欧盟建立清洁钢铁合作计划（CSP） 规划钢铁工业未来的发展路线
作者：1发布时间：2023-03-21
据欧盟排放贸易体系(EU Emissions Trading System)数据，在欧洲地区，目前钢铁工业的二氧化碳排放量占据了整体工业排放量的20%-25%。钢铁厂商对于减排这一话题也表现得十分积极，这对于钢铁行业达成碳中和的目标起到了积极作用。多年以来，钢铁产业一直处于研发创新的前沿，而欧盟清洁钢铁合作计划（CSP）的建立，及对钢铁工业未来的发展所制定的规划路线，也让欧盟钢铁产业的低碳发展之路更为顺畅。
欧盟清洁钢铁合作计划（CSP）的长期愿景是致力于将欧洲钢铁产业的碳中和完善化，并领先于世界其他国家和地区。在此当中，CSP将设定6个特定目标，并在未来7至10年内完成，进而推动欧洲钢铁产业整体碳中和的发展。这6既定目标包括：
1、将根本性脱碳工艺（carbon direct avoidance）引入钢铁产业并实现成熟落地；
2、提升智能用碳（SCU）乃至碳捕获、利用和储存（CCUS）技术在钢铁产业的应用，进而减少化石燃料在钢铁产业中的大规模采用，从而显著减少二氧化碳的排放；
3、发展可部署技术，以提高能源和资源效率；
4、提升钢铁废料和残留物的回收利用效率，从而改善智能资源的使用，并进一步支持欧盟的循环经济模式；
5、论证清洁钢铁突破技术，促进钢铁产业完成“气候中立”；
6、根据欧盟钢铁工业战略，加强欧盟钢铁工业的全球竞争力。
为实现这些目标，CSP所支持的研发与创新活动将围绕以下主要干预领域展开：
1、两种技术路线：根本性脱碳工艺（CDA）与提升智能用碳在未来将细化分为“SCU-CCUS”以及“ SCU-PI”（智能用碳工艺整合）；
2、循环经济（CE）项目广泛支持技术途径；
3、循环经济在多种途径下有可能与产业相结合；
4、促进产业落地，例如在相关领域提供可靠的解决方案进而保持欧盟国家在钢铁行业在世界范围内的领先性。
目前，CSP整体目标的整体设定是基于技术成熟度（TRL）8发展而来，将欧盟钢铁生产的二氧化碳排放量从1990年的水平减少80-95%，最终实现气候中立。
此外，通过使用再生钢提高钢铁利用率并减少钢铁需求是欧盟炼钢脱碳的重要杠杆。然而，由于未来精炼钢仍会被广泛使用。所以需要部署新的炼钢技术，以取代煤基高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）路线。
钢铁产业目前正在探索各种减少二氧化碳排放的方式。在短期内，大规模修改工艺并，从化石燃料转换为低二氧化碳能源可以实现有限的二氧化碳减排。与CCUS技术相结合，可以进一步减少排放。
此外，另一种途径似乎正在成为大多数欧洲钢铁制造商的主要方法论，即用依靠氢气或电力减少铁矿石的突破性技术来完全替代现有工艺，从而使生产钢铁几乎不排放二氧化碳成为可能。部署这些技术需要用新的钢铁企业取代现有的钢铁工艺。关键技术包括：
1、使用氢气（H-DRI）将铁矿石（DRI）直接还原为铁，从而完全避免使用化石燃料。到2030年，这一技术便可落地。但依赖于大量低成本的二氧化碳氢气和电力的供应。一些钢铁制造商正在探索使用天然气作为过渡燃料，直到可接受的成本获得足够的氢气。
2、电解工艺，即在高温（熔融氧化物电解）或低温（电解沉积）下仅使用电还原铁矿石。虽然这些技术可能会改变游戏规则，但预计在2040年之前不会部署。
3、在无化石燃料介入下，通过熔融还原方式将铁矿石转化为铁。这项技术高度集成，非常高效。但由于该技术处于早期发展阶段，预计2040年前无法实现。
CSP规划图中显示了六个相关领域及其关系：
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减少欧盟钢铁产业二氧化碳排放的技术途径和推动者
根本性脱碳工艺(CDA) 包括了在炼钢过程中避免碳排放的技术。CDA主要依靠基于氢气和绿色电力的钢铁生产工艺，即无碳排放的钢铁生产方式。SCU-CUS包含有避免向大气排放碳的技术。该技术支持钢铁厂排放气体中的一氧化碳和二氧化碳作为原料进而维护企业的运营。以智能用碳工艺整合（SCU-PI）的形式实现的智能碳利用，可以减少煤基高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）和电弧炉（EAF）钢铁生产中使用的化石燃料（煤炭、天然气等），并减少二氧化碳排放。
CSP坚持认为，如要实现钢铁产业的碳中和愿景，就要双管齐下，确保两条炼钢路线（如上所述，在SPIRE/P4P合作关系下），即BF-BOF和EAF——的落地应用可行性。这是因为这两种技术仍是确保欧盟钢铁产业能够使用不同原材料交付高质量钢等级的重要因素，进而支撑欧盟国家的战略安全。
目前，欧盟两条路线之间的产量份额已经明确，其中约60%的产能通过BF-BOF路线生产，约40%通过EAF路线生产。采用EAF技术路线生产钢铁要比BF-BOF路线所产生的二氧化碳排量更低。对于使用BF-BOF工艺生产的每吨粗钢，约产生1.3至1.8吨的二氧化碳。一吨钢材用EAF工艺生产需要约400-500kWh（千瓦时）的电力和80-120kg的直接与250-350kg的间接二氧化碳排放。
循环经济（Circular Economy）是一种再生系统，借由减缓、封闭与缩小物质与能量循环，使得资源的投入与废弃、排放达成减量化的目标。基于此概念，CSP认为欧盟钢业产业的碳中和之路，应采用更少的原材料并应用更多可回收/循环利用的材料，进而促进该地区钢铁产业逐渐摆脱对自然资源的依赖，并且在此过程中减少50%以上的二氧化碳排放。
循环经济主要基于废料利用、废料分类和利用新的检测技术更好地去除废料污染，提高了钢铁的回收和资源效率。该技术理念还包括在产业内部或其他部门利用钢铁生产的残留物（即工业共生industrial symbiosis）。此外，循环经济还将支持用替代含碳材料替代化石材料，以及应用废热热源技术在钢铁生产当中。
钢铁产业脱碳，只是其中一环
据了解，钢铁产业的脱碳进程也是欧盟战略能源计划第六计划（SET Plan Action 6）的一环。该计划旨在使能源密集型工业减少能源、资源和排放密集型，从而提高该地区竞争力。成员国和非欧盟SET计划相关国家、行业和研究利益相关者与欧盟委员会一起，确定了技术选项和研发活动，以提高能源和资源效率，并大幅减少欧洲加工行业的温室气体排放。
在本实施计划中，SET成员定义并描述了跨越四个工业部门和两个交叉技术领域的六个专题小组，包括来自19个SET国家的代表、来自四个部门和交叉技术领域中的工业利益相关者以及研究机构。每个专题组都制定了目标，SET旨在促进上述目标的落地实现，并针对这六个专题小组及其组成的研发活动，制定了具有TRL（技术等级）目标的运营实施计划、时间表、预期交付成果和所需预算。
下图概述了这六个专题小组以及为开发相关的低碳工业技术而优先考虑和计划的研发活动：
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SET Plan Action 中的专题小组
SET Plan Action 6的设定的六个专题领域，其重点是旨在提高TRL的研发活动，以实现欧洲工业在脱碳过程中所需要的技术及其他方面的解决方案，并基于技术的领先性，旨在为未来占据全球脱碳技术的市场。
在此当中，两个专题小组采用交叉方法（“Heat&Cold”和“System”），利用工业部门之间的协同作用和技术潜力，来共同制定低碳解决方案，进而实现碳中和。
跨领域专题小组“Heat&Cold”的目标是在5至10年内发展到TRL7。目前，热和冷发电、升级和回收技术正在研发中，也许这些技术已经成熟，但是否能落地并产生经济价值方面，尚不足以在所有工业场景中使用。因此，该专题组包括了热升级、废热发电和冷发电、多联产和混合发电厂整合可再生能源的研发活动。
“System”专题组的目标是实现TRL7-8级，但达到TRL9则更为理想。在该专题小组设定的时间框架内，此后的5-10年“System”专题的重点是整合概念（基于技术）、提高公众对此处所涉专题的认识。为了让此专题小组的内容发挥最大效用，需要强大的数字工具来管理数据流、改进流程并保证产品和服务的质量。研发内容包括工业共生、CCUS在内的非常规能源，数字化与知识共享以及职工能力培训建设。
在“Cement”(水泥产业)中，除电气化外，大多数技术方案的现有TRL均为中等/高。SET Plan Action 6侧重于已处于中/高水平的TRL的研发活动，因此很有可能进而达到示范和早期市场采用阶段（TRL7-9）。
“Chemicals”小组的研发活动中，除电气化(electrification)和CCU（碳捕捉与利用）外，现有TRL主要为中等和或高等。现在需要将其过度到落地阶段，并扩大规模以供市场采用，因此本案例中的目标是TRL7-9。研发活动包括电气化和工艺效率、低碳氢、塑料废物和二氧化碳/一氧化碳作为替代原料的生产。
上文所提到的“钢铁”产业专题小组主要遵循CSP路线图。它的目标是将低碳技术引入TRL7和8级别以上，因此它将主要从中等TRL开始规划。拟定的研发活动包括使用氢气和电力直接还原铁、熔融还原炼铁创新工艺、高炉炉顶煤气循环工艺（TGRBF）、碳捕获和使用（CCU）。新的交叉话题是循环经济。
在“Pulp& Paper”研发范围覆盖了TRL2到TRL8，这就意味着该专题组涵盖了长期研究项目和短期即可落地的课题。目前的研发活动包括整体干燥和热回收、无水分蒸发的造纸、工艺优化和电气化、温和制浆工艺、现场可再生能源转换以及生物质作为替代原料。
