UwiÍzieni w epoce øelaza

W 1836 roku duÒski antykwariusz i kurator Christian J¸rgensen Thomsen wyrÛøni≥ trzy prehistoryczne ery na podstawie powszechnie uøywanych materia≥Ûw, broni i narzÍdzi tnπcych: EpokÍ Kamienia £upanego, EpokÍ Brπzu i EpokÍ Øelaza. Klasyfikacja Thomsena odnosi siÍ do przesz≥oúci, ale biorπc pod uwagÍ jego kryteria, nigdy nie wyewoluowaliúmy z epoki øelaza. Nawet w XXI wieku øelazo wciπø jest podstawowym materia≥em, nie tylko do wyroby broni i narzÍdzi do ciÍcia, ale dla prawie kaødej nowoczesnej technologii.

Dzisiaj øelaza uøywamy g≥Ûwnie w formie stali. Jednakøe, zgodnie z kryterium Thomsena, nie moøemy powiedzieÊ, øe øyjemy w Epoce Stali. Po pierwsze, stal to tylko stop øelaza (>98%) i wÍgla (<2%). Po drugie, ludzie produkujπ stal od poczπtku epoko øelaza. W úwiecie zachodnim jest to ma≥o znany fakt, poniewaø tutaj stal zaczÍto wytwarzaÊ dopiero w XIX w. dziÍki paliwom kopalnym. Dla porÛwnania, azjatyccy i afrykaÒscy metalurgowie opracowali wysokiej jakoúci stal znacznie wczeúniejszej, co pÛüniej pozwoli≥o to samo zrobiÊ Europejczykom ñ na znacznie wiÍksza skalÍ.¹

W roku 2021, úwiatowa produkcja øelaza i stali siÍgnÍ≥a 1950 milionÛw ton. To 22 razy wiÍcej niø produkcja aluminium i miedzi ≥πcznie (88 Mt). åwiatowa produkcja øelaza i stali odpowiada piÍciokrotnej úwiatowej produkcji plastiku (391 Mt) i przyÊmiewa produkcjÍ krzemu (8.5 Mt) i litu (0.1 Mt).²³ Stal to podstawowy materia≥ spo≥eczeÒstw przemys≥owych. Bez øelaza i stali cofnÍlibyúmy siÍ o 3000 lat do epoki brπzu.

Gdzie ta ca≥a stal?

Powszechna obecnoúÊ stali w spo≥eczeÒstwie przemys≥owym nie jest taka oczywista.⁴ W domu znajdziemy wiele stalowych urzπdzeÒ, takich jak lodÛwka, zmywarka, zlew, wanna i rÛøne urzπdzenia do grzania, gotowania i ch≥odzenia. Jednak tylko 2-3% ca≥kowitej produkcji stali trafia pod strzechy domÛw.⁵⁶⁷ Na zewnπtrz znajdziemy mnÛstwo stali w formie pojazdÛw. Na same samochody pasaøerskie zuøywa siÍ oko≥o 10% ca≥ej wyprodukowanej stali (20% w krajach bogatych). Autobusy, ciÍøarÛwki, pociπgi, statki i inne, to kolejne 4-5%. Wszystko razem wziÍte to jednak ciπgle mniej niø 20% úwiatowej produkcji stali.

WiÍkszoúÊ stali jest zamkniÍta w innych materia≥ach, ukrytych pod ziemiπ lub z dala od terenÛw zamieszkanych

WiÍkszoúÊ stali jest zamkniÍta w innych materia≥ach, ukrytych pod ziemiπ lub z dala od terenÛw zamieszkanych. Ponad po≥owa úwiatowej produkcji stali trafia do budownictwa, w co wliczajπ siÍ budynki (mieszkalne, us≥ugowe, przemys≥owe) i infrastruktura (mosty, tunele, porty, kana≥y, tory, szyby naftowe, rafinerie, rurociπgi, elektrownie, linie przesy≥owe, metro itd.) WiÍkszoúÊ tej stali kryje siÍ betonie. Øelbeton to czo≥owy globalny materia≥ budowlany, a cement to jedyny materia≥, ktÛrego produkcja moøe rÛwnaÊ siÍ z produkcjπ stali (1819 Mt w 2021 r.).

Z grubsza 15% úwiatowej produkcji stali s≥uøy do wyrobu maszyn, wliczajπc w to narzÍdzia, urzπdzenia przemys≥owe, komponenty elektryczne i maszyny budowlane, wydobywcze czy rolnicze. Nawet produkty wytwarzane z innych materia≥Ûw ñ takich jak metale, plastiki czy drewno ñ sπ obrabiane stalowymi narzÍdziami.⁴ Pozosta≥e 15% produkcji stali koÒczy jako najrÛøniejsze inne rzeczy, takie jak np. úruby, opakowania spoøywcze, meble czy kontenery morskie.⁵⁶⁷

ålad ekologiczny przemys≥u stali

Stal jest czÍsto przedstawiana jako jeden z najbardziej zrÛwnowaøonych materia≥Ûw. Inaczej niø plastiki, stal moøna ponownie przerabiaÊ bez utraty jakoúci. Przemys≥ hutniczy wykona≥ ogromny postÍp w zwiÍkszeniu sprawnoúci energetycznej produkcji, wiÍkszy niø jakikolwiek inny przemys≥. Wytworzenie jednej tony surowej stali wymaga teraz oko≥o 20 GJ energii pierwotnej ñ trzy razy mnie niø w roku 1950.⁸ To bardzo dobry wynik w porÛwnaniu z innymi materia≥ami, takimi jak aluminium (175 GJ/t), plastik (80-120 GJ/t), czy miedü (45 GJ/t)⁶ W przeciwnieÒstwie do plastiku stal jest materia≥em biodegradowalnym.⁹ Co wiÍcej, na úwiecie nie brakuje øelaza. Stanowi 5% skorupy ziemskiej i jest jednym z czterech najpowszechniejszych pierwiastkÛw.¹⁰ Dla porÛwnaniu miedü to tylko 0,01%.⁴

Jednak pomimo tych wszystkich zalet, úwiatowa produkcja øelaza i stali zuøywa wiÍcej energii i emituje wiÍcej gazÛw cieplarnianych niø jakikolwiek inny przemys≥. Ca≥kowite zuøycie energii pierwotnej do produkcji surowej stali wynios≥o 39 EJ w 2021 r. co odpowiada 7% ca≥kowitego úwiatowego zuøycia energii w omawianym roku (595 EJ). Emisja gazÛw cieplarnianych jest jeszcze wyøsza, poniewaø oko≥o 75% zuøytej energii pochodzi z wÍgla ñ najbardziej emisyjnego paliwa. W 2021 roku, produkcja øelaza i stali wygenerowa≥a 3.3 GT emisji wÍgla, oko≥o 9% úwiatowych emisji (36.3 GT).¹¹ NastÍpna by≥a produkcja cementu z 8% emisji.

Przemys≥ stali i øelaza zuøywa wiÍcej energii i produkuje wiÍcej dwutlenku wÍgla niø jakikolwiek inny przemys≥.

Powyøsze szacunki zosta≥y przygotowane przez World Steel Association i MiÍdzynarodowπ AgencjÍ Energetycznπ. DostÍpne sπ dane dotyczπce wszystkich metali na przestrzeni wielu lat, co pozwala na historyczne porÛwnania. Jednak dotyczπ one tylko procesu wytopu metali. Nie zawierajπ energii zuøytej i emisji towarzyszπcej wydobyciu i transportowi wÍgla, rudy øelaza, wapienia, z≥omu i wyrobÛw stalowych. Nie zawierajπ rÛwnieø energii i emisji przy produkcji koksu i wzbogacaniu rudy ñ niezbÍdnych procesÛw do wyrobu stali.⁶

Badania naukowe pokaza≥y, øe rzeczywiste emisje sπ jeszcze wiÍksze. Pokazujπ one, øe zuøycie energii produkcji stali wzrasta o 50% do 100%.¹² W jednym z raportÛw stwierdzono, øe emisje metanu z samego wydobycia wÍgla hutniczego mogπ zwiÍkszyÊ emisje o 27%. Inne badanie szacuje, øe transport morski rudy øelaza i stali zwiÍksza emisje o 10-15%.¹³¹⁴ Produkcja øelaza i stali stwarza rÛwnieø inne problemy úrodowiskowe, takie jak wysokie zuøycie wody, produkcja odpadÛw sta≥ych oraz znaczne zanieczyszczenie powietrza i wody.

ålad wÍglowy przemys≥u øelaza i stali jest niekompatybilny z dzisiejszymi za≥oøeniami zlikwidowania emisji netto do 2050 roku. Jest to tym bardziej widoczne biorπc pod uwagÍ, øe prawdopodobnie produkcja stali jeszcze wzroúnie. Produkcja stali wzros≥a dziesiÍciokrotnie od roku 1950 i podwoi≥a siÍ pomiÍdzy rokiem 2000 i 2020, rosnπc szybciej niø wielu badaczy przewidywa≥o.¹⁵ Co wiÍcej, poprawa efektywnoúci energetycznej zwolni≥a i zapanowa≥ konsensus naukowy, øe obecne technologie osiπgnÍ≥y swoje termodynamiczne granice.⁶⁸¹⁶ Od dwÛch dekad úrednie zuøycie energii przy produkcji jednej tony stali utrzymuje siÍ w granicach 20 GJ/t.⁸¹⁷

Jak wyprodukowaÊ stal bez paliw kopalnych?

Sπ dwa sposoby na zrobienie stali, jeden jest znacznie bardziej zrÛwnowaøony od drugiego.¹⁸ Mamy wielki piec czyli podstawowy konwerter tlenowy, w ktÛrym stal jest wytwarzana z rudy øelaza i wÍgla. Technologia ta ma juø - w swojej zasadniczej formie - 2000 lat. Z drugiej strony mamy elektryczny piec ≥ukowy, w ktÛrym stal jest wytwarzana ze z≥omu stalowego i energii elektrycznej. Elektryczny piec ≥ukowy, ktÛry jest stosunkowo nowπ technologiπ, zuøywa znacznie mniej energii od wielkiego pieca, wykorzystujπc zasoby pochodzπce z recyklingu (nie ma potrzeby wydobywania rudy øelaza) i dzia≥a bez bezpoúredniego uøycia wÍgla lub innych paliw kopalnych (energia elektryczna moøe byÊ dostarczana przez energiÍ s≥onecznπ, wiatrowπ lub atomowπ).

Najbardziej wydajne energetycznie elektryczne piece ≥ukowej zuøywajπ dzisiaj mniej niø 300 kWh prπdu na jednπ tonÍ wyprodukowanej stali.⁸¹⁹ Hipotetycznie, jeúli w 2021 r. wyprodukowalibyúmy ca≥π stal w takich piecach, ca≥kowite úwiatowe zuøycie energii przez przemys≥ øelaza i stali wynios≥oby tylko 585 TWh. To odpowiada jedynie jednej trzeciej energii wytworzonej w omawianym roku przez wszystkie turbiny wiatrowe (1 848 TWh). Wielkie piece zuøywajπ dwadzieúcia razy wiÍcej energii i nie moøna ich zasilaÊ prπdem, poniewaø wÍgiel jest w nich jednoczeúnie paliwem jak i chemicznym reduktorem. Podczas spalania wÍgla powstaje tlenek wÍgla, ktÛry redukuje zawarte w rudzie øelazo.⁶

Za ma≥o dostÍpnego z≥omu

Rozwiπzanie wydaje siÍ oczywiste; produkujmy ca≥π stal w elektrycznych piecach ≥ukowych. Niestety, to niemoøliwe.²⁰ Mamy za ma≥o z≥omu; ciπg≥y wzrost globalnej produkcji stali uniemoøliwia cyrkularny przep≥yw surowcÛw. Z regu≥y potrzeba dekad, aby jakaú stal trafi≥a do recyklingu. Na przyk≥ad 543 Mt stali jest uwiÍziona w statkach.²¹ IloúÊ dostÍpnego do recyklingu z≥omu w 2021 roku odpowiada poziomowi produkcji stali z roku 1965, kiedy na úwiecie wytwarzano mniej niø ÊwierÊ tego co dzisiaj (450 Mt).⁸⁹¹⁴²² Zatem, pozosta≥e trzy czwarte musi byÊ wyprodukowane w wielkich piecach z wÍgla i úwieøo wydobytej rudy øelaza.

Dzisiaj Chiny produkujπ mniej wiÍcej po≥owÍ stali úwiata i robiπ to prawie wy≥πcznie (>90%) w wielkich piecach za pomocπ koksu i rudy øelaza. Wiele z pozosta≥ych krajÛw producentÛw stali w wiÍkszym stopniu wykorzystuje elektryczne piece ≥ukowe. Nie wytykajmy jednak palcami Chin. Po pierwsze, USA i Europa od poczπtku obecnego wieku przenios≥y sporπ czÍúÊ swojego przemys≥u do Chin, co dobrze koreluje siÍ z chiÒskim wzrostem produkcji stali. Co wiÍcej, dwadzieúcia do czterdziestu lat temu, Chiny prawie nie uøywa≥y stali. Efekt tego taki, øe Chiny nie majπ praktycznie krajowego z≥omu. Nie majπ wyboru, jak tylko uøywaÊ wielkich piecÛw.²³

Coraz wyøsze gatunki stali

Drugπ przeszkodπ jest ciπg≥e opracowywanie wyøszych gatunkÛw stali. Mamy dzisiaj ponad 2500 rÛønych rodzajÛw stali o odmiennych w≥aúciwoúciach, takich jak zwiÍkszona wytrzyma≥oúÊ, odpornoúÊ na wysokie temperatury czy anty-korozyjnoúÊ.⁶⁸²²²⁴ Chociaø te lepsze gatunki stali mogπ byÊ produkowane za pomocπ ≥uku elektrycznego, to nie sπ robione ze z≥omu i przy ich produkcji zuøywa siÍ wiÍcej energii.

Stal nadajπca siÍ do recyklingu to mieszanina rÛønych rodzajÛw stali. Ten miks jest dobry do wyrobienia prostej stali wÍglowej, ale nie stopÛw stali, wymagajπcych z≥omu o zbliøonych w≥aúciwoúciach. Co wiÍcej, takiego z≥omu nie ma. Na przyk≥ad, stal nierdzewna, najpopularniejszy rodzaj wysokogatunkowej stali, ma poziom powtÛrnego przerobienia rÛwny 15%. W 2021 roku wyprodukowano prawie 60 Mt stali nierdzewnej, a w roku 1980 tylko 4 Mt.²⁵ Tradycyjne wykorzystanie tego rodzaju stali to noøe, narzÍdzia chirurgiczne, narzÍdzia medyczne i sprzÍt do przetwarzania øywnoúci. Dzisiaj tÍ stal znajdziemy w tunelach i meblach ogrodowych, oczyszczalniach úciekÛw, odsalaczach wody morskiej, reaktorach jπdrowych i w rafineriach biopaliw.⁶

Niski poziom recyklingu i potrzeba wydobycia dodatkowych pierwiastkÛw, takich jak chrom, nikiel, molibden, powodujπ øe wyøsze gatunki stali sπ bardziej energoch≥onne w produkcji. Na przyk≥ad, produkcja stali nierdzewnej wymaga prawie 80 GJ na tonÍ, cztery razy wiÍcej niø produkcja prostej stali wÍglowej.⁶²² Ciπg≥e opracowywanie wyøszej jakoúci gatunkÛw stali jest stymulowane przez prawodawstwo úrodowiskowe (np. wymÛg uøywania løejszej stali w samochodach) i przez konkurencjÍ ze strony innych materia≥Ûw, takich jak aluminium czy syntetyczne kompozyty.⁶⁸²²²⁴ Jak na ironiÍ, konkurencja z tymi materia≥ami, ktÛre zuøywajπ jeszcze wiÍcej energii, powoduje øe stal jest mniej ekologiczna.

Stal i energia odnawialna

Przemys≥ stalowniczy jest mocno uzaleøniony od ürÛde≥ energii, ale ürÛd≥a energii sπ rÛwnieø mocno uzaleønione od przemys≥u stalowniczego. Prawie 10% úwiatowej produkcji stali idzie na budowÍ i utrzymanie infrastruktury energetycznej. IloúÊ zuøywanej na ten cel stali odpowiada ca≥ej úwiatowej produkcji surowca z roku 1950. Spora czÍúÊ tej stali idzie na infrastrukturÍ gazowπ i naftowπ.²⁶ Wydobycie gazu i ropy, dalej przetwarzanie i transport, wymagajπ stali, tak samo jak platformy wiertnicze, rurociπgi, rafinerie, tankowce i zbiorniki paliwa. Wydobycie wÍgla wymaga stalowych wierte≥, ciπgnikÛw, ≥adowarek, koparek i ciÍøarÛwek.⁶

Niestety, planowane przejúcie na nisko-wÍglowe ürÛd≥a energii i elektryfikacja technologii grzewczych i transportowych nie zmniejszy naszej zaleønoúci od stali ñ wrÍcz przeciwnie. Nisko-emisyjna sieÊ energetyczna wymaga duøo wiÍcej stali ( i innych materia≥Ûw) od infrastruktury bazujπcej na paliwach kopalnych. W porÛwnaniu do paliw kopalnych wiatr i s≥oÒce sπ bardzo rozproszonymi ürÛd≥ami energii. Potrzeba wiÍc znacznie wiÍcej materia≥Ûw (i ziemi) do wygenerowania tej samej iloúci energii. Inøynier powiedzia≥by, øe energia wiatrowa i s≥oneczna ma niskπ ‚ÄúgÍstoúÊ mocy‚Äù oraz wysokπ ‚ÄúgÍstoúÊ materia≥owπ.‚Äù^2728293031

Nisko wÍglowa sieÊ energetyczna wymaga znacznie wiÍcej stali od infrastruktury opartej o paliwa kopalne.

‚ÄústalointensywnoúÊ‚Äù elektrowni gazowych i wÍglowych to 50-60 ton stali na jeden megawat zainstalowanej mocy.³² Elektrownie wodne majπ niøszπ stalointensywnoúÊ, 20-30 ton stali na MW. RÛwnieø niøsza jest stalo-intesywnoúÊ elektrowni atomowych, waha siÍ pomiÍdzy 20-40 ton na zainstalowany MW.⁶³² Dla porÛwnania, fotowoltaika wymaga miÍdzy 40 a 170 ton stali na MW.³²³³ Chociaø same panele nie zawierajπ stali, albo jest jej bardzo niewiele, to jest wybierana jako materia≥ do produkcji struktur, na ktÛrych siÍ je instaluje.

Stal i energia wiatru

Wymagajπce najwiÍkszej iloúci stali ürÛd≥o energii‚Äì w tym momencie‚Äì to nowoczesna turbina wiatrowa. Stalo-intesywnoúÊ turbiny wiatrowej zaleøy od jej rozmiarÛw. Pojedyncza, duøa turbina wymaga znacznie wiÍcej stali na megawat zainstalowanej mocy niø dwie ma≥e turbiny.³⁴ Na przyk≥ad, turbina o mocy 3.6 MW o wieøy wysokoúci 100 metrÛw potrzebuje 335 ton stali (83 t/MW), kiedy 5 MW turbina z 150 metrowπ wieøπ wymaga 875 ton stali (175 t/MW).³⁵ Trend zmierza do coraz wyøszych i bardziej stalo-intensywnych turbin.

Zuøycie stali wzrasta jeszcze bardzie w przypadku turbin morskich. Lπdowa elektrownia wiatrowa wymaga øelbetonu do budowy fundamentÛw, za to morska potrzebuje masywnych stalowych konstrukcji, takich jak s≥upy czy kratownice.³⁶ Stalo-intesywnoúÊ lπdowych turbin wiatrowych oblicza siÍ na oko≥o 450 ton na 1 MW dla turbiny o mocy 5 MW ñ osiem razy wyøsza stalointensywnoúÊ od elektrowni gazowej lub wÍglowej.³⁴ Jednoczeúnie ze wzrostem wysokoúci turbin i stawianiu ich w coraz g≥Íbszych wodach, roúnie ich zapotrzebowanie na stal.

Najpopularniejsza moc morskiej turbiny wiatrowej wynosi dzisiaj 7 MW, kiedy najwiÍksze dochodzπ do 14 MW.³⁴ Z powyøszych danych moøemy oszacowaÊ (stalointensywnoúÊ podwaja siÍ przy kaødym podwojeniu mocy), øe morska turbina wiatrowa o mocy 14 MW potrzebowa≥aby 1300 ton stali na 1 MW, albo inaczej 18200 ton w ogÛle. Na takπ turbinÍ posz≥o by 24 razy wiÍcej stali niø na elektrowniÍ termalnπ tej samej mocy.

KrÛtsza przewidywana øywotnoúÊ

RÛønica pomiÍdzy odnawialnymi ürÛd≥ami energii, a paliwami kopalnymi staje siÍ jeszcze bardziej widoczna jeúli stalointensywnoúÊ obliczymy nie dla mocy zainstalowanej, ale dla wyprodukowanej energii. W przeciwieÒstwie do elektrowni gazowej czy wÍglowej, produkcja energii przez turbiny czy fotowoltaikÍ zaleøy od pogody i nie zawsze pracujπ one z pe≥nπ mocπ. Tym samym, zastπpienie 1 MW paliw kopalnych wymaga zainstalowania 4 MW energii s≥onecznej lub 2 MW energii wiatrowej.³⁷ Turbina wiatrowa o mocy 14 MW ma zatem stalointensywnoúÊ 50 razy wyøszπ niø elektrownia na paliwa kopalne na kaødπ kilowatogodzinÍ wyprodukowanej energii.³⁸

Turbina wiatrowa o mocy 14 MW ma zatem stalointensywnoúÊ 50 razy wyøszπ niø elektrownia na paliwa kopalne na kaødπ kilowatogodzinÍ wyprodukowanej energii

Elektrownie s≥oneczne i wiatrowe majπ rÛwnieø krÛtszπ øywotnoúÊ (20-30 lat) w porÛwnani z elektrowniami cieplnymi (30-60 lat).³⁰ Nie wp≥ywa to na stalointensywnoúÊ jednego zainstalowanego MW, ale zwiÍksza jeszcze bardziej stalointensywnoúÊ na jednostkÍ wyprodukowanej energii. Nie musi to zawsze prowadziÊ do podwojenia zuøytej stali, poniewaø fundamenty turbiny morskiej i podpory paneli s≥onecznych majπ d≥uøszπ øywotnoúÊ od generatorÛw energii, ktÛre siÍ na nich wspierajπ, i moøna je wykorzystaÊ ponownie.³⁹

Infrastruktura przesy≥owa

Powyøsze dane zawierajπ tylko stal zuøytπ do budowy samych elektrowni. Nie wlicza siÍ w to stali zuøytej do konstrukcji rurociπgÛw, koparek wÍgla, platform wiertniczych i tym podobnych, potrzebnych do funkcjonowania elektrowni cieplnych. Jednak analogiczna sytuacja wystÍpuje dla nisko-wÍglowych ürÛde≥. Poniewaø potrzebujπ one znacznie wiÍcej surowcÛw od elektrowni cieplnych (stali, ale takøe innych metali i minera≥Ûw), polegajπ na globalnej infrastrukturze wydobywczej i transportowej, ktÛra jest tam samo stalointensywna jak ≥aÒcuchy dostaw paliw kopalnych.

Co wiÍcej, poniewaø sπ bardziej rozproszonymi ürÛd≥ami energii, o nieciπg≥ej i nieprzewidywalnej produkcji mocy, czÍsto po≥oøonymi z dala od centrÛw konsumpcji energii, to odnawialne ürÛd≥a energii napÍdzajπ rozrost infrastruktury przesy≥owej. Ta infrastruktura rÛwnieø polega na stali ñ od stacji transformatorowych do przewodÛw energetycznych.^272829303140

Dodajmy na koÒcu, øe nisko-emisyjne ürÛd≥a energii majπ wyøsze zapotrzebowanie na wysokogatunkowπ stal, ktÛra jest bardziej stalointensywna w produkcji. Stal dla morskich turbin wiatrowych powinna byÊ odporna na korozjÍ. RÛwnieø przy panelach fotowoltaicznych coraz czÍúciej uøywa siÍ stali nierdzewnej.⁴¹ Stal elektrotechniczna (wÍglowo-krzemowo) jest niezbÍdna do budowy transformatorÛw zainstalowanych na tubinach.⁶ Elektrownie atomowe wykazujπ wzglÍdnie niskπ stalointensywnoúÊ, ale buduje je siÍ wy≥πcznie z uøyciem energointensywnej stali. Na przyk≥ad, ok≥adziny elementÛw paliwowych zawierajπcych rozszczepialny uran wymagajπ stali cyrkonowej, natomiast wszystkie elementy konstrukcyjne zawierajπ austenitycznπ stal nierdzewnπ.⁶⁴²

NiskowÍglowej sieci energetycznej nie moøna zrobiÊ ze stali z recyklingu

Wysoka stalointesywnoúÊ niskowÍglowych ürÛde≥ energii stawia nas przed tak zwanym ‚Äúparagrafem-22‚Äù, sytuacjπ ktÛra wydaje siÍ nie mieÊ øadnego wyjúcia, bez wzglÍdu na to co zrobimy. BÍdziemy potrzebowaÊ duøo wiÍcej stali jeúli chcemy zamieniÊ elektrownie cieplne na odnawialne. Poniewaø nie mamy wystarczajπcej iloúci z≥omu, musimy produkowaÊ potrzebnπ stal z rudy øelaza w wielkich piecach zasilanych paliwami kopalnymi. Øeby zmierzyÊ siÍ ze zmianami klimatu musimy szybko postawiÊ w wielkiej iloúci nowe niskoemisyjne ürÛd≥a energii. Jednak, aby dojúÊ do cyrkularnego obiegu materia≥Ûw i wybudowaÊ elektrownie odnawialne ze z≥omu i energii odnawialnej, musielibyúmy robiÊ coú przeciwnego; zahamowaÊ rozwÛj nisko-wÍglowej sieci energetycznej.

Powszechnie cytowane badanie z 2013 r. wykaza≥o, øe jeúli energia wiatrowa i s≥oneczna dostarczy≥aby 25000 TWh energii elektrycznej ‚Äì co odpowiada ca≥kowitemu globalnemu zapotrzebowaniu na energiÍ elektrycznπ w 2021 r. ‚Äì, to budowy samych elektrowni odnawialnych potrzebowalibyúmy oko≥o 3200 Mt stali.³²⁴³ Przewiduje siÍ, øe globalne zapotrzebowanie na energiÍ elektrycznπ wzroúnie do 52000 - 71000 TWh w 2050 r., co zwiÍkszy≥oby dodatkowe zapotrzebowanie na stal do 6400 - 8960 Mt.⁴⁴ Jeúli roz≥oøymy to na ca≥y okres eksploatacji paneli s≥onecznych i turbin wiatrowych (25 lat), musielibyúmy produkowaÊ od 256 do 358 Mt dodatkowej stali rocznie, aby wytwarzaÊ turbiny wiatrowe i podpory paneli s≥onecznych - co jest porÛwnywalne z zapotrzebowaniem na stal dla samochodÛw osobowych (195 Mt) i innych úrodkÛw transportu (98 Mt) ≥πcznie.

To wciπø bardzo optymistyczne szacunki. Zapotrzebowanie na energiÍ elektrycznπ stanowi jedynie oko≥o 20% ca≥kowitego zapotrzebowania na energiÍ. Jeúli ca≥kowite zapotrzebowanie na energiÍ (177000 TWh w 2021 r.) by≥oby zaspokajane przez energiÍ wiatrowπ i s≥onecznπ, potrzebowalibyúmy 22400 Mt stali. To ‚Äô dodatkowe 896 Mt stali rocznie ‚Äì tyle, ile wynosi≥a globalna produkcja na poczπtku XXI wieku. Moøna twierdziÊ, øe energiÍ elektrycznπ moøna zuøywaÊ efektywniej energetycznie od paliw kopalnych, na przyk≥ad w samochodach i systemach grzewczych. Oczekuje siÍ jednak, øe w tym samym czasie ca≥kowite zapotrzebowanie na energiÍ jeszcze wzroúnie, co zniweluje korzyúci p≥ynπce ze zwiÍkszonej efektywnoúci energetycznej.

Hi-techowe rozwiπzania

Przemys≥ hutniczy liczy na rozwiπzania technologiczne, ktÛre uczyniπ produkcjÍ stali neutralnπ pod wzglÍdem emisji dwutlenku wÍgla. Jednπ z moøliwoúci jest zastπpienie wÍgla gazem, co jest juø powszechnym podejúciem na Bliskim Wschodzie i w Ameryce PÛ≥nocnej. Produkcja stali w oparciu o gaz przek≥ada siÍ na nieco niøszπ emisjÍ dwutlenku wÍgla, ale nadal jest ona znacznie wyøsza niø w przypadku elektrycznego pieca ≥ukowego. W zwiπzku z tym, najwiÍcej uwagi poúwiÍca siÍ wodorowi, ktÛry moøe zastπpiÊ koks jako czynnik redukujπcy w piecu szybowym z bezpoúredniπ redukcjπ.⁴⁵ Produkcja stali w oparciu o wodÛr nie zapewnia jednak unikniÍcia “paragrafu-22”, poniewaø jeszcze bardziej zwiÍksza zapotrzebowanie na infrastrukturÍ wymagajπcπ duøych iloúci stali.

Produkcja wodoru jest energoch≥onna. Potrzeba 50-55 kWh, aby wyprodukowaÊ 1 kg wodoru, a do wyprodukowanie 1 tony stali potrzeba 60 kg wodoru.⁴⁵ Produkcja 1 tony stali z wodorem poch≥ania zatem 3000 kWh energii elektrycznej, co jest dziesiÍciokrotnie wyøszym zuøyciem energii elektrycznej niø w przypadku elektrycznego pieca ≥ukowego wytwarzajπcego stal ze z≥omu. W zwiπzku z tym, produkcja stali oparta na wodorze wymaga oko≥o dziesiÍciokrotnie wiÍcej turbin wiatrowych i paneli s≥onecznych niø produkcja stali ze z≥omu - a tym samym dziesiÍciokrotnie wiÍcej stali. Do tego dochodzi stal do budowy rurociπgÛw i zbiornikÛw magazynowych, ktÛre sπ czÍúciπ infrastruktury wodorowej.

Wychwytywanie i sk≥adowanie dwutlenku wÍgla, polegajπce na sekwestracji dwutlenku wÍgla z hut stali, a nastÍpnie sk≥adowaniu go pod ziemiπ, napotyka na te same problemy. Wymaga ono infrastruktury ze stali i dodatkowej energii, poúrednio zwiÍkszajπc zuøycie paliw kopalnych. PowrÛt do starszych, przedindustrialnych procesÛw produkcji stali rÛwnieø nie jest rozwiπzaniem. Dzisiejszy wielki piec jest zasadniczo nadal wielkim piecem z poprzednich stuleci, tylko znacznie bardziej energooszczÍdnym.⁶

Rozwiπzanie low-tech

Naszkicowany obraz wydaje siÍ dawaÊ niewielkπ nadziejÍ na neutralnπ pod wzglÍdem emisji dwutlenku wÍgla produkcjÍ stali i energii. Jednak istnieje low-techowe rozwiπzanie, ktÛre moøe tego dokonaÊ. Moglibyúmy przystosowaÊ produkcjÍ stali do dostÍpnoúci z≥omu, zarÛwno w sensie iloúci jak i jakoúci. Pozwoli≥oby nam to produkowaÊ stal w elektrycznych piecach ≥ukowych, drastycznie zmniejszajπc zuøycie energii i eliminujπc prawie ca≥π emisjÍ dwutlenku wÍgla. Oczywiúcie celem nie powinno byÊ zastπpienie stali kompozytami z tworzyw sztucznych i aluminium, poniewaø ich produkcja jest jeszcze bardziej energoch≥onna. Jedynym rozwiπzaniem jest ogÛlne ograniczenie zuøycia materia≥Ûw.

Moglibyúmy przystosowaÊ produkcjÍ stali do dostÍpnoúci z≥omu, zarÛwno w sensie iloúci jak i jakoúci

Ograniczenie produkcji stali i stosowanie bardziej typowych jej gatunkÛw nie cofnie nas do epoki brπzu. Jak zauwaøono, globalna dostÍpnoúÊ z≥omu øelaznego wynosi≥a oko≥o 450 mln ton w 2021 r., co pozwoli≥oby nam z grubsza wyprodukowaÊ jednπ czwartπ obecnej produkcji stali. Co wiÍcej, podaø z≥omu bÍdzie ros≥a przez kolejne 40 lat, umoøliwiajπc nam produkcjÍ coraz wiÍkszej iloúci niskoemisyjnej stali kaødego roku. Oczekuje siÍ, øe do 2050 r. dostÍpnoúÊ z≥omu wzroúnie do oko≥o 900 mln ton, co stanowi prawie po≥owÍ dzisiejszej globalnej produkcji stali.⁴⁶ Ca≥π tπ dodatkowπ stal moøna zainwestowaÊ w rozbudowÍ niskoemisyjnej sieci energetycznej, bez uprzedniego zwiÍkszania emisji.

Istnieje wiele moøliwoúci zmniejszenia intensywnoúci zuøycia stali przez wspÛ≥czesne spo≥eczeÒstwo. Wszystkie nasze podstawowe potrzeby - i nie tylko - mog≥yby byÊ zaspokajane przy znacznie mniejszym udziale stali. Moglibyúmy na przyk≥ad wytwarzaÊ løejsze samochody, zmniejszajπc ich rozmiary. Da≥oby to oszczÍdnoúÊ energii bez koniecznoúci stosowania energoch≥onnej stali wysokiej jakoúci. Moglibyúmy zastπpiÊ samochody rowerami i transportem publicznym, dziÍki czemu wiÍcej osÛb korzysta≥oby z mniejszej iloúci stali. Takie zmiany zmniejszy≥yby rÛwnieø zapotrzebowanie na stal w infrastrukturze drogowej, energetycznej i przemyúle wytwÛrczym. Potrzebowalibyúmy mniej obrabiarek, kontenerÛw transportowych i øelbetowych budynkÛw. Za kaødym razem, gdy zmniejsza siÍ intensywnoúÊ zuøycia stali, korzyúci kaskadowo przenoszπ siÍ na ca≥y system. Zapobieganie korozji i bardziej lokalna produkcja stali z lokalnych zasobÛw rÛwnieø zmniejszy≥aby zuøycie energii i emisje.⁹¹³

Ciπg≥y wzrost produkcji stali ‚Ärosnπca stalointensywnoúÊ produkcji w dzisiejszym spo≥eczeÒstwie‚Äì sprawia, øe zrÛwnowaøona produkcja stali staje siÍ niemoøliwa. Øadna technologia nie moøe tego zmieniÊ, poniewaø nie jest to problem technologiczny. Podobnie jak leúnictwo moøe byÊ zrÛwnowaøone tylko wtedy, gdy popyt na drewno nie przekracza jego podaøy; stal jest zrÛwnowaøona lub nie w zaleønoúci od rÛwnowagi miÍdzy podaøπ (z≥omu) a popytem (stali). Moøemy nie byÊ w stanie uciec z epoki øelaza, ale mamy moøliwoúÊ ucieczki od “paragrafu-22”, ktÛry nierozerwalnie ≥πczy produkcjÍ stali z paliwami kopalnymi.⁴⁷