世界上污染最嚴重的重工業能否脫碳?


鋼鐵、水泥和氨的生產總共排放了約五分之一的人為二氧化碳。技術正在出現,有望使這些問題行業脫碳,但分析師警告說,在清理過程之前仍然存在巨大挑戰。

我們知道如何使用可再生燃料使能源生產脫碳,以及使用電動汽車進行陸路運輸。正在製定綠化航運和飛機的藍圖。但是大型工業流程呢?它們看起來將成為脫碳的阻礙——如果我們要在本世紀中葉實現凈零排放,我們必須消除的最後也是最難的二氧化碳排放。特別是,我們如何綠色化三大全球重要的重工業:鋼鐵、水泥和氨,它們總共排放了約五分之一的人為二氧化碳?

我們的現代城市環境主要由混凝土(由水泥製成)和鋼材構成。我們的大部分食物都是通過使用由氨製成的肥料種植的。這些最普遍的工業材料是以巨大的能源和二氧化碳排放為代價的。

一個多世紀以來,他們沉穩的工業在很大程度上保持不變的製造工藝中蓬勃發展。但生產綠色氨、鋼鐵和水泥的迫切需求開始動搖它們。研究正在為化學過程的根本變化提供新的選擇。最近幾週,領先企業宣布了這三個緊縮行業中的每一個的重大舉措。

兩種新興技術正在宣傳自己是解決問題行業脫碳的「解決方案」。一種是碳捕獲和封存(CCS),旨在捕獲二氧化碳排放物並將其掩埋在舊油田或鹽礦等地質結構中。另一種是「綠色氫」,通過使用可再生能源分解水製成。有些人將綠色氫視為未來的夢想燃料,為從飛機和發電站到家庭和重工業的一切事物提供動力。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer Granholm)在6 月份表示,「清潔氫能改變遊戲規則」,因為它「將有助於高污染重工業和工業部門的脫碳」。

目前,歐洲正在國家補貼下嘗試在鋼鐵生產中使用綠色氫。

但是這兩種技術都面臨技術批評和炒作的指責。 CCS 被指責更多地是為了延長化石燃料行業的未來,而不是為世界經濟脫碳。即使是本質上是可再生能源輸送機的綠色氫,對於可直接使用可再生能源的應用來說似乎也毫無意義——例如插入電動汽車。

然而,行業分析師表示,每個人都可能在某些行業中發揮作用。 「初級鋼鐵和氨生產是綠色氫的明智切入點,」波茨坦氣候影響研究所的Falko Ueckerdt 告訴耶魯環境360。例如,氫氣在為高溫工業過程提供燃料方面非常有效,因此對於目前需要化石燃料作為過程的一部分(鋼鐵)、已經使用氫氣(肥料)或需要高溫氫氣擅長生產(水泥)。

讓我們以這些行業中的每一個為例。他們需要什麼來脫碳?


目前,鋼鐵製造佔人為二氧化碳排放量的11%。大多數生產開始於在高爐中燒煤和鐵礦石。煤產生熱量,但它是熔爐中化學過程的一部分。它從礦石中去除氧氣以製造純鐵,稱為生鐵,在電弧爐中將其變成鋼。但是廢品——煤中的碳與礦石中的氧結合——是大量的二氧化碳。整個過程每生產一噸鋼平均排放2.2 噸二氧化碳。

那麼可以做些什麼來減少這些排放呢?

去年10 月,在波士頓正在建設的摩天大樓Winthrop 中心現場澆築混凝土。 DAVID L. RYAN/波士頓環球報通過蓋蒂圖片社

更有效地使用和回收產品應該始終是首要追求的途徑。回收避免了高爐階段,因為高爐階段排放量很大。廢料被送入電弧爐,通常每噸鋼僅產生0.3 噸二氧化碳。通過從化石燃料轉向發電,可以進一步減少排放。但分析人士表示,回收利用的潛在收益是有限的。大約85% 的廢棄鋼材已經被收集起來進行回收利用。但根據國際能源署(IEA) 的數據,鋼鐵的使用壽命長意味著這種回收廢料仍僅佔鋼鐵總產量的三分之一左右。

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廣泛採用CCS 可能會進一步減少排放。但是,完全放棄高爐可能會帶來更大的收益。製造生鐵的主要替代方法是讓巨大的直流電流通過礦石。這個過程被稱為電解,是鋁土礦變成鋁的過程。能源需求巨大,但不需要煤炭作為過程本身的一部分,能源可以來自低碳來源,例如綠色氫。因此,綠色氫被視為對綠色鋼鐵至關重要。

這條氫氣路線目前正在歐洲在國家補貼下由世界第二大鋼鐵製造商安賽樂米塔爾和印度塔塔鋼鐵公司本月早些時候在荷蘭宣布的一個項目中進行試驗。

它可以流行起來。一種有吸引力的方法是在與鋼相同的位置製造氫氣。新南威爾斯州紐卡斯爾大學的Jessica Allen 和Tony Honeyands 表示,對於擁有大型鐵礦和豐富太陽能的澳大利亞來說,這代表了一個「巨大的機會」,「這將促進我們的出口,有助於抵消不可避免的工作化石燃料行業的損失,並對應對氣候變化大有幫助,」他們在最近的一篇博客文章中爭辯道。


在過去的半個世紀裡,氨肥的製造一直是全球增長最快的行業之一。這是20年代末的農業綠色革命的基石個世紀的今天滋養是養活世界人口的40%的作物。化肥是迄今為止每年生產的1.76 億噸氨的主要用途。

世界上最大的氨製造商計劃在其最大的綜合設施中「綠色」部分氫氣生產。

氨是使用Haber-Bosch 工藝製造的,該工藝由德國化學家Fritz Haber 於1908 年發明。十年後,它為他贏得了諾貝爾獎。該過程分為兩個階段。首先,它通常從天然氣中製造氫氣;然後它與大氣中的氮合成氫氣。要做到這一點,需要打破空氣中將氮分子結合在一起的緊密結合,這需要大約500 攝氏度的高壓和高溫。

制氫和合成氨都是能源密集型的。整個過程在大型工業工廠中進行,每生產一噸氨大約會排放兩噸二氧化碳,約佔人為二氧化碳排放量的2%。

肥料是所有高碳產品中使用最浪費的產品之一。馬裡蘭大學環境科學家張欣表示,倒在田地裡的東西中,只有不到一半能靠近根部——這一比例近年來一直在下降。這不僅會導致不必要的二氧化碳排放,還會使自然環境充斥氮——在河流和海洋死區造成藻類大量繁殖,並破壞幾乎所有地方的生物多樣性。因此,更有效地使用肥料應該是重中之重。

但除此之外,肥料生產過程的兩個階段都需要脫碳。第一階段,製造氫氣,應該是最容易實現的。今年4 月,全球最大的氨製造商CF Industries 宣布計劃在其位於路易斯安那州唐納森維爾的最大生產綜合體中「綠色」部分氫氣生產。它正在安裝德國製造的設備,使用可再生能源通過分解水來製造氫氣。

脫碳第二階段,氨合成,需要對現有工藝進行重大改進或替換。蘇格蘭格拉斯哥大學的賈斯汀哈格里夫斯說,催化劑是這一過程的關鍵。它們對於打破氮分子的強鍵是必要的,這樣元素才能與氫結合。

拖拉機在英格蘭北約克郡的麥田上噴灑肥料。史蒂夫艾倫旅行攝影/阿拉米股票照片

Haber-Bosch 工藝使用鐵催化劑。但自從它發明以來,遊戲一直在尋找在較低溫度和壓力下有效工作的東西。 「解決低溫氨合成問題是化學領域的聖杯之一,」密西根大學的化學工程師Levi Thompson 說。但迄今為止,實現這一目標所需的化學物質尚未得到研究人員的了解。

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「大自然做到了,」哈格里夫斯告訴e360。 「植物根部細菌固氮發生在環境條件下,沒有高溫或高壓。但生產速度太慢,不適合大規模生產。」 希望正確的催化劑可以改變這種狀況。 「如果我們能做到,這是一個大獎,」哈格里夫斯說。

許多實業家都在參與其中。一家日本公司JGC 在福島擁有一座試驗工廠,利用其為合成氨而開發的新型釕催化劑,結合太陽能生產綠色氫氣。該公司聲稱已將製造所需的壓力減少了四分之三。由東京工業大學的Hideo Hosono 領導的另一支日本團隊正在支持鑭鈷催化劑。他聲稱它將所需的溫度降低到400 攝氏度。

一些人預見到未來的工藝將完全拋棄傳統的哈伯-博世工藝。今年6 月,澳大利亞莫納什大學的Doug MacFarlane 及其同事宣布成功開發了一種電化學工藝,用於破壞在室溫下可以產生氨的氮鍵。他們說關鍵是添加了鏻鹽,這極大地加速了反應。


第三個碳恐龍——也可能是最難改造的——是波特蘭水泥,之所以如此命名,是因為它類似於在英格蘭南部半島波特蘭開採的建築石材。它是由一位名叫約瑟夫·阿斯普丁的英國石匠於1824 年發明的。製造過程將白堊或石灰石(碳酸鈣)與粘土混合,然後在窯中以1450 攝氏度的溫度烘烤混合物,引發化學變化,產生一種稱為熟料的堅硬固體,與石膏結合製成水泥。然後將水泥與骨料和水混合以形成混凝土。

每年生產超過40 億噸波特蘭水泥,地球上每個居民都生產超過半噸。

窯內的高溫需要大量能源,通常是通過燃燒排放二氧化碳的化石燃料獲得的。此外,當碳酸鈣在窯中轉化時,主要的副產品是更多的二氧化碳。當窯爐燃料為煤時,每生產一噸水泥,窯爐會排放約1 噸二氧化碳。

全世界每年生產超過40 億噸波特蘭水泥,地球上每個居民都生產超過半噸。它使我們的世界充滿了水壩、道路、橋樑、塔樓、海堤和停車場。它佔人為二氧化碳排放量的8% 左右。

如何改變這個?雖然世界上大部分鋼材都被回收利用,但混凝土卻很少。建築物可以設計為再次拆開,並再次使用其組件。但很少有人。當破壞球隊到達時,除了垃圾填埋場或作為骨料之外,他們製造的瓦礫幾乎沒有任何未來用途。都柏林理工學院的布賴恩諾頓說,這種情況需要改變。 「建築物……應該設計成在使用結束時易於拆卸。」 或者我們可以使用其他建築材料,例如可持續採購的木材。

但是水泥生產過程本身呢?

如果窯中的煤被綠色氫取代,那可以減少總體二氧化碳排放量——但只能減少約三分之一。因此,需要採取措施消除生產過程中產生的二氧化碳。

一種方法是使用CCS 來捕獲CO2 排放。 IEA 在最近一份關於凈零排放路徑的報告中認為,到2050 年,CCS 對行業潛在減排量的貢獻高達55%。另一種方法是尋找二氧化碳的工業用途。本月早些時候,法國水泥生產商Vicat宣布計劃從其位於里昂附近的Montalieu-Vercieu 的窯中轉移40% 的二氧化碳,以製造甲醇,為全球最大的航運公司馬士基正在建造的新貨櫃船提供燃料。

中國長江沿岸的水泥廠。蒂姆格雷厄姆/蓋蒂圖片社

但也有脫碳選項可以改變水泥生產過程的原材料。國際能源署表示,水泥中多達一半的熟料可能會被其他材料替代,從生石灰石到發電廠的飛灰、廢棄輪胎和生活垃圾。

更激進的是,德國研究人員在上個月發表的一項研究中表示,窯中至少有一半的石灰石可以被富含氧化鋁的粘土所取代,稱為巴爾特拉粘土,這種粘土通常覆蓋在鋁土礦地質儲量之上,鋁土礦是鋁的原材料。德國馬丁路德大學的Herbert Pollmann 說,這種硫鋁酸鈣水泥既避免了燃燒碳酸鈣時的二氧化碳排放,又將燃燒溫度從1450 攝氏度降低到1250 攝氏度。 「我們的方法不僅在化學轉化過程中釋放了更少的二氧化碳,而且在加熱迴轉窯時也是如此,」波爾曼說,這有可能將總排放量減少三分之二。

另一種可能的解決方案是20 年前由澳大利亞工業化學家約翰哈里森發明的,用類似的岩石代替石灰石,碳酸鎂,通常稱為菱鎂礦,在礦物磁鐵礦和碳酸鈣的混合物中發現在低得多的溫度下,大約650 攝氏度,因此只需要一半的能量。但哈里森說,碳酸鎂最大的好處是所得到的混凝土在使用時能夠吸收大氣中的二氧化碳。

只要材料暴露在空氣中,這種「碳酸化」就會繼續進行,可能會重新捕獲製造時釋放的所有二氧化碳。因此,他說,由他的「生態水泥」製成的結構就像一棵樹——不斷吸收二氧化碳。

普通水泥也會產生碳酸鹽,但哈里森說他的版本持續時間更長。五年前,當一項研究表明傳統水泥的碳化程度高於普遍認識時,這一論點受到了挑戰。該研究發現,氣候科學家沒有註意到,「全世界現有的水泥庫存每年吸收大約10 億噸大氣二氧化碳。」

儘管如此,倫敦礦物產品協會的麥可泰勒認為哈里森的發明具有潛在價值。他認為,其主要問題可能是水泥行業臭名昭著的保守主義。新配方的初始成本很高,提供成品的耐用性可能需要幾十年的時間。 「創新者……將這種保守主義視為一個相當大的障礙,並且可能認為它的提出只是為了挫敗他們的目標,」泰勒說。

這是一個熟悉的問題。但是,與鋼鐵和氨一樣,綠色工藝的政治壓力可能會改變這一點。

Fred Pearce是英國的自由作家和記者他是耶魯環境360的特約作家編譯陳講運

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