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材料科技:永續發展的綠色材料–鋼鐵

鋼鐵產品使用壽命長,可無限次回收再製,因此是發展再生能源必需的重要材料。透過生命周期評估,鋼鐵的應用的確是實現永續發展,推動綠色經濟的關鍵。
 
 
 
推動永續能源持續成長

鋼鐵材料具有優越的機械特性與應用性,是開發風力發電、太陽光電、潮汐發電等能源所需的關鍵材料。永續能源如風力發電,在運轉過程中不用消耗化石燃料,不會排放CO2,而製造風力發電機所需消耗的能量,經生命周期評估發現只要運轉3至5個月便能回收,而且當風機的效率越來越高時,鋼鐵所扮演的角色益形重要。

一般而言,風力發電機可以使用20到30年,其結構體有高達80%是由鋼鐵材料所組成,且發電機中使用的電磁鋼更是提升發電效率的關鍵。更妙的是,當產品生命周期結束時,所有的鋼鐵材料都能回收再利用。此外,製造、運輸風力發電機所需的機具及各式輸配電設施等,都需應用大量的鋼鐵材料,而煉鐵過程附帶產出的高爐水泥也可應用於土木工程的施作,這些事實都顯示鋼鐵的確是推動永續能源成長的關鍵。

永續性的生產與消費模式

經濟與社會的發展應該符合地球生態的動態平衡法則和資源可持續利用原則,而鋼鐵具有高強度、耐久性與磁性,因此其產品有較長的生命周期,易篩選,並且可無限次回收使用。考量鋼鐵產品的生命周期,若能讓其學習生態系的生物代謝機制,發展出鋼鐵的技術代謝,將更能深化鋼材的永續循環使用。

目前全球廢汽車回收率高達97%,觀之2006年全球報廢汽車回收廢鋼是4.59億公噸,相當於減少8.27億公噸的CO2排放,也節省了8.68億公噸鐵礦與2.42億公噸煤礦。未來鋼鐵產品將持續朝向對環境有利的設計,使鋼材循環利用生生不息,成為用越多越環保的材料。

減碳潛能

鋼材生命周期減碳的潛能,可以從鋼鐵產品生命周期中自原物料開採運輸、鋼材製造、鋼材加工、產品使用、棄置回收等各個階段來發掘。

在原物料開採運輸階段,可透過原物料的有效運用來減少開採,運輸原物料的船舶應該使用高強度鋼板製造,使船舶能更大型化及運速更快,又可降低運輸的排碳。在鋼材製造階段,可透過生產過程中持續的節能與廢熱回收,以及新煉鐵技術的突破,逐步降低製造階段的碳足跡。

在鋼材加工階段,可透過免調質熱鍛微合金鋼、免調質冷鍛加工用鋼等省製程鋼的開發,使下游客戶能簡省淬回火處理等程序,降低鋼材加工時的能耗與碳排。在使用階段,例如:透過高強度鋼的應用使汽車減重,進而降低使用階段的燃料耗用;應用高品級電磁鋼於馬達、發電機與壓縮機以提升效率,降低使用階段的電力耗用;開發與應用耐蝕鋼,以延長橋梁、建築等結構的使用年限,減低建築結構的生產與工程施工的頻率。在棄置回收階段,可透過廢鋼回收再利用,降低鋼鐵生產時在能源方面的耗用。

綜合上述,鋼材在生命周期各階段都有減碳的潛能,當然各項新技術的研發是減碳潛能成立的重要關鍵。

實現永續發展

考量用鋼產品生命周期對環境的衝擊,發現鋼材生產時的能耗僅占產品總能耗的很小部分,若再使用高機能性鋼材,更可降低使用、棄置等階段對環境的衝擊,也更具降低CO2總排放量的優勢。目前鋼鐵在汽車、風能、橋梁、建築等的應用,都能提供永續可行的發展模式。

汽車使用階段的CO2排放量占其生命周期總排放量的80%以上,但若使用高強度鋼材(advanced high-strength steel, AHSS),不但能降低重量,增加防撞性,且每減重10%,就可以減少油耗達1.9~8.2%。以5人座家庭房車為例,使用AHSS車重可減9%,因而降低了5.1%的能耗及5.7%的溫室氣體排放量,總生命周期中整部車共計減量2.2公噸CO2,其削減量比生產汽車用鋼時所產生的CO2還多,效益確是不凡。如果2008年全球的汽車全部使用AHSS,則整年共計可減量1.56億公噸CO2

在風力發電方面的應用,以3 MW風力發電機運轉20年產生的總電能為其生命周期所耗能源的80倍。在鋼構應用方面,建物及橋梁的鋼材平均生命周期可達40~100年,甚至更長。惟若經鍍鋅後,鋼材將更具耐腐蝕性,可延長鋼構的生命周期達377年。在建築方面,混凝土(RC)構造建築的CO2排放量是鋼構建築的1.4倍,顯然鋼構建築相較於混凝土建築具有使用壽命長、輕量化、回收性佳及減少水泥使用量的優勢,並可減緩砂石開採對河川的破壞。

鋼鐵使用壽命長,能無限次回收再生永續循環使用,並且是製造環保節能及再生能源設備的關鍵材料。透過宏觀的生命周期評估,更能顯現應用鋼鐵產品的溫室氣體排放減量效益。目前鋼鐵產業正傾全力開發先進高強度汽車鋼板、電磁鋼片、鍍鋅鋼品等高機能鋼材,同時致力於清潔生產技術的開發,以期支持低碳產業的發展,並降低用鋼產品生命周期對環境的衝擊,提供全球邁向永續發展的解決方案。
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