Водородная плазма при производстве стали в Норвегии

Для достижения климатических целей необходимо найти альтернативы без выбросов. Одним из перспективных решений является технология водородной плазмы, которая может заменить ископаемый углерод в производстве металлов и способствовать зеленому переходу в отрасли. 

Сегодня металлургическая промышленность является одним из ведущих экспортных секторов Норвегии, при этом значительный объем производства ферросплавов и алюминия поставляется на мировой рынок.

Глобальная металлургическая промышленность использует уголь и кокс для извлечения металлов из руды, что приводит к значительным выбросам CO₂. Хотя Норвегия может похвастаться одним из самых чистых процессов производства металлов в мире, благодаря использованию гидроэлектроэнергии, все еще существуют значительные выбросы из-за использования ископаемого топлива, такого как металлургический кокс, который используется в качестве восстановителей при переработке сырья. 

Почему водородная плазма? 

В минералах металлы обычно связаны с кислородом и другими элементами, образуя то, что мы называем «рудами». Чтобы извлечь пригодный для использования металл, нам нужно удалить кислород. Однако обычный газ недостаточно реактивен, чтобы добиться этого. Нагревая водород до очень высоких температур, он превращается в плазму, которая значительно более реактивна, чем обычный водород. Эта высокореактивная плазма гораздо более эффективна для удаления кислорода из руды, тем самым производя желаемый металл. 

Как работает водородная плазма? 

В традиционном производстве стали углерод из угля используется для удаления кислорода из железной руды, выделяя большое количество CO₂. С водородной плазмой происходит тот же химический процесс, но вместо CO₂ вырабатывается только водяной пар. Теоретически это может сделать производство стали практически без выбросов. 

Исследователи из SINTEF сейчас изучают, как водородная плазма может быть использована в производстве ферромарганца, важного сплава в сталелитейной промышленности. Они изучают, как можно масштабировать технологию, требуемые энергетические ресурсы и потенциальное влияние на норвежскую промышленность. 

- Если мы добьемся успеха с водородной плазмой, мы сможем устранить значительные выбросы CO₂ в металлургической промышленности. Это может стать прорывом для зеленого перехода в производстве стали, - говорит Кристин Блай, магистр наук в SINTEF. 

Проект HyPla исследовал, как водородная плазма может заменить углерод в производстве металлов, тем самым исключив выбросы CO₂. С помощью теоретических исследований, лабораторных экспериментов и пилотных испытаний проект разработал новый производственный процесс, в котором электричество и водородная плазма использовались для восстановления марганцевой руды. Это заложило важную основу для устойчивой и безэмиссионной металлургии. Чтобы оценить более широкие, трансграничные эффекты, возникающие в результате внедрения технологии водородной плазмы, мы провели сценарий «что если», объединив анализ глобальной цепочки создания стоимости (GVC) и модель многорегионального ввода-вывода (MRIO). Наша оценка рассмотрела потенциальные экономические, экологические и социальные последствия широкомасштабного внедрения HyPla в Норвегии.  

Проблемы и возможные решения 

Хотя водородная плазма имеет большой потенциал, существуют и 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 осуществимость : Переход на производство стали на основе водорода требует значительных инвестиций в новые объекты и инфраструктуру. Схемы поддержки и сотрудничество между промышленностью и правительством могут помочь сделать технологию конкурентоспособной. 

• Промышленная адаптация : Переход на водородную плазму повлияет на цепочку создания стоимости в отрасли. Поставщики угля и кокса могут потерять долю рынка, в то время как появятся новые рабочие места в сфере производства водорода и передовой обработки материалов. 

Что это означает для перехода к зеленой экономике в Норвегии? 

Если технология водородной плазмы окажется успешной, Норвегия сможет укрепить свои позиции лидера в устойчивой промышленности. Для достижения этого перехода потребуется реализация нескольких ключевых мер.

Инвестиции в водородную инфраструктуру
Для обеспечения широкого внедрения технологии водородной плазмы требуются значительные инвестиции в водородную инфраструктуру. Это включает обеспечение масштабирования производства водорода для удовлетворения растущего спроса со стороны таких отраслей, как производство стали. Кроме того, инфраструктура для хранения водорода имеет решающее значение для поддержания стабильных поставок, особенно с учетом изменчивой природы 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 затраты на водород и улучшат его доступность во всех секторах. 

Расширение исследований и инноваций
Текущие исследования и инновации имеют решающее значение для преодоления технических проблем в технологии водородной плазмы и обеспечения ее экономической жизнеспособности. Благодаря пилотным проектам и испытательным установкам исследователи могут тестировать технологию в реальных условиях, собирать ценные данные для улучшения процессов и определять области для дальнейшего развития. Эти усилия помогут снизить затраты на производство водородной плазмы, включая потребление энергии и расходы на оборудование, а также будут способствовать масштабированию технологии для более широких промышленных применений. Также необходимы исследования для изучения новых материалов, оптимизации плазменных реакций и разработки более устойчивых методов производства. Это поможет сделать водородную плазму надежным и экономически эффективным решением для производства стали без выбросов. 

Тесное сотрудничество между промышленностью и правительством
Переход к технологии водородной плазмы требует тесного сотрудничества между частным сектором и государственными органами. Правительства могут играть ключевую роль в поддержке разработки и внедрения технологии водородной плазмы посредством финансовой поддержки, грантов и стимулов, которые снижают начальное инвестиционное бремя для компаний. Такие программы помогут снизить финансовые риски, позволяя отраслям быстрее экспериментировать с технологией и внедрять ее. Кроме того, нормативные рамки и политики, способствующие внедрению чистых технологий, будут согласовывать промышленные цели с экологическими и общественными целями, обеспечивая плавный переход. Тесное сотрудничество также позволяет обмениваться знаниями и передовым опытом, гарантируя, что водородная плазма станет отраслевым стандартом.

Развитие компетенций и образование
Для интеграции технологии водородной плазмы в норвежскую промышленность инвестиции в развитие навыков рабочей силы имеют решающее значение. Это включает в себя программы обучения и образования для инженеров, техников и квалифицированных рабочих, чтобы гарантировать, что у них есть необходимые знания для работы с передовыми технологиями. Университеты и научно-исследовательские институты должны адаптировать свои учебные программы, включив в них водородные технологии, охватывающие производство, хранение и промышленные приложения. Развитие компетенций не только будет стимулировать инновации, но и гарантировать, что рабочая сила будет хорошо оснащена для адаптации к изменениям, вызванным зеленым переходом. 

Дорога впереди 

Водородная плазма все еще находится на стадии исследования, но прогресс ускоряется. Если проблемы, связанные с потреблением энергии и затратами, будут решены, эта технология может стать одним из важнейших решений для производства металлов без выбросов. Обладая обильными возобновляемыми источниками энергии и ведущими в мире исследовательскими средами, Норвегия имеет уникальную возможность возглавить этот переход. В то же время мы должны гарантировать, что переход будет справедливым, предоставляя работникам и предприятиям время и ресурсы, необходимые для адаптации. 

Влияние водородно-плазменной технологии на устойчивое развитие 

Наш анализ воздействия на устойчивое развитие оценивает внедрение технологии водородной плазмы для производства ферромарганца в Норвегии. 

Последствия для Норвегии
Переход Норвегии на технологию водородной плазмы для производства ферромарганца приносит с собой сочетание возможностей и проблем. Хотя есть значительный прирост добавленной стоимости и занятости в наукоемких услугах, капитальных товарах и поставках электроэнергии, традиционные секторы, такие как горнодобывающая промышленность, разработка карьеров и производство кокса, сталкиваются с заметными неудачами. 

Воздействия на GVC
Воздействия за пределами Норвегии менее значительны, но выявляют заметные закономерности. Из-за структуры цепочки создания стоимости ферромарганца, как восходящий (поставщики), так и нисходящий (потребители) секторы испытывают воздействие. Однако восходящая часть цепочки создания стоимости сталкивается с большими компромиссами. 

Краткосрочные выбросы, долгосрочное воздействие

Наши результаты показывают, что на этапе инвестиций плазменная технология приводит к краткосрочному увеличению выбросов парниковых газов в секторах основных металлов, электроэнергии и газа, а также в химическом секторе Норвегии из-за более высокого спроса на энергию и материалы. Однако во время эксплуатации выбросы снижаются в секторах добычи полезных ископаемых, кокса и продуктов нефтепереработки. Хотя водородная плазма потенциально обеспечивает экологические преимущества в долгосрочной перспективе, устойчивость — это нечто большее, чем просто сокращение выбросов. Переход на эту технологию может вызвать значительные волновые эффекты во взаимосвязанных глобальных цепочках поставок. Например, переход от процессов на основе углерода может снизить спрос на традиционные восстановители, такие как металлургический кокс, в то время как энергоемкий характер водородной плазмы может увеличить потребность в инфраструктуре возобновляемой энергии. Эти изменения могут повлиять на отрасли, регионы и рабочие места далеко за пределами производственных площадок.  

С точки зрения норвежской социально-экономической перспективы, внедрение этой технологии может принести пользу таким секторам, как машинное оборудование и профессиональные услуги. Однако глобальные экономические эффекты на этапе эксплуатации неоднозначны. Норвегия испытывает положительное влияние на добавленную стоимость и занятость, но в глобальном масштабе такие сектора, как горнодобывающая промышленность и производство кокса, приходят в упадок из-за снижения спроса на кокс, что влияет на такие страны, как Дания, Бразилия, Нигерия и США. 

Источник: https://www.sintef.no/en/latest-news/2025/can-hydrogen-plasma-enable-emission-free-steel-production/