中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：氫冶金是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的革命性技術(shù)。氫冶金正處于技術(shù)導(dǎo)入期，需要從氫冶金的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)角度全方面研究了碳中和目標(biāo)下的鋼鐵行業(yè)的減碳路徑與應(yīng)用前景，百人會(huì)氫能中心在東北大學(xué)低碳鋼鐵前沿技術(shù)研究院、德國(guó)蒂森克虜伯、泰山鋼鐵等科研院所和企業(yè)的支持下，進(jìn)行了氫冶金研究并發(fā)布報(bào)告。預(yù)計(jì)到 2030 年，基于綠氫的氫冶金將逐漸擴(kuò)大在鋼鐵行業(yè)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，到 2050 年，鋼鐵行業(yè)的用氫需求將達(dá)到 980 萬(wàn)噸，氫冶金成為鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的主要路徑之一。本文內(nèi)容主要分為兩部分，節(jié)選自研報(bào)《碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究》及發(fā)表于《價(jià)格實(shí)踐與理論》的相應(yīng)論文。上篇傳送門(mén)：《碳中和目標(biāo)下的氫冶金減碳路徑與應(yīng)用前景（上）》。
01
氫供求關(guān)系及成本是影響氫冶金應(yīng)用的關(guān)鍵因素
氫氣作為氫冶金的基本原料，其供求關(guān)系直接影響氫冶金推進(jìn)的程度。綜合我國(guó)鋼鐵行業(yè)政策規(guī)劃、專(zhuān)家訪(fǎng)談及數(shù)據(jù)分析，預(yù)計(jì)到2030年氫冶金產(chǎn)量為0.21-0.29億噸，約占全國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量的2.3%-3.1%?；跉湟苯鸬臍錃庑枨蠹s為191-259萬(wàn)噸。氫冶金用氫需求中約92%來(lái)自焦?fàn)t煤氣，剩余約8%來(lái)自電解水制氫。到2050年，氫冶金鋼產(chǎn)量為0.96-1.12億噸，基于氫冶金的氫氣需求約為852-980萬(wàn)噸。其中焦?fàn)t煤氣提供166萬(wàn)噸氫，剩余814萬(wàn)噸來(lái)自于綠氫。
圖表8 氫冶金中氫的來(lái)源
摘自：張真.“碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究”.《價(jià)格理論與實(shí)踐》
氫氣成本是決定氫冶金成本具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的高爐煉鋼方式，成本主要取決于鐵礦石和焦炭?jī)r(jià)格，焦煤價(jià)格直接決定了焦炭?jī)r(jià)格。而氫冶金方式煉鋼成本取決于鐵礦石和氫氣價(jià)格。隨著碳稅價(jià)格的提高，氫冶金成本對(duì)氫的價(jià)格包容度越高?；谖覈?guó)碳交易的發(fā)展及發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)踐，預(yù)計(jì)到2030年，碳稅在200-250元/噸時(shí)，氫成本小于10.45-11.15元/kg時(shí)，氫冶金成本優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)。以2030年氫成本11.15元/kg，按每電解生成1m3 H2需要4.5kWh電，電力成本占總成本的70%推算，電力成本為0.146元/kWh。伴隨著可再生能源電力成本的下降及電解槽的規(guī)?；瘧?yīng)用，綠氫直接還原鐵的成本競(jìng)爭(zhēng)力開(kāi)始突顯。氫冶金的應(yīng)用推廣價(jià)值將在可再生能源豐富的區(qū)域率先實(shí)現(xiàn)。鋼鐵企業(yè)會(huì)優(yōu)選此類(lèi)地區(qū)開(kāi)展綠氫規(guī)?；瘹湟苯鹗痉稇?yīng)用項(xiàng)目。
圖表9 氫冶金的競(jìng)爭(zhēng)性成本優(yōu)勢(shì)分析（僅考慮H2和CO2價(jià)格）
注：藍(lán)色表示氫冶金具有成本優(yōu)勢(shì)；白色表示傳統(tǒng)煉鋼具有成本優(yōu)勢(shì)
摘自：張真.“碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究”.《價(jià)格理論與實(shí)踐》
02
氫冶金應(yīng)用帶動(dòng)鋼鐵產(chǎn)業(yè)綠色升級(jí)
產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)是實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)碳中和的終極路徑。將氫氣加入鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈中，能夠升級(jí)傳統(tǒng)鋼鐵制造、擴(kuò)大氫氣的使用量、有效利用廢鋼以及減少鐵礦石的使用量，將形成產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)的雙贏(yíng)局面。未來(lái)，可再生能源電力及綠氫成本將逐漸下降，碳稅價(jià)格將不斷提高，與現(xiàn)有燒結(jié)+焦化+高爐+轉(zhuǎn)爐的長(zhǎng)流程工藝的建設(shè)投資、人工成本、備件費(fèi)用相比，DRI+廢鋼+電爐的短流程工藝在生產(chǎn)成本和工程投資上更具有明顯優(yōu)勢(shì)，短流程煉鋼比例將逐年上升。以焦炭為核心的成熟的鋼鐵產(chǎn)業(yè)生態(tài)將逐漸替代為以氫能為核心的新鋼鐵產(chǎn)業(yè)生態(tài)。以氫冶金為核心的新的產(chǎn)業(yè)布局、技術(shù)進(jìn)步、金融支撐以及基礎(chǔ)設(shè)施配套將逐步形成。在相對(duì)大規(guī)模風(fēng)電、光伏布置的地域，如中國(guó)西北、西南地區(qū)，有可能獲得大規(guī)模廉價(jià)綠電和綠氫，可在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)鋼鐵企業(yè)，在這些地區(qū)，可建設(shè)相應(yīng)鐵路、管道、電網(wǎng)和其他貿(mào)易基礎(chǔ)設(shè)施與其配套；也可建立輸氫管道將氫送到外地，供其他煉鋼廠(chǎng)。
到2050年，鋼鐵行業(yè)將成為工業(yè)中繼化工后的第二大用氫行業(yè)。綠氫經(jīng)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)后，送到煉鋼廠(chǎng)，生產(chǎn)直接還原鐵，然后在電弧爐中使用直接還原鐵生產(chǎn)鋼。根據(jù)波士頓咨詢(xún)公司，到2050年，氫冶金相應(yīng)設(shè)備市場(chǎng)每年可能達(dá)到160億至200億美元，我國(guó)按照占比60%，市場(chǎng)規(guī)模在800億元人民幣。
03
明確氫冶金減碳路線(xiàn)圖
氫冶金是實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵技術(shù)，鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型向氫冶金不可能一蹴而就。實(shí)現(xiàn)未來(lái)可再生能源的廉價(jià)可用性和監(jiān)管將是采用氫冶金的兩個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。盡管我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)仍需30-40年，但現(xiàn)在就采取行動(dòng)至關(guān)重要。氫冶金必須選擇合適的技術(shù)路線(xiàn)、遵循一個(gè)明確的減碳路線(xiàn)圖。
氫能冶金技術(shù)主要有三種：富氫還原高爐、氫氣氣基豎爐和熔融還原氫冶金。其中熔融還原氫冶金尚未成熟，處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。從碳減排力度來(lái)看，富氫還原高爐的碳減排潛力在10%-20%，氫氣氣基豎爐的碳減排潛力為50%-98%，我國(guó)鋼鐵行業(yè)更需發(fā)展到氫氣氣基豎爐。在全氫和豎爐和富氫豎爐兩種路線(xiàn)來(lái)看，由于100%氫氣代碳冶金存在客觀(guān)障礙，也存在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，暫無(wú)法實(shí)現(xiàn)。富氫豎爐可結(jié)合氫的強(qiáng)還原能力和碳冶金的強(qiáng)放熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)煤氣的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。富氫豎爐更適宜推廣，國(guó)外已試驗(yàn)了 90%的氫氣占比是可行的。我國(guó)更適合走富氫豎爐的工藝路線(xiàn)。
從我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)際情況出發(fā)，目前我國(guó)以長(zhǎng)流程高爐煉鋼為主，轉(zhuǎn)化為氫能煉鋼需解決設(shè)備和工藝的問(wèn)題。在產(chǎn)能置換背景下大規(guī)模轉(zhuǎn)換為氫能煉鋼也存不妥。而且氫能煉鋼處于研究和試驗(yàn)階段，后續(xù)真正規(guī)模應(yīng)用還需時(shí)間。因此近中期鋼鐵生產(chǎn)仍是基于長(zhǎng)流程高爐煉鋼，氫氣氣基豎爐是未來(lái)氫冶金的主導(dǎo)方向。
從我國(guó)鋼鐵企業(yè)的分布區(qū)域來(lái)看，大部分產(chǎn)能集中在東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域。這些區(qū)域，電力價(jià)格較高，電解水制氫成本較高，應(yīng)充分利用并發(fā)揮焦?fàn)t煤氣的作用。在輸氫基礎(chǔ)設(shè)施完備、可取得低廉氫氣后，可逐步發(fā)展氫氣氣基豎爐煉鐵。此外，也可轉(zhuǎn)移部分鋼鐵生產(chǎn)到具有廉價(jià)電力的地區(qū)。在具有較大規(guī)模廉價(jià)風(fēng)電、光電的地區(qū)，當(dāng)?shù)劁撈髴?yīng)積極探索氫冶金氣基豎爐技術(shù)，建設(shè)氫冶金示范工程，探索出一條鋼鐵工業(yè)發(fā)展低碳甚至“零碳”經(jīng)濟(jì)的最佳途徑，逐步解決鋼鐵冶金過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放問(wèn)題。
短期內(nèi)，國(guó)內(nèi)氫能冶金應(yīng)仍以高爐富氫工藝為主。我國(guó)焦炭產(chǎn)量約5億噸，過(guò)程產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣可用于氫冶金。富氫還原高爐技術(shù)相對(duì)成熟，部分已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。近中期內(nèi)，可以高爐富氫+碳鋪集利用方式實(shí)現(xiàn)碳減排。未來(lái)隨著廢鋼可用性增加、電弧爐占比的提升、電價(jià)和氫氣價(jià)格的降低，可利用現(xiàn)有豎爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，適度改進(jìn)豎爐關(guān)鍵工藝和設(shè)備，達(dá)到最佳產(chǎn)能和最低能耗。遠(yuǎn)期來(lái)看，需要在掌握富氫豎爐基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合可再生能源廉價(jià)化趨勢(shì)，逐步過(guò)渡到全氫豎爐。
圖表10 氫冶金技術(shù)路線(xiàn)選擇與減碳路線(xiàn)圖
1）與現(xiàn)有高爐技術(shù)相比的減碳能力
2）對(duì)整個(gè)鋼鐵行業(yè)減碳貢獻(xiàn)，與2020年相比
摘自：張真.“碳中和目標(biāo)下氫冶金減碳經(jīng)濟(jì)性研究”.《價(jià)格理論與實(shí)踐》
04
合作創(chuàng)新，加速推進(jìn)氫冶金規(guī)?；瘧?yīng)用
氫冶金不光是鋼鐵行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，涉及能源、化工、鋼鐵等多個(gè)行業(yè)，需要跨行業(yè)的合作創(chuàng)新。只有政府和鋼鐵企業(yè)攜力，才能實(shí)現(xiàn)氫冶金在鋼鐵行業(yè)中的減碳作用。
政府方面，應(yīng)加強(qiáng)政策引導(dǎo)，推進(jìn)氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和氫冶金技術(shù)研發(fā)，制定氫冶金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)氫冶金產(chǎn)能置換，獎(jiǎng)勵(lì)氫冶金氣基豎爐設(shè)備升級(jí)。政府應(yīng)逐步創(chuàng)建零碳綠色鋼鐵市場(chǎng)，對(duì)綠色鋼鐵給予稅費(fèi)支持。同時(shí)鼓勵(lì)跨國(guó)合作，確保公平開(kāi)放的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。
鋼鐵企業(yè)應(yīng)未雨綢繆，科學(xué)評(píng)估氫冶金技術(shù)的減排潛力及投資回報(bào)，制定可行的氫冶金技術(shù)路線(xiàn)。特鋼企業(yè)可探索零碳鋼鐵產(chǎn)品帶來(lái)的新出口機(jī)遇。龍頭鋼企應(yīng)積極布局氫能煉鋼相關(guān)技術(shù)，開(kāi)展示范試點(diǎn)。隨著未來(lái)環(huán)保成本的不斷上升，氫冶金的環(huán)保效益將會(huì)覆蓋其較高的成本，從而使企業(yè)從中獲益；在碳中和目標(biāo)的大背景下，較早布局這一領(lǐng)域的鋼鐵企業(yè)將有望從中得到可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
