越过铁器时代

麻省理工学院（MIT）的研究生悉尼·罗斯·约翰逊（Sydney Rose Johnson）从未见过印度中部的钢铁厂。她从未参观过美国中西部庞大的钢铁厂或密西西比河上的小型工厂。但在过去的一年里，她对钢铁生产的熟悉程度超出了她的想象。

Johnson 是化学工程专业四年级双学位 MBA 和博士候选人，麻省理工学院能源计划 （MITEI） 的研究生研究助理，以及 2022-23 年壳牌能源研究员，他着眼于减少难以减排的行业中工业过程产生的二氧化碳 （CO₂） 排放的方法。这些包括钢铁。

基础设施和交通的几乎每个方面——建筑、桥梁、汽车、火车、公共交通——都含有钢铁。自铁器时代以来，钢铁的制造没有太大变化，美国和印度的一些钢铁厂几乎连续运行了一个多世纪，他们的大型高炉定期用碳和石墨重新衬里以保持运转。

根据世界经济论坛的数据，预计到2050年，钢铁需求将增长30%，部分原因是中国、印度、非洲和东南亚的人口增长和经济发展。

钢铁行业_是全球三大二氧化碳生产国之一。根据世界钢铁协会的数据，2020 年生产的每吨钢铁平均向大气中排放 1.89 吨二氧化碳，约占全球_{二氧化碳排放量}的 8%。

约翰逊指出，需要将技术战略和金融投资相结合，才能将这8%的数字降低到对地球更友好的东西上。

约翰逊的论文侧重于建模和分析钢铁脱碳的方法。她使用从学术界和工业界挖掘的数据，建立模型来计算工厂级生产的排放、成本和能源消耗。

“我根据排放目标、行业承诺和成本来优化钢铁生产途径，”她说。根据印度钢铁工业的预期增长，她将这种方法应用于案例研究，预测该国一千多家工厂中的一些工厂的结果，这些工厂的钢铁生产能力为1.54亿吨。对于美国，她着眼于《通胀削减法案》（IRA）信用的影响。2022年《通胀削减法案》提供的激励措施可以加速钢铁行业减少碳排放的努力。

Johnson 比较了不同生产途径的排放和成本，提出了以下问题：“如果我们从今天开始，几年后成本最佳的生产方案会是什么样子？如果我们添加积分，情况会如何变化？到2030年，要把2005年的排放量减少一半，必须采取什么措施？

“我的目标是了解当前和新兴的脱碳战略将如何融入行业，”约翰逊说。

解决工业问题

她在亚特兰大郊外的佐治亚州玛丽埃塔长大，她最接近任何类型的工厂是通过她的父亲，她是一名化学工程师，在一家航空航天公司从事物流和采购钢铁工作，在高中期间，她花了一个学期与化学工程师一起工作，调整消泡剂的pH值。

在科布县的 STEM 磁铁项目肯尼索山高中，学生们将高年级的整个学期用于实习和研究项目。

Johnson 选择在凯米拉化工公司工作，该公司为水密集型行业开发化学解决方案，重点是纸浆和造纸、水处理和能源系统。

“我的目标是了解为什么聚合物产品会从悬浮液中脱落——从本质上讲，为什么它不太稳定，”她回忆道。她学会了如何配制实验室规模的产品，并进行测试以测量其粘度和酸度。比较实验室规模和常规产品结果表明，酸度是一个重要因素。“通过与导师的交谈，我了解到这与导致产品被氧化的保温条件有关，”她说。确定消泡剂的问题后，可以采取措施进行修复。

“我学会了如何解决问题。通过与质量控制团队以及工厂现场的研发和化学工程师建立联系，我学到了更多关于在工业环境中工作的知识，“约翰逊说。“这段经历证实了我想在大学攻读工程学。”

在斯坦福大学读本科时，她了解了化学工程师可以学习的不同领域——生物技术、环境科学、电化学和能源等。“这似乎是一个非常多样化的领域和应用范围，”她说。“我对我看到人们所做的不同事情以及所有这些不同的问题非常感兴趣。

调高热量

在麻省理工学院，她将注意力转向某些行业如何抵消其对气候的不利影响。

“我对技术对全球社区、环境和政策的影响很感兴趣。能源应用影响着每个领域。作为一名化学工程师，我的目标是在解决问题方面拥有广阔的视野，并找到使尽可能多的人受益的解决方案，尤其是那些资源不足的人，“约翰逊说，他曾在麻省理工学院化学工程研究生咨询委员会、麻省理工学院能源和气候俱乐部任职，并参与了多样性和包容性倡议。

约翰逊承认，钢铁行业并不是她最初想象的那样，当时她认为自己正在努力缓解气候变化。

约翰逊说：“但现在，了解这种材料在基础设施发展中的作用，再加上它对煤炭的大量使用，已经阐明了该行业以及其他难以减排的行业在气候变化对话中的重要性。

她指出，尽管许多钢厂已经老龄化，但有些钢厂非常节能。然而，这些产生超过3000华氏度的热量的操作仍然是排放密集型的。

钢铁由铁矿石制成，铁矿石是铁、氧和其他矿物的混合物，几乎在各大洲都有发现，仅巴西和澳大利亚每年出口数百万公吨。通常基于可追溯到 19 世纪的工艺，通过冶炼从矿石中提取铁——用高炉加热矿石，直到金属变得海绵状，其化学成分开始分解。

需要还原剂来释放矿石中捕获的氧气，将其从原始形式转化为纯铁。约翰逊指出，这就是大多数排放的来源。

“我们希望减少排放，我们希望为每个人创造一个更清洁、更安全的环境，”她说。“这不仅仅是_{二氧化碳排放。} 有时，其中一些生产设施中的NO_x 和SO_x （氮氧化物和硫氧化物）以及空气污染颗粒物也会影响人们。

2020 年，国际能源署发布了一份路线图，探索使钢铁行业更符合该机构提高可持续性愿景的潜在技术和战略。该机构建议，可以通过更现代的技术来实现减排，或者通过替代产生加工矿石所需的巨大热量的燃料来实现。传统上，用于炼铁的燃料是煤和天然气。替代燃料包括清洁氢气、电力和生物质。

Johnson 使用 MITEI 可持续能源系统分析建模环境 （SESAME） 分析了各种脱碳策略。她考虑了一些选择，例如将熔炉的燃料转换为氢气和少量天然气，或者添加碳捕获装置。这些模型展示了这些策略的有效性。答案并不总是令人鼓舞的。

“上游排放可以决定这些策略的有效性，”约翰逊说。从林业生物质中提取的木炭似乎是一种很有前途的替代燃料，但她的模型表明，加工用于高炉的木炭限制了其抵消排放的有效性。

尽管面临挑战，但“肯定有前进的办法，”约翰逊说。“就了解行业所处的位置而言，这是一段有趣的旅程。还有很长的路要走，但这是可行的。

约翰逊对钢铁行业努力将废钢回收成新的钢铁产品，并采用更环保的技术和实践感到鼓舞，其中一些技术和实践的_{二氧化碳排放量} 明显低于传统生产。

一个主要问题是，低碳钢的成本可能比传统生产的钢高出50%以上。“转型是有成本的，但在环境影响的背景下，我认为采用这些技术是非常值得的，”她说。

毕业后，约翰逊计划继续在能源领域工作。她说：“我绝对希望利用工程知识和商业知识的结合来缓解气候变化，无论是在使用清洁技术的创业领域，还是在政策背景下。“我有兴趣将私营和公共部门联系起来，以实施改善环境和造福尽可能多的人的措施。”