Ученые из Университета Саламанки в Испании предложили способ производить сталь с использованием только возобновляемых источников энергии и водорода. Для этого они разработали модель энергетического комплекса, который сочетает солнечные и ветровые электростанции с несколькими системами хранения энергии. Расчеты показали, что такая схема способна обеспечивать металлургический завод электричеством и водородом круглый год без использования угля, нефти и природного газа.
Сталелитейная отрасль считается одной из самых сложных для декарбонизации: по оценкам Международного энергетического агентства, на него приходится около 7% мировых выбросов CO₂. Сегодня для выплавки стали в основном используют уголь и кокс. Они не только дают энергию, но и помогают извлекать железо из руды.
Одной из главных альтернатив считается технология прямого восстановления железа водородом. В этом случае водород заменяет уголь и связывает кислород, содержащийся в железной руде. В результате образуется железо, которое затем переплавляют в электродуговой печи.
Но у этого подхода есть серьезная проблема. Для производства водорода требуется большое количество электроэнергии. Но если получать ее только от солнца и ветра, то как обеспечить непрерывную работу предприятия ночью, в безветренную погоду и зимой, когда выработка энергии снижается?
Чтобы решить эту задачу, исследователи предложили объединить несколько технологий. Электричество вырабатывают солнечные панели и ветряные турбины. Часть энергии сразу идет на нужды завода, а излишки используются для получения водорода из воды методом электролиза. Для хранения запасов энергии ученые предусмотрели аккумуляторы, резервуары со сжатым водородом и так называемые жидкие органические носители водорода – специальные вещества, способные накапливать водород в химически связанном виде. Эти жидкости позволяют создавать сезонные запасы энергии. Летом, когда солнечные электростанции вырабатывают избыток электричества, водород накапливается в жидком носителе. Зимой его можно снова извлечь и использовать для работы металлургического предприятия.
Исследователи смоделировали работу такой системы для металлургического завода мощностью 1 млн тонн стали в год и провели расчеты для 48 провинций материковой Испании. Это позволило сравнить, как разные климатические условия влияют на работу комплекса.
Выяснилось, что регионы с большим количеством ветра имеют заметное преимущество. Хотя ветер меняется от часа к часу, его выработка обычно менее зависит от времени года, чем солнечная энергетика. Поэтому для таких регионов требуется меньше крупных сезонных хранилищ энергии. В солнечных районах ситуация обратная: чтобы пережить зиму, приходится создавать большие запасы водорода и строить больше генерирующих мощностей.
При этом расчеты показали еще одну особенность. Чтобы гарантировать бесперебойную работу завода исключительно за счет возобновляемой энергетики, солнечных панелей и ветроэнергетики, приходится строить значительно больше, чем требуется в среднем. Из-за этого в отдельные периоды возникает огромный избыток электроэнергии. В некоторых сценариях его объем почти в пять раз превышал годовые потребности самого предприятия. Однако в будущем такую энергию можно будет направлять на производство химической продукции, синтетического топлива или другие энергоемкие производства.
Пока главным препятствием остается стоимость. По расчетам ученых, затраты на электричество и водород для производства «зеленой» стали сегодня составляют примерно 500-600 евро на тонну продукции. Это в несколько раз больше, чем при использовании традиционных технологий. Вместе с тем основную часть расходов формируют солнечные электростанции и оборудование для производства водорода. По мере развития технологий их стоимость будет снижаться, а введение платы за выбросы углекислого газа сделает традиционную металлургию менее выгодной. Поэтому в долгосрочной перспективе водородное производство стали может стать конкурентоспособной альтернативой существующим технологиям.
