本文針對意大利
鋼鐵生產的主要路線（長流程冶煉、廢鋼回收和直接還原），提出了三種可能減少
碳排放和能源消耗的未來情景，即碳捕獲與存儲（CCS）的使用、用綠氫替代天然氣和生物甲烷的利用。利用實際工藝數據和理論假設，計算了整個鋼鐵生產周期（從鐵礦石開采到最終鋼鐵產品）的碳排放和能源消耗，同時考慮了輔助排放源頭（如石灰石煅燒和氣體壓縮）的影響。評估結果有助于了解目前意大利鋼鐵生產的可持續性水平，并確定了未來發展中最具前景的情景。
1.1 情景1：碳捕獲和存儲技術的使用
表1定義了不同鋼鐵生產路線的CO2捕獲點。由于吸收二氧化碳的液體必須重新加熱才能再次捕獲二氧化碳，因此之前定義的碳排放和能耗已經被考慮進去。本研究假設，天然氣鍋爐用于提供單乙醇胺（MEA）再生所需的蒸汽，MEA通常用于捕獲化學物。
表2示出了不同情景下的碳排放和能源消耗。假設鍋爐以天然氣為動力，等效能量需求（以tCO2當量/tCO2捕獲表示）主要與捕獲CO2所用溶劑的回收有關，
運輸和存儲排放也包含在內。如果MEA再生的蒸汽是從爐膛的煙氣或爐渣中回收，那么捕獲設施產生的二氧化碳量會減少。利用爐渣的余熱回收，可以減少鍋爐生產蒸汽所消耗的天然氣和相關的二氧化碳排放，爐渣在1250℃的溫度下提供61kWh/t鋼的焓值。另一種可能是攔截爐膛廢氣，其特點是在1500℃時焓值為125kWh/t鋼，或在150℃時焓值為12.5kWh/t鋼。然而，煉鋼領域的余熱回收技術，特別是爐渣余熱回收技術，仍然沒有得到很好地發展。關于耗水量，假設采出淡水的5%被浪費（0.22m3H2O/tCO2捕獲），考慮傳統油井（不采用壓裂法生產頁巖油）采出過程中廢水的作用，其最大值為1.2×10-4m3H2O/m3CH4。表2示出的是捕獲和壓縮步驟的耗電量。假設前者需要40kWh/tCO2，而CO2壓縮步驟的
電力消耗取決于壓力。更準確地說，如果通過鐵路運輸二氧化碳，需要壓縮到15bar（91kWh/tCO2捕獲），另外，計算運輸的液化二氧化碳時，必須將額外的能耗69kWh/tCO2捕獲包括進去。壓縮到40bar就可以將氣體通過管道輸送到低壓礦床，耗電量為97kWh/tCO2捕獲。相反，如果使用高壓礦床，則需要壓縮到150bar，這相當于125kWh/tCO2捕獲。在這種情況下，還需要考慮通過管道輸送的97kWh/tCO2捕獲。對于制球機（PP）+直接還原（DR）的情況，只有DR排放的二氧化碳被認為是可捕獲的，而PP排放的部分被認為是不能捕獲的。
開采量是通過煉鐵和煉鋼廠的相關消耗以及CCS設施和天然氣開采的消耗之和來計算的。開采資源的價值是生產過程和開采設施所消耗資源價值的總和。煉鋼的CCS案例中的二氧化碳是捕獲過程后工廠排放的二氧化碳。
1.2 情景2：使用綠氫代替天然氣
在使用可再生能源生產氫氣的情況下，假設原料（表2）還原1.4tFe2O3，需要627Nm3的H2。假定可再生能源提供的淡水裂解每產生1Nm3H2的綠氫，至少相應的4.5%淡水提取量（0.81kgH2O/Nm3H2）被消耗。
為了評估具體的土壤消耗，有必要考慮到與可再生能源有關的價值。在意大利，風力渦輪機生產的可再生能源的比例低于光伏電站生產的比例。此外，風力是不規則和微弱的，無法保證合適的電源供應，因此土壤的開發與光伏板的覆蓋有關。一個峰值功率為300W的光伏板占地面積為1.6m2，在意大利，一個峰值功率為1kW、優化傾斜模塊和性能比為0.75的光伏系統每年產生的太陽能電力等于1300kWh。1kW的理論峰值功率覆蓋5.33m2，因此產生1kWh的能量意味著0.0041m2/kWh。假設耗電量為4.64kWh/Nm3H2，可以得到1Nm3的土壤耗電量。
在這種情況下，認為是氫氣燃燒產生的熱量以及制球所需的熱量用來生產CaO。
該估算是通過用H2代替天然氣建立的。在球團生產DRI時，雖然氫氣可以替代天然氣加熱，但不可能放棄無煙煤（或焦粉），因此需要5-10kg碳源/tDRI與鐵礦石混合。
1.3 情境3：生物甲烷的使用
在開發使用甲烷的情形下，首先假設生物沼氣的50%是甲烷形成的，其余主要是CO2形成。表2示出了一個提供500Nm3/h原料沼氣的沼氣廠的庫存原料。
CO2凈排放量根據歐盟指令（2018/2001）附件V，在對生物廢棄物和濕糞的沼氣進行升級和壓縮處理的假設下估算。只有在土地不用于糧食生產的情況下才需要計算土壤消耗。然而，在這種情況下，升級為生物甲烷的沼氣生產是基于農業廢棄物中的有機物質，來自牛、豬和家禽養殖產生的污水，因此不存在任何土壤凈消耗。
這種情況比另一種情況更復雜，因此這里提供了估計參數的簡要說明。從幾個來源的溫室氣體排放（EF）出發，可以計算出不考慮CCS貢獻（NEW）的總排放（GPE）和凈排放，如下所示：
GPE=EF生物甲烷生產+EF過程+EF采礦（煤+CaO）+EFCaCO3
（1）
NEW=GPE-EF生物甲烷生產
（2）
當CCS可用時，考慮捕獲效率為0.9（本案例還考慮了沼氣池和原始沼氣生產產生的二氧化碳的捕獲）。在這種情況下，GPE和NEW被標記為GPEccs和NEC，計算方法如下：
GPEccs=EF生物甲烷生產+（1-捕獲效率）EF過程+EF采礦（煤+CaO）
（3）
捕獲排放物=0.134×捕獲效率×EF過程
（4）
NEC=GPEccs+捕獲排放物-EF生物甲烷生產
（5）
三種情景在計算時均考慮了煤、石灰和天然氣開采及生產對環境的影響，如表3所示。H2的還原能力為627Nm3，對應CH4的還原能力為270Nm3（考慮無鐵滲碳是為了比較氫氣效應，而氫氣效應并不必然代表著鐵滲碳）。管道運輸是意大利內陸運輸大量氣體最常見的形態，對88MPa下55km的參考距離進行了氫輸運評估，而天然氣在4-7MPa下的參考距離為500km。此外，還針對特定的已開發的能源所消耗的能量進行了評估。
結論
針對鋼鐵生產過程中應用CCS、綠氫和生物甲烷的不同情景，評估和比較了CO2排放、水電消耗和土壤消耗對意大利鋼鐵行業當前的環境影響。此外，還對不同情景2021年和2050年的經濟可行性進行了評估。
根據估計，使用生物甲烷是最有利的情況，但因為需要大量的生物甲烷才足以支持煉鐵和煉鋼的需求，這種情景又是充滿挑戰的。另一方面，意大利對生物甲烷生產的興趣可能會加強這種設想在未來幾年的可行性，并進一步加強農業和能源之間的關系，以期實現長期的可持續性。
與生物甲烷和天然氣相比，由于其在消除二氧化碳和低運輸成本方面的優勢，氫氣的生產和使用令人感興趣。由于天然氣的反應活性，建議在20%天然氣流中運輸氫氣。然而，使用綠氫的不利之處是水耗的增加，以及巨大的電能消耗和土壤消耗。此外，在意大利，在當前十年中增加獨家生產綠氫的可再生能源量似乎是一個嚴峻的挑戰。因此，為了克服這一缺點，增加氫氣進口被認為是一種可行的解決方案，但代價是成本更高，并因此增加了與材料運輸有關的間接排放。
天然氣和CCS的使用帶來了極好的結果，特別是如果與生物甲烷結合使用。這樣的方案對于在電弧爐中添加直接還原鐵的煉鋼路線尤其有利，特別是在電弧爐預先預熱的情況下。在這種情況下，根據爐子的特定特性和直接還原鐵的成分，每進行100℃的直接還原鐵預熱，就有可能實現額外節省20-40kWh/t鋼的能源。此外，考慮到二氧化碳排放成本的增加和預計在未來幾年與CCS相關的成本的降低，對目前使用的生產系統進行改造似乎是減少鋼鐵行業對環境影響的最合理的解決方案。
