欧盟减排技术路线对中国2060碳中和的挑战与启示

本期内容速览:

国内外碳排放背景

欧盟钢铁生产路线

欧盟钢铁行业资源利用效率

欧盟减排技术路线

钢铁行业未来能源需求影响因素

对中国2060年碳中和目标的启示

*文中所提欧盟28国均基于英国尚未脱欧的时期。

*本文内容基于2018年“德国冶金技术协会钢铁研究所”的欧洲钢铁研究报告(European Steel: The Wind of Change)展开。

气候保护是《欧洲绿色协议》的核心内容,仍然是重中之重。2019年12月,欧盟国家元首和政府首脑商定了到2050年实现气候中和欧盟的目标,将确立在欧盟立法中。到2030年,主要挑战是无二氧化碳炼钢的进步,加速航空航天和汽车行业的脱碳。为了维持和加强欧洲乃至全球向气候中性的转变,必须对欧盟以及可能的话在20国集团所有国家,所有相关经济部门中的温室气体排放定价。

在这方面,我们将研究和讨论欧盟委员会关于将二氧化碳定价扩展到成员国之间新领域的建议。还应考虑修订市场稳定储备并引入二氧化碳最低价格。  

                                                                 ——2020年5月18日   德国环境部

(一)   国内外碳排放背景

欧洲碳排放及政策目标

近年来中国经济高速发展,碳排放量也随之跃居首位。中国的碳排放量从1980年的1．46亿吨增至2018年的10．06亿吨,增幅大,排放高。中国的一次能源消费和以CO2为主的温室气体排放迅速增加,预计到2030年中国的温室气体排放量将达到128亿吨碳当量,占世界总量的比例将达到30．5%。因此,亟待能源转型和绿色发展。

2018年世界各国碳排放量对比可视化分析图

1980-2018年中国年均碳排放增长量

钢铁行业是我国的支柱产业之一,中国钢铁工业碳排放量占全国碳排放总量的15%左右,是我国碳排放量最高的制造业行业。据不完全统计,每生产1t钢,采用高炉工艺将排放出2．5t的二氧化碳,转炉生产吨钢CO2排放为2．2吨左右,电炉工艺也要排放0．5t的二氧化碳。因此,中国迫切需要加速推进钢铁等重点行业节能减排,钢铁行业的节能减排对策的制定与实施刻不容缓。

钢铁行业2000-2018年碳排放占比以及总量

(二)   欧盟钢铁生产路线

根据“德国冶金技术协会钢铁研究所”的一份欧洲钢铁研究报告中指出,截至2018年初,欧盟28国(当时英国尚未脱欧)主要有2条钢铁生产路线:高炉/碱性氧气炉(BF / BOF)路线和电弧炉(EAF)路线。高炉/碱性氧气炉路线以铁矿石为原材料,碳作还原剂,并在过程中添加废钢来炼制钢铁。电弧炉路线则基于废钢和电能,利用电弧的热效应加热炉料进行炼钢。2016年欧盟28国的粗钢产量为162百万吨,其中60．2%为高炉/碱性氧气路线,39．2%为电弧炉路线。

(三)   欧盟钢铁行业资源利用效率

钢铁行业作为一个系统,其重要性要大于它包含的单一元素的总和,因此其资源效率是钢铁行业的核心。欧盟的钢铁行业主要通过技术开发来提高资源效率,在每个过程,流程链以及产品上做优化和创新。比如在钢铁生产过程通过工艺的优化和回收使用废钢来节约资源。矿渣可以用作建筑材料和水泥。对于其他副产品和耦合产品,可做进一步的工艺气体和能源回收。在钢铁应用领域,优化钢/新钢种会进一步减少排放。废弃钢通过回收利用重新进入钢铁的生产流程,从而构成一个完整的钢铁行业循环。与此同时改进过程控制,包括建立动态过程模型,基于计算机的控制,建立数字化过程等。

欧盟钢铁行业通过技术的优化和创新,实现了很高的资源效率。但是值得注意的是,随着技术的进步,当前高炉练钢的流程已经达到了热力学极限,其产生的二氧化碳已经降低到了技术最小值。因此能源效率的进一步提高和二氧化碳排放的减少需要根本性的突破性技术。

(四)   欧盟减排技术路线

欧盟28国探讨了钢铁行业减少碳排放的技术路线,其中包括循环经济,智能用碳SCU技术以及避免直接碳排放CDA技术。循环经济旨在加强钢铁及其副产品的回收利用,提高资源利用效率。智能用碳(SCU)技术包括:生产过程与碳捕集与封存(CCS)技术的结合,碳捕集与利用(CCU)。避免直接碳排放(CDA)技术则是在炼钢中使用可再生能源电力生产氢气代替高炉中的焦碳,即直接还原过程(DR)。下图对各技术路线及其描述与相关项目做出概览:

碳捕集和封存CCS技术指的是将二氧化碳收集分离起来,输送到封存地点,避免直接排放到大气中。

碳捕集和利用CCU技术则是再次利用分离出的二氧化碳,现在CCU技术包括将二氧化碳用于碳酸饮料制作,利用二氧化碳生产肥料,制造干冰及灭火器等。但这些CCU技术只是暂时避免了二氧化碳的排放,并不能根本缓解气候变化。

 1．  HIsarna项目

HIsarna项目是基于生产过程加入碳捕集与封存环节设立的,该技术是一种工艺流程集成化技术,富有创新性的炼钢技术可以直接从铁矿粉与煤炭粉中生产铁水从而不受焦炭的制造与矿石的集聚的限制。该技术路线可使用非焦煤和较低质量的铁矿粉。

 2．  IGAR项目

IGAR项目使用钢铁厂内部产生的气体,使用等离子炬和反应器以加热和重整气体,钢厂气体的重整并注入高炉风口过程旨在减少煤/焦炭的消耗。

 3．  碳捕集与利用(CCU)

碳捕集与利用过程需要氢气和由可再生能源产生的电力,炼钢厂气体中的一氧化碳或二氧化碳作为化学工业的原料生产燃料、肥料和其他有价值的产品。体现了钢铁部门与化学部门,电力部门和氢气供应商的良好共生关系。涉及项目包括:Steelanol,Carbon2Chem,FreSME。

 4．  氢基直接还原

氨基直接还原技术在基础炼钢中使用氢代替碳,需要使用绿氢(由再生能源发电通过水电解产生的氢气)。鉴于投入绿氢目前可行性不高,可选择一个折中的方案:使用天然气,直到有足够的无碳电力可用。体现钢铁行业与电力行业和氢气供应商的良好共生关系。涉及项目包括:MACOR / SALCOS,HYBRIT,H2Steel(H2Future,SuSteel)。

 5．  SIDERWIN项目

SIDERWIN项目是Horizon 2020框架和SPIRE倡议下的欧洲项目,基于完全电力化的钢铁生产路线,用电直接替代碳以减少铁矿石。涉及技术包括:矿石提纯,碱性电解池和电炉熔化。同样,该项目需要无碳电力,这也体现了钢铁行业与电力行业的良好共生。

 6． 碳捕集与封存(CCS)

碳捕集与封存(CCS)可与不同的技术结合使用,这甚至将增加该行业的二氧化碳减排潜力,但CCS仍需要具有可行性并获得社会的认可。

 小结:

HIsarna项目和IGAR项目主要着重于煤与焦炭的使用状况;

碳捕集与利用(CCU)技术则是利用氢气捕捉二氧化碳,在实现节能减排的同时,利用二氧化碳产生了有价值的产品;

氢基直接还原技术利用氢气代替焦炭炼钢,实现无碳炼钢。

SIDERWIN项目采用的是完全清洁的电力,即由可再生能源提供的清洁电力,是去碳化的。

CCS项目的应用相当广泛,在钢铁行业的无碳化过程中可以起到过度衔接的作用,最后发展成完全无碳的清洁炼钢,用氢气炼钢。

(五)钢铁行业未来能源需求影响因素

能源和气候政策:巴黎协定、欧盟能源和气候框架目标,国家目标

全球目标:2030年议程

市场发展:全球竞争、贸易问题、未来钢铁消费;钢铁生产、钢铁生产结构

原材料和能源供应:数量,质量,价格

技术开发:流程(实施创新解决方案,生产技术的结构,能源效率,碳效率,资源效率)、 产品

(六)   对中国2060年碳中和目标的启示

欧洲钢铁行业采取新技术炼钢的原因是,高炉炼钢已经达到了理论极限,很难进一步的提高能源效率和减少二氧化碳的排放。因此这几年欧洲涌现了许多新兴项目来减少钢铁行业的碳排放。CCS和CCU技术从根本意义上讲没有减少二氧化碳的排放,只是延缓了二氧化碳的排放。从这个角度来看,氢气炼钢才是未来发展的主要趋势。

中国作为世界上最大的钢铁生产国,每年的碳排放数量是巨大的。想要一步到位减少碳排放是很难的。因此结合欧洲钢铁行业发展来看,中国一方面应该在现有基础上,对钢铁行业的全部流程做创新优化以提高整体资源效率,减少碳的排放。另一方面中国应该主动积极的摸索炼钢新技术,尝试从根本上改变钢铁行业的碳排放。这样齐头并进的措施,可以在达到减排目标的同时,对新技术做不断的探索,以完成中国钢铁行业2060碳中和的目标。

具体建议如下:

借鉴HIsarna项目和IGAR项目,在国内大规模使用煤炭炼钢的背景下,先着手实现煤炭消耗的降低。

基于碳捕集与利用(CCU)技术和氢基直接还原技术建立试点项目,之后推广以逐步实现无碳炼钢。

为鼓励钢铁厂清洁炼钢,政府应当对安装CCUS技术的钢铁厂给予补贴。

借鉴欧洲先进和丰富的技术经验,在国内开展氢气炼钢+CCS项目示范。

目前中国统一碳交易市场虽然已经启动,但仍然应当进一步完善碳交易市场的相关交易机制,探寻将二氧化碳出售给国际市场的可能。

本文研究团队:清华大学能源转型与社会发展研究中心氢能团队

本文研究与撰稿:

王薇 德国柏林工业大学

沈建羽 德国柏林工业大学

郝帅 德国柏林工业大学

雷亦婷 重庆工商大学

审 核:何继江

公众号简介

何继江

清华大学社会科学学院能源转型与社会发展研究中心常务副主任

清华大学科技与社会研究中心副主任

清华大学社会科学学院博士

清华大学能源环境经济研究所博士后

清华MBA校友能源环保协会副会长

这是何继江的个人微信公众号,也发布能源转型与社会发展研究中心研究团队的原创文章。

普及绿能,淘汰碳能。

推动能源革命,促进社会发展