本文最初发布于 Undark。
在美国马萨诸塞州沃本市，波士顿以北的一处郊区，一群身穿白大褂的工程师和科学家在一间霓虹灯照明的实验室里，仔细查看着一堆整齐码放的砖块大小、枪灰色钢锭。
他们查看的是一种创新制造方法生产的钢材。这种方法由一家十年前从麻省理工学院（MIT）分离出来的公司 Boston Metal 开发，该公司希望这种方法能彻底改变几个世纪以来钢铁的生产方式。该公司声称，通过利用电力将铁与矿石分离，他们可以生产出不排放二氧化碳的钢铁，从而为治理这个温室气体排放量最严重的行业之一提供了途径。
作为工程和建筑的基本要素，钢铁是世界上最受欢迎的工业材料之一，年产量超过 20 亿吨。然而，这种丰富性却付出了沉重的环境代价。钢铁生产占全球温室气体排放量的 7% 至 11%，是大气污染最大的工业来源之一。而且，由于到 2050 年，产量可能会 增加 三分之一，这种环境负担可能会进一步加剧。
这给应对气候危机带来了重大挑战。联合国 表示，大幅减少工业碳排放对于将全球变暖控制在 2015 年《巴黎气候协定》设定的 1.5 摄氏度以下至关重要。国际能源署（IEA）的 估算 显示，为了实现这一目标，到 2050 年，钢铁和其他重工业的排放量必须下降 93%。
面对来自政府和投资者的减排压力日益增大，包括大型生产商和初创企业在内的许多钢铁制造商正在试验低碳技术，这些技术使用氢气或电力替代传统的碳密集型生产方式。其中一些努力已接近商业化。
“我们谈论的是一个资本密集、风险规避、极少发生颠覆性变革的行业，”总部位于巴黎的研究智库 IDDRI 的能源经济学家 Chris Bataille 说。因此，他补充道，“如此多的事情同时发生，这令人兴奋。”
尽管如此，专家们一致认为，要改造一个年营业额达 2.5 万亿美元、雇佣超过 600 万人 的全球性行业，将需要巨大的努力。除了在时间上扩大新工艺规模以实现全球气候目标方面的实际障碍外，还存在对中国（全球一半以上的钢铁产量来自中国，其钢铁行业脱碳计划仍不明确）的担忧。
“当然，要使这个行业脱碳并非易事，”Bataille 说。“但别无选择。这个行业的未来——以及我们气候的未来——就取决于此。”
现代炼钢涉及多个生产阶段。最常见的方法是，铁矿石被粉碎并制成烧结矿（一种粗糙的固体）或球团矿。另外，煤被烘烤并转化为焦炭。然后将矿石和焦炭与石灰石混合，并送入大型高炉，从底部通入极热的空气。在高温下，焦炭燃烧，混合物产生被称为生铁或高炉铁的液态铁。然后，熔融材料进入氧气炉，通过水冷喷枪吹入纯氧，强制去除碳，最终得到粗钢。
这种方法，最早由英国工程师亨利·贝塞麦（Henry Bessemer）在 19 世纪 50 年代获得专利，通过多种方式产生二氧化碳排放。首先，高炉中的化学反应会产生排放，因为焦炭和石灰石中截留的碳与空气中的氧气结合，产生二氧化碳作为副产品。此外，通常会燃烧化石燃料来加热高炉，为烧结厂和球团厂以及焦炉提供动力，在此过程中排放二氧化碳。
世界上高达 70% 的钢铁通过这种方式生产，每生产一吨钢铁就会产生 近两吨二氧化碳。其余的 30% 几乎全部通过电弧炉生产，电弧炉使用电流熔化钢材（主要是回收的废钢），其二氧化碳排放量比高炉 低得多。
“当然，要使这个行业脱碳并非易事，”Bataille 说。“但别无选择。这个行业的未来——以及我们气候的未来——就取决于此。”
然而，由于废钢供应有限，并非所有未来的需求都可以通过这种方式满足，总部位于旧金山的能源和气候政策公司 Energy Innovation 的行业项目总监兼建模主管 Jeffrey Rissman 表示。他表示，如果政策得当，到 2050 年，回收利用可以满足全球需求的 45%。“其余的需求将通过锻造原始矿石钢铁来满足，而这正是大部分排放的来源。”
因此，“如果钢铁行业认真对待”其气候承诺，“它将不得不从根本上改变这种材料的制造方式——而且要相当快地做到这一点，”他补充道。
正在测试的一种替代技术是用氢气取代焦炭。在瑞典，钢铁制造商 SSAB、能源供应商 Vattenfall 和铁矿石生产商 LKAB 的合资企业 Hybrit 正在试验一种旨在改造名为“直接还原铁”的现有系统。该过程使用化石燃料产生的焦炭从铁矿石球团中提取氧气，留下一种称为海绵铁的多孔铁球。
Hybrit 方法则使用无化石氢气提取氧气。氢气通过电解产生，电解是一种利用电流（在这种情况下，来自无化石能源）将水分解为氢气和氧气的技术。（如今，大多数纯氢气是用甲烷制成的，甲烷燃烧时会产生二氧化碳）。然后，所得的海绵铁进入电弧炉，最终提炼成钢。该过程仅排放水蒸气作为副产品。
Vattenfall 工业脱碳负责人 Mikael Nordlander 表示：“这项技术已经存在一段时间了，但到目前为止只在实验室里进行过。“我们现在要做的是看看它是否能在工业层面运作。”
去年 8 月，Hybrit 达到了它的第一个里程碑：生产和销售最终产品的 SSAB 向汽车制造商沃尔沃（Volvo）交付了第一批无化石钢材，沃尔沃 将其用于车辆原型。该公司还计划建设一个商业规模的生产工厂，目标是到 2026 年完工。
另一家瑞典公司 H2 Green Steel 也在开发类似的商业规模氢钢厂，获得了包括梅赛德斯-奔驰、斯堪尼亚（Scania）和与宜家（Ikea）有关联的 IMAS 基金会在内的私人投资者和公司的 1.05 亿美元投资。该公司 计划 在 2024 年开始生产，并在本十年末实现每年生产 500 万吨零排放钢材。其他测试氢气炼钢的公司包括德国的 ArcelorMittal、蒂森克虏伯（Thyssenkrupp） 和 萨尔茨吉特（Salzgitter AG）；韩国的 浦项（Posco）；以及奥地利的 沃斯特阿尔卑（Voestalpine）。
电力也可以用于还原铁矿石。例如，Boston Metal 开发了一种名为“熔氧化物电解”的工艺，在这种工艺中，电流流过含有铁矿石的电池。当电流在电池两端之间传输并加热矿石时，氧气会冒泡（并可被收集），而铁矿石被还原成堆积在电池底部的液态铁，并定期放出。然后，纯净的铁与碳和其他成分混合。
该公司业务发展高级副总裁 Adam Rauwerdink 解释说：“我们所做的基本上是用电力替代碳作为还原剂。“这使我们能够使用比传统炼钢少得多的能源和更少的步骤来生产高质量的钢材。”他补充说，只要电力来自无化石能源，该过程就不会产生碳排放。
他表示，该公司目前在其沃本工厂运营着三条中试线，并正在利用去年从包括比尔·盖茨（Bill Gates）支持的 Breakthrough Energy Ventures 和德国汽车制造商宝马（BMW）在内的投资者集团那里筹集的 5000 万美元，将实验室概念推向市场。预计一家商业规模的示范工厂将在 2025 年投入运营。
亚利桑那州立大学材料科学与工程学教授 Sridhar Seetharaman 表示：“我认为所有这些解决方案都有其用武之地，具体取决于地点、资源可用性和目标产品。“但我不认为目前任何一种方法都能提供解决需求问题的万灵丹。”
IDDRI 的能源经济学家 Bataille 表示：“氢气由于基于现有系统，因此具有一定的先发优势，并且在商业化方面也处于领先地位。“但要实现一个净零排放的钢铁行业，需要更多的无碳途径，所以我认为最终市场上将有足够的空间容纳所有这些途径。”
尽管绿色炼钢工艺似乎正在获得动力，但仍有许多严峻的挑战需要应对。科罗拉多州非营利组织 Rocky Mountain Institute 的高级主管 Thomas Koch Blank 表示，其中最重要的是，全行业转向这些新方法将需要大规模扩展可再生能源基础设施。他估计，要实现现有原始钢铁生产的电气化，世界将需要目前已安装太阳能和风能的 3 倍。
另一个障碍是成本。转向电力或氢气将需要巨额的资本支出，用于建造新工厂和改造旧工厂。Koch Blank 指出，对于清洁氢气方法而言，钢材的价格将会上涨，主要是因为钢铁生产商靠近低成本的焦煤，而不是低成本的氢气。“这些前期成本很可能会在初期推高钢材和最终产品的价格。”
旧金山分析师 Rissman 表示，供需两端的立法都可以帮助抵消这些更高的成本，并鼓励更多地投资于绿色技术。他表示，政府可以通过要求由政府资助的项目使用低碳版本的指定建筑材料，来鼓励使用低碳钢材建造和基础设施。他们还可以执行政策，使从排放规定不那么严格的国家购买商品变得更加昂贵。Rissman 说，这将有助于国内生产商在清洁钢材市场“不断增长、新生产工艺实现规模经济”的情况下“保持竞争力”。
Rauwerdink 说：“我们面临着一个巨大的挑战。”但他补充道，“我们正在证明解决方案确实存在，并且有效。”
也许最大的障碍是中国，那里 约 90% 的钢铁产量是通过高炉实现的。2020 年 9 月，习近平主席 宣布，中国力争在 2060 年前实现碳中和。为了减少国内钢铁厂（占全国总碳排放量的 约 15%）的污染，北京还承诺在 2030 年前 实现钢铁排放峰值。尽管如此，据赫尔辛基研究机构能源与清洁空气研究中心（Center for Research on Energy and Clean Air）称，仅在 2021 年上半年，中国就宣布了 18 个新的高炉项目，据报道。
Rissman 表示，钢铁是最重要也是最难脱碳的行业之一，因此全球在此方面的协调将大有帮助。
回到波士顿，Rauwerdink 视察着 Boston Metal 的工厂生产线，表示赞同。“我们面临着一个巨大的挑战，”他说。但他补充道，“我们正在证明解决方案确实存在，并且有效。”
