的目標(biāo)起到了積極作用。多年以來，鋼鐵產(chǎn)業(yè)一直處于研發(fā)創(chuàng)新的前沿，而歐盟清潔鋼鐵合作計劃（CSP）的建立，及對鋼鐵工業(yè)未來的發(fā)展所制定的規(guī)劃路線，也讓歐盟鋼鐵產(chǎn)業(yè)的低碳發(fā)展之路更為順暢。
歐盟清潔鋼鐵合作計劃（CSP）的長期愿景是致力于將歐洲鋼鐵產(chǎn)業(yè)的碳中和完善化，并領(lǐng)先于世界其他國家和地區(qū)。在此當(dāng)中，CSP將設(shè)定6個特定目標(biāo)，并在未來7至10年內(nèi)完成，進而推動歐洲鋼鐵產(chǎn)業(yè)整體碳中和的發(fā)展。這6既定目標(biāo)包括：
1、將根本性脫碳工藝（carbon direct avoidance）引入鋼鐵產(chǎn)業(yè)并實現(xiàn)成熟落地；
2、提升智能用碳（SCU）乃至碳捕獲、利用和儲存（CCUS）技術(shù)在鋼鐵產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，進而減少化石燃料在鋼鐵產(chǎn)業(yè)中的大規(guī)模采用，從而顯著減少二氧化碳的排放；
3、發(fā)展可部署技術(shù)，以提高能源和資源效率；
4、提升鋼鐵廢料和殘留物的回收利用效率，從而改善智能資源的使用，并進一步支持歐盟的循環(huán)經(jīng)濟模式；
5、論證清潔鋼鐵突破技術(shù)，促進鋼鐵產(chǎn)業(yè)完成“氣候中立”；
6、根據(jù)歐盟鋼鐵工業(yè)戰(zhàn)略，加強歐盟鋼鐵工業(yè)的全球競爭力。
為實現(xiàn)這些目標(biāo)，CSP所支持的研發(fā)與創(chuàng)新活動將圍繞以下主要干預(yù)領(lǐng)域展開：
1、兩種技術(shù)路線：根本性脫碳工藝（CDA）與提升智能用碳在未來將細(xì)化分為“SCU-CCUS”以及“ SCU-PI”（智能用碳工藝整合）；
2、循環(huán)經(jīng)濟（CE）項目廣泛支持技術(shù)途徑；
3、循環(huán)經(jīng)濟在多種途徑下有可能與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合；
4、促進產(chǎn)業(yè)落地，例如在相關(guān)領(lǐng)域提供可靠的解決方案進而保持歐盟國家在鋼鐵行業(yè)在世界范圍內(nèi)的領(lǐng)先性。
目前，CSP整體目標(biāo)的整體設(shè)定是基于技術(shù)成熟度（TRL）8發(fā)展而來，將歐盟鋼鐵生產(chǎn)的二氧化碳排放量從1990年的水平減少80-95%，最終實現(xiàn)氣候中立。
此外，通過使用再生鋼提高鋼鐵利用率并減少鋼鐵需求是歐盟煉鋼脫碳的重要杠桿。然而，由于未來精煉鋼仍會被廣泛使用。所以需要部署新的煉鋼技術(shù)，以取代煤基高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）路線。
鋼鐵產(chǎn)業(yè)目前正在探索各種減少二氧化碳排放的方式。在短期內(nèi)，大規(guī)模修改工藝并，從化石燃料轉(zhuǎn)換為低二氧化碳能源可以實現(xiàn)有限的二氧化碳減排。與CCUS技術(shù)相結(jié)合，可以進一步減少排放。
此外，另一種途徑似乎正在成為大多數(shù)歐洲鋼鐵制造商的主要方法論，即用依靠氫氣或電力減少鐵礦石的突破性技術(shù)來完全替代現(xiàn)有工藝，從而使生產(chǎn)鋼鐵幾乎不排放二氧化碳成為可能。部署這些技術(shù)需要用新的鋼鐵企業(yè)取代現(xiàn)有的鋼鐵工藝。關(guān)鍵技術(shù)包括：
1、使用氫氣（H-DRI）將鐵礦石（DRI）直接還原為鐵，從而完全避免使用化石燃料。到2030年，這一技術(shù)便可落地。但依賴于大量低成本的二氧化碳?xì)錃夂碗娏Φ墓?yīng)。一些鋼鐵制造商正在探索使用天然氣作為過渡燃料，直到可接受的成本獲得足夠的氫氣。
2、電解工藝，即在高溫（熔融氧化物電解）或低溫（電解沉積）下僅使用電還原鐵礦石。雖然這些技術(shù)可能會改變游戲規(guī)則，但預(yù)計在2040年之前不會部署。
3、在無化石燃料介入下，通過熔融還原方式將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鐵。這項技術(shù)高度集成，非常高效。但由于該技術(shù)處于早期發(fā)展階段，預(yù)計2040年前無法實現(xiàn)。
CSP規(guī)劃圖中顯示了六個相關(guān)領(lǐng)域及其關(guān)系：
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減少歐盟鋼鐵產(chǎn)業(yè)二氧化碳排放的技術(shù)途徑和推動者
根本性脫碳工藝(CDA) 包括了在煉鋼過程中避免碳排放的技術(shù)。CDA主要依靠基于氫氣和綠色電力的鋼鐵生產(chǎn)工藝，即無碳排放的鋼鐵生產(chǎn)方式。SCU-CUS包含有避免向大氣排放碳的技術(shù)。該技術(shù)支持鋼鐵廠排放氣體中的一氧化碳和二氧化碳作為原料進而維護企業(yè)的運營。以智能用碳工藝整合（SCU-PI）的形式實現(xiàn)的智能碳利用，可以減少煤基高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）和電弧爐（EAF）鋼鐵生產(chǎn)中使用的化石燃料（煤炭、天然氣等），并減少二氧化碳排放。
CSP堅持認(rèn)為，如要實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)的碳中和愿景，就要雙管齊下，確保兩條煉鋼路線（如上所述，在SPIRE/P4P合作關(guān)系下），即BF-BOF和EAF——的落地應(yīng)用可行性。這是因為這兩種技術(shù)仍是確保歐盟鋼鐵產(chǎn)業(yè)能夠使用不同原材料交付高質(zhì)量鋼等級的重要因素，進而支撐歐盟國家的戰(zhàn)略安全。
目前，歐盟兩條路線之間的產(chǎn)量份額已經(jīng)明確，其中約60%的產(chǎn)能通過BF-BOF路線生產(chǎn)，約40%通過EAF路線生產(chǎn)。采用EAF技術(shù)路線生產(chǎn)鋼鐵要比BF-BOF路線所產(chǎn)生的二氧化碳排量更低。對于使用BF-BOF工藝生產(chǎn)的每噸粗鋼，約產(chǎn)生1.3至1.8噸的二氧化碳。一噸鋼材用EAF工藝生產(chǎn)需要約400-500kWh（千瓦時）的電力和80-120kg的直接與250-350kg的間接二氧化碳排放。
循環(huán)經(jīng)濟（Circular Economy）是一種再生系統(tǒng)，借由減緩、封閉與縮小物質(zhì)與能量循環(huán)，使得資源的投入與廢棄、排放達(dá)成減量化的目標(biāo)?；诖烁拍?，CSP認(rèn)為歐盟鋼業(yè)產(chǎn)業(yè)的碳中和之路，應(yīng)采用更少的原材料并應(yīng)用更多可回收/循環(huán)利用的材料，進而促進該地區(qū)鋼鐵產(chǎn)業(yè)逐漸擺脫對自然資源的依賴，并且在此過程中減少50%以上的二氧化碳排放。
循環(huán)經(jīng)濟主要基于廢料利用、廢料分類和利用新的檢測技術(shù)更好地去除廢料污染，提高了鋼鐵的回收和資源效率。該技術(shù)理念還包括在產(chǎn)業(yè)內(nèi)部或其他部門利用鋼鐵生產(chǎn)的殘留物（即工業(yè)共生industrial symbiosis）。此外，循環(huán)經(jīng)濟還將支持用替代含碳材料替代化石材料，以及應(yīng)用廢熱熱源技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)當(dāng)中。
鋼鐵產(chǎn)業(yè)脫碳，只是其中一環(huán)
據(jù)了解，鋼鐵產(chǎn)業(yè)的脫碳進程也是歐盟戰(zhàn)略能源計劃第六計劃（SET Plan Action 6）的一環(huán)。該計劃旨在使能源密集型工業(yè)減少能源、資源和排放密集型，從而提高該地區(qū)競爭力。成員國和非歐盟SET計劃相關(guān)國家、行業(yè)和研究利益相關(guān)者與歐盟委員會一起，確定了技術(shù)選項和研發(fā)活動，以提高能源和資源效率，并大幅減少歐洲加工行業(yè)的溫室氣體排放。
在本實施計劃中，SET成員定義并描述了跨越四個工業(yè)部門和兩個交叉技術(shù)領(lǐng)域的六個專題小組，包括來自19個SET國家的代表、來自四個部門和交叉技術(shù)領(lǐng)域中的工業(yè)利益相關(guān)者以及研究機構(gòu)。每個專題組都制定了目標(biāo)，SET旨在促進上述目標(biāo)的落地實現(xiàn)，并針對這六個專題小組及其組成的研發(fā)活動，制定了具有TRL（技術(shù)等級）目標(biāo)的運營實施計劃、時間表、預(yù)期交付成果和所需預(yù)算。
下圖概述了這六個專題小組以及為開發(fā)相關(guān)的低碳工業(yè)技術(shù)而優(yōu)先考慮和計劃的研發(fā)活動：
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SET Plan Action 中的專題小組
SET Plan Action 6的設(shè)定的六個專題領(lǐng)域，其重點是旨在提高TRL的研發(fā)活動，以實現(xiàn)歐洲工業(yè)在脫碳過程中所需要的技術(shù)及其他方面的解決方案，并基于技術(shù)的領(lǐng)先性，旨在為未來占據(jù)全球脫碳技術(shù)的市場。
在此當(dāng)中，兩個專題小組采用交叉方法（“Heat&Cold”和“System”），利用工業(yè)部門之間的協(xié)同作用和技術(shù)潛力，來共同制定低碳解決方案，進而實現(xiàn)碳中和。
跨領(lǐng)域?qū)ｎ}小組“Heat&Cold”的目標(biāo)是在5至10年內(nèi)發(fā)展到TRL7。目前，熱和冷發(fā)電、升級和回收技術(shù)正在研發(fā)中，也許這些技術(shù)已經(jīng)成熟，但是否能落地并產(chǎn)生經(jīng)濟價值方面，尚不足以在所有工業(yè)場景中使用。因此，該專題組包括了熱升級、廢熱發(fā)電和冷發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)和混合發(fā)電廠整合可再生能源的研發(fā)活動。
“System”專題組的目標(biāo)是實現(xiàn)TRL7-8級，但達(dá)到TRL9則更為理想。在該專題小組設(shè)定的時間框架內(nèi)，此后的5-10年“System”專題的重點是整合概念（基于技術(shù)）、提高公眾對此處所涉專題的認(rèn)識。為了讓此專題小組的內(nèi)容發(fā)揮最大效用，需要強大的數(shù)字工具來管理數(shù)據(jù)流、改進流程并保證產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量。研發(fā)內(nèi)容包括工業(yè)共生、CCUS在內(nèi)的非常規(guī)能源，數(shù)字化與知識共享以及職工能力培訓(xùn)建設(shè)。
在“Cement”(水泥產(chǎn)業(yè))中，除電氣化外，大多數(shù)技術(shù)方案的現(xiàn)有TRL均為中等/高。SET Plan Action 6側(cè)重于已處于中/高水平的TRL的研發(fā)活動，因此很有可能進而達(dá)到示范和早期市場采用階段（TRL7-9）。
“Chemicals”小組的研發(fā)活動中，除電氣化(electrification)和CCU（碳捕捉與利用）外，現(xiàn)有TRL主要為中等和或高等?，F(xiàn)在需要將其過度到落地階段，并擴大規(guī)模以供市場采用，因此本案例中的目標(biāo)是TRL7-9。研發(fā)活動包括電氣化和工藝效率、低碳?xì)?、塑料廢物和二氧化碳/一氧化碳作為替代原料的生產(chǎn)。
上文所提到的“鋼鐵”產(chǎn)業(yè)專題小組主要遵循CSP路線圖。它的目標(biāo)是將低碳技術(shù)引入TRL7和8級別以上，因此它將主要從中等TRL開始規(guī)劃。擬定的研發(fā)活動包括使用氫氣和電力直接還原鐵、熔融還原煉鐵創(chuàng)新工藝、高爐爐頂煤氣循環(huán)工藝（TGRBF）、碳捕獲和使用（CCU）。新的交叉話題是循環(huán)經(jīng)濟。
在“Pulp& Paper”研發(fā)范圍覆蓋了TRL2到TRL8，這就意味著該專題組涵蓋了長期研究項目和短期即可落地的課題。目前的研發(fā)活動包括整體干燥和熱回收、無水分蒸發(fā)的造紙、工藝優(yōu)化和電氣化、溫和制漿工藝、現(xiàn)場可再生能源轉(zhuǎn)換以及生物質(zhì)作為替代原料。
