Сталь — главный продукт металлургии, однако на ее производство приходится примерно 7% мировых техногенных выбросов CO₂. В рамках борьбы с изменением климата необходимо найти альтернативные технологии, не связанные с выбросами углекислоты. Одним из перспективных решений ученым представляется водородная плазменная технология, которая может заменить ископаемое топливо и способствовать экологической революции в тяжелой промышленности. Исследователи из международной научной сети SINTEF вплотную занялись этой проблемой.
Металлургическая промышленность является одним из ведущих экспортных секторов Норвегии. Скандинавская страна производит и поставляет на мировой рынок значительное количество ферросплавов и алюминия. Металлурги используют уголь и кокс для извлечения металлов из руды, что приводит к значительным выбросам CO₂. Хотя Норвегия может похвастаться одним из самых чистых процессов производства металла в мире благодаря использованию гидро- и ветровой электроэнергетики, здесь по-прежнему наблюдаются значительные выбросы из-за использования ископаемых видов топлива.
Почему водородная плазма
В минералах атомы металлов связаны с кислородом и другими элементами, образуя то, что мы называем рудами. Чтобы извлечь пригодный для использования металл, необходимо удалить из оксидов кислород. Однако обычный газообразный водород недостаточно реакционноспособен для восстановительного процесса. При его нагревании до очень высоких температур он превращается в плазму, которая значительно более реакционноспособна. Она гораздо эффективнее удаляет кислород из руды, в результате чего получается желаемый металл и экологически безвредная вода.
Исследователи из SINTEF в настоящее время изучают, как можно использовать водородную плазму в производстве ферромарганца — важнейшего сплава в сталелитейной промышленности. Они исследуют, как масштабировать эту технологию, какие требуются энергетические ресурсы и какое потенциальное влияние она может оказать на норвежскую промышленность.
В рамках проекта HyPla (Hydrogen Plasma) ученые изучали, как водородная плазма может заменить углерод в производстве металлов, тем самым исключив выбросы CO₂. В ходе теоретических исследований, лабораторных экспериментов и испытаний в пилотном масштабе в рамках проекта был разработан новый производственный цикл, в котором для восстановления марганцевой руды используются электричество и водородная плазма.
Чтобы оценить более широкие международные последствия, которые могут возникнуть в результате внедрения водородной плазменной технологии, был проведен сценарный анализ «Что, если?», объединивший расчеты затрат на создание глобальной промышленной цепочки и непосредственных расходов на организацию технологического процесса на местах. В ходе такой оценки ученые изучили потенциальные экономические, экологические и социальные последствия повсеместного внедрения технологии HyPla в Норвегии, а в перспективе — в европейском и мировом масштабах.
Проблемы и возможные решения
Хотя водородная плазма обладает большим потенциалом, существуют проблемы:
- Доступ к «зеленому» водороду. Для обеспечения устойчивости водород должен производиться с использованием возобновляемых источников энергии. В Норвегии для этого есть благоприятные условия благодаря гидроэнергетике и растущим инвестициям в ветровую и солнечную энергетику;
- Экономическая целесообразность. Переход на производство стали на основе водорода требует значительных инвестиций в новые предприятия и инфраструктуру. Схемы поддержки и сотрудничество между промышленностью и правительством могут помочь сделать эту технологию конкурентоспособной;
- Промышленная адаптация. Переход на водородную плазму повлияет на цепочку создания добавленной стоимости в отрасли. Поставщики угля и кокса могут потерять долю рынка, в то время как появятся новые рабочие места в области производства водорода и передовой обработки материалов.
Что это означает с точки зрения перехода к «зеленым» технологиям в Норвегии
Если технология водородной плазмы окажется успешной, Норвегия сможет укрепить свои позиции в качестве лидера в области устойчивого и экологичного промышленного производства. Для осуществления перехода потребуется реализация нескольких ключевых мер.
Инвестиции в водородную инфраструктуру
Для повсеместного внедрения водородной плазменной технологии требуются значительные инвестиции в водородную инфраструктуру. Это включает в себя обеспечение возможности масштабирования производства водорода для удовлетворения растущего спроса в отраслях, как производство стали. Кроме того, инфраструктура для хранения водорода имеет решающее значение для поддержания стабильных поставок, особенно с учетом непостоянства возобновляемых источников энергии, необходимых для производства «зеленого» водорода. Транспортная инфраструктура, включая трубопроводы и распределительные сети, должна быть разработана для безопасной и эффективной доставки водорода на промышленные объекты. Эти инвестиции не только создадут необходимую физическую инфраструктуру, но и снизят стоимость водорода и повысят его доступность в различных отраслях.
Расширение исследований и внедрение инноваций
Текущие исследования и внедрение инноваций имеют решающее значение для преодоления технических проблем в технологии водородной плазмы и обеспечения ее экономической целесообразности. С помощью пилотных проектов и испытательных установок исследователи могут тестировать технологию в реальных условиях, собирать ценные данные для улучшения процессов и определять направления для дальнейшего развития. Эти усилия помогут снизить затраты на производство водородной плазмы, в том числе на потребление энергии и расходы на оборудование, и будут способствовать масштабированию технологии для более широкого промышленного применения. Также необходимы исследования для изучения новых материалов, оптимизации плазменных реакций и разработки более экологичных методов производства. Это поможет сделать водородную плазму надежным и экономически выгодным решением для производства стали без выбросов.
Тесное сотрудничество крупного бизнеса и государства
Переход на водородную плазменную технологию требует тесного сотрудничества между частным сектором и государственными органами. Правительства могут сыграть ключевую роль в поддержке разработки и внедрения водородной плазменной технологии с помощью финансовой поддержки, грантов и стимулов, которые снижают первоначальную инвестиционную нагрузку для компаний. Такие программы помогут снизить финансовые риски, что позволит предприятиям быстрее экспериментировать с этой технологией и внедрять ее. Кроме того, нормативно-правовая база и политика, способствующие внедрению экологически чистых технологий, приведут промышленные цели в соответствие с экологическими и общественными задачами, обеспечив плавный переход. Тесное сотрудничество также позволяет обмениваться знаниями и передовым опытом, гарантируя, что водородная плазма станет отраслевым стандартом.
Развитие компетенций и образование
Для интеграции водородной плазменной технологии в норвежскую промышленность решающее значение имеют инвестиции в развитие навыков рабочих и ИТР. Это включает в себя программы обучения и повышения квалификации для инженеров, техников и квалифицированных рабочих, чтобы они обладали знаниями, необходимыми для освоения передовых технологий. Университеты и исследовательские институты должны адаптировать свои учебные и научные программы, включив в них водородные технологии, охватывающие производство, хранение и промышленное применение водорода. Развитие компетенций не только будет способствовать инновациям, но и обеспечит готовность рабочей силы к изменениям, связанным с переходом к «зеленой» экономике.
Что впереди
Водородная плазма — пока предмет исследований. Если удастся решить проблемы энергозатрат, промышленной безопасности и негативных социальных последствий, эта технология может стать одним из важнейших решений для производства металла без вредных выбросов. Располагая богатыми ресурсами возобновляемой энергии и ведущими мировыми исследовательскими центрами, Норвегия имеет уникальную возможность возглавить переходный процесс. В то же время необходимо обеспечить, безболезненность переходного периода, предоставив работникам и предприятиям время и ресурсы, необходимые для адаптации.
С точки зрения норвежской социально-экономической системы, внедрение водородно-плазменной технологии безусловно полезно. Однако глобальные экономические последствия на этапе эксплуатации неоднозначны. Для стран с приоритетом добывающих отраслей мировой тренд внедрения HyPla может оказаться болезненным из=за вынужденного сокращения добычи ископаемых, потери рабочих мест и необходимости кардинальной перестройки промышленности.
Пока норвежские ученые экспериментируют с водородной плазмой, в России разработали новый экологичный способ литья крупных металлических деталей
