撰文 ｜ Penn；編輯 ｜ 郭郭

→這是《環(huán)球零碳》的第275篇原創(chuàng)

鋼鐵行業(yè)是碳排放密集程度最高、最難脫碳的行業(yè)之一，2020年鋼鐵行業(yè)碳排放量占全球總量的7．2％。根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，平均每生產(chǎn)1噸鋼排放1．851噸二氧化碳。

歐盟鋼鐵行業(yè)溫室氣體年排放量（直接和間接排放）達(dá)到2．21億噸，占?xì)W盟總排放量的5．7％，約等于法國(guó)整個(gè)國(guó)家的年排放量。在歐盟碳交易體系（EU－ETS）中，前五大工業(yè)排放源都屬于鋼鐵行業(yè)。

目前，歐洲鋼鐵行業(yè)正走在雄心勃勃的脫碳道路上，即到2030年將碳排放量比1990年的水平減少55％，并到2050年（相比1990年）可以達(dá)到80％～95％的減排成果。

為此，歐洲的鋼鐵行業(yè)掀起了一場(chǎng)綠色鋼鐵行動(dòng)。歐洲鋼鐵聯(lián)盟已經(jīng)制定了一套明確的路徑方案，確保歐洲能夠繼續(xù)走在符合《巴黎氣候協(xié)定》要求的軌道上，同時(shí)也使歐洲鋼鐵適應(yīng)清潔、低碳的未來(lái)。

與此同時(shí)，包括汽車(chē)制造商在內(nèi)的越來(lái)越多的客戶，現(xiàn)在也呼吁鋼鐵供應(yīng)商未來(lái)以氣候中和的方式進(jìn)行生產(chǎn)，并要貫穿價(jià)值鏈的所有階段。

01 清潔氫是鋼鐵行業(yè)脫碳最具前景的解決方案

基礎(chǔ)煉鐵過(guò)程中會(huì)使用到三種還原劑：碳、氫和電。因此，任何清潔生產(chǎn)工藝的目標(biāo)都是從碳轉(zhuǎn)向氫氣和／或電力。根據(jù)落基山研究所的最新報(bào)告，在清潔效率和技術(shù)成熟度的綜合考慮下，氫冶金，尤其是清潔氫冶金，是最具前景的鋼鐵行業(yè)脫碳解決方案之一。

氫氣煉鋼是以氫代替碳作為還原劑，從而降低碳還原的碳排放，針對(duì)的是鋼鐵生產(chǎn)流程中的煉鐵工藝，即長(zhǎng)流程中的高爐煉鐵和短流程中的直接還原煉鐵環(huán)節(jié)，全部采用廢鋼的短流程由于取消了煉鐵環(huán)節(jié)，不涉及氫冶金。對(duì)于長(zhǎng)流程，除了消除還原反應(yīng)的碳排放，還可以省去煤炭焦化環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放。

氫在冶煉中的應(yīng)用方式一般有三種，即高爐富氫冶煉（H2－BF）、氫直接還原鐵（H2－DRI）和氫熔融還原鐵（H2－SRI）。

高爐富氫冶煉是指將氫氣與現(xiàn)有還原劑混合后，在冶煉過(guò)程中所產(chǎn)生的還原反應(yīng)。該方法可以減少還原反應(yīng)的碳排放，卻不能實(shí)現(xiàn)零碳，不過(guò)仍可被視為一種漸進(jìn)式的減碳方案。在中國(guó)，寶武鋼鐵正在新疆進(jìn)行高爐富氫冶煉試點(diǎn)項(xiàng)目，與碳循環(huán)等其他減碳技術(shù)共同作用，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)30％以上的碳減排。

氫直接還原鐵是指通過(guò)氫基還原反應(yīng)直接還原固體鐵礦石，該路徑有潛力實(shí)現(xiàn)幾乎完全脫碳。目前，眾多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行此類技術(shù)的試點(diǎn)項(xiàng)目。河鋼集團(tuán)正在與意大利特諾恩（Tenova）公司合作建設(shè)一座氫能直接還原鐵工廠。SSAB已經(jīng)向沃爾沃交付了首批氫基無(wú)化石能源鋼。而安賽樂(lè)米塔爾在德國(guó)漢堡建造了一座氫直接還原鐵綠色示范鋼廠。

氫熔融還原鐵是指將熔融還原與氫還原相結(jié)合，以此來(lái)減少焦化和鐵礦石燒結(jié)前的處理步驟。建龍鋼鐵的氫熔融還原冶煉項(xiàng)目已在中國(guó)內(nèi)蒙古成功投產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)純氫離子熔融還原鐵的最終目標(biāo)，建龍集團(tuán)在煤基熔融還原鐵的工藝中混入了氫氣。

根據(jù)落基山研究所的最新報(bào)告，在清潔效率和技術(shù)成熟度的綜合考慮下，氫冶金，尤其是清潔氫冶金，是鋼鐵行業(yè)完全脫碳的最關(guān)鍵、最有前途的解決方案之一。在可行使命伙伴關(guān)系（Mission Possible Partnership）的氣候一致性情景下，到2050年，全球鋼鐵行業(yè)的氫需求將達(dá)到3500－5500萬(wàn)噸。

02 歐洲鋼鐵廠的綠色行動(dòng)

歐洲鋼鐵企業(yè)紛紛開(kāi)始制定各自的碳中和目標(biāo)并著手研制綠色鋼鐵。

最具代表性的是SSAB（瑞典鋼鐵集團(tuán)），其提出“到2045年實(shí)現(xiàn)無(wú)化石燃料冶金、2026年投放無(wú)化石燃料鋼鐵產(chǎn)品”的總體目標(biāo)。2016年，SSAB與瑞典電力企業(yè)Vattenfall公司、瑞典LKAB礦業(yè)公司就氫基直接還原鐵項(xiàng)目HYBRIT進(jìn)行合作，其工藝旨在用氫氣和可再生電力取代傳統(tǒng)上用于礦石制鋼的焦煤。

與此同時(shí)，HYBRIT 正在探索生產(chǎn)用于直接還原鐵工廠的鐵礦石球團(tuán)的替代方法。該工藝目前使用化石燃料，但 HYBRIT 已嘗試使用造紙產(chǎn)生的生物油副產(chǎn)品，并計(jì)劃測(cè)試以氫為基礎(chǔ)的加熱來(lái)制造顆粒。

該工廠在2021年向沃爾沃完成了首次商業(yè)交付，其綠鋼產(chǎn)品將于今年三季度用于沃爾沃卡車(chē)的生產(chǎn)，而沃爾沃也表示力爭(zhēng)在2026年成為第一家大規(guī)模使用綠色鋼鐵生產(chǎn)汽車(chē)的公司。

在綠色鋼鐵需求的不斷增加和減排壓力持續(xù)加大的驅(qū)動(dòng)下，歐洲的鋼鐵巨頭們?cè)诰G色鋼鐵領(lǐng)域不斷加注，僅在近一個(gè)月內(nèi)就大動(dòng)作頻頻。

6月22日，鋼鐵巨頭安賽樂(lè)米塔爾和能源公司 RWE簽署了一份諒解備忘錄，將共同開(kāi)發(fā)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)海上風(fēng)電場(chǎng)和氫設(shè)施，這些設(shè)施將提供生產(chǎn)低排放鋼鐵所需的可再生能源和綠色氫。該合作的重點(diǎn)是推動(dòng)碳中和鋼的生產(chǎn)，并計(jì)劃用風(fēng)能和綠色氫替代煤炭，作為安賽樂(lè)米塔爾鋼鐵生產(chǎn)的主要能源。

6月30日，數(shù)個(gè)跨行業(yè)公司組成了一個(gè)名為“GravitHy”的財(cái)團(tuán)，該財(cái)團(tuán)將計(jì)劃投資22億歐元運(yùn)行一項(xiàng)綠鋼新計(jì)劃。該計(jì)劃將涉及安裝約 650 兆瓦的電解槽容量，這將是歐洲最大的電解槽之一，屆時(shí)將每年生產(chǎn) 110，000 噸氫氣，用于生產(chǎn)用于綠色鋼鐵制造的氫衍生直接還原鐵 （DRI），并將在法國(guó)南部建造一座200萬(wàn)噸／年的直接還原鐵工廠。

7月11日，德國(guó)鋼鐵巨頭蒂森克虜伯與英國(guó)石油公司（BP）簽署諒解備忘錄，以期實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)所用的低碳?xì)湟约翱稍偕�能源的長(zhǎng)期供應(yīng)。蒂森克虜伯計(jì)劃通過(guò)用低碳?xì)溥�原鐵礦石的直接還原工廠取代燃煤高爐，以加快其脫碳進(jìn)程。

7月13日，德國(guó)鋼鐵生產(chǎn)商薩爾茨吉特批準(zhǔn)了SALCOS ?項(xiàng)目（Salzgitter低碳煉鋼）第一階段開(kāi)發(fā)所需的7．23 億歐元資金，這是迄今為止對(duì)綠色鋼鐵的最大投資，新的綠氫煉鋼設(shè)施將每年生產(chǎn) 190 萬(wàn)噸綠色鋼材，助力薩爾茨吉特2033 年底前實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)脫碳的目標(biāo)。

歐洲鋼鐵協(xié)會(huì)總干事AxelEggert6月1日在一個(gè)清潔鋼鐵合作網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上表示，歐洲鋼鐵行業(yè)未來(lái)十年實(shí)施的60個(gè)脫碳項(xiàng)目，將使該行業(yè)的直接和間接二氧化碳排放量減少三分之一，即8150萬(wàn)噸。這些項(xiàng)目的資本支出約310億歐元，基于氫氣和綠色電力價(jià)格的不確定性，項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本估計(jì)高達(dá)550億歐元。一噸綠色鋼材的價(jià)格最初可能比同類傳統(tǒng)高爐路線產(chǎn)品高35％－100％，但隨著時(shí)間的推移，預(yù)計(jì)綠色鋼材將越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力。

03 綠鋼生產(chǎn)將帶來(lái)大量可再生能源缺口

氫氣煉鋼的減排潛力確實(shí)很大，但要實(shí)現(xiàn)真正的綠鋼生產(chǎn)，需要確保通過(guò)可再生能源生產(chǎn)綠色氫氣，此外氫還原鐵吸熱反應(yīng)所需要的熱量也需通過(guò)可再生能源來(lái)提供。如果氫氣煉鋼只著眼于單一環(huán)節(jié)，那也不過(guò)是拆東墻補(bǔ)西墻，反而有違氫氣煉鋼的初衷。而這將大大提高可再生能源的需求，為可再生能源的供給帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。

根據(jù)歐洲氫能貿(mào)易協(xié)會(huì)的最新報(bào)告《太陽(yáng)能鋼鐵：綠色鋼鐵制造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估》，僅僅改造一家年產(chǎn)400萬(wàn)噸粗鋼產(chǎn)量的鋼鐵廠（歐盟平均水平），將需要1．2－1．3GW的可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解器滿負(fù)荷運(yùn)行，以產(chǎn)生足夠的綠色氫氣來(lái)從鐵礦石中提取鐵。如果使用可變的可再生能源電力，并且電解槽不能在恒定的滿負(fù)荷下運(yùn)行，那么挑戰(zhàn)就更大了。當(dāng)完全使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電來(lái)制氫時(shí)，所需的電解功率將增長(zhǎng)到4．5－5．0 GW左右，這將使平均產(chǎn)能的單個(gè)工廠所需的資本支出從33億歐元增加到近70億歐元。

報(bào)告同時(shí)表示，歐盟所有已安裝的BF－BOF工廠的總量約為每年1．03億噸熱金屬，將所有這些工廠轉(zhuǎn)為以氫為基礎(chǔ)的DRI／EAF［直接還原鐵／電弧爐］可能每年節(jié)省多達(dá)1．96億噸的溫室氣體排放，但為了做到這一點(diǎn)，需要多達(dá)530噸的可再生氫和多達(dá)370TWh的額外可再生發(fā)電量（包括EAF電力消耗）。

根據(jù)Recharge的計(jì)算，在北歐（歐洲大陸大多數(shù)BOF－BF鋼廠所在地）太陽(yáng)能發(fā)電的平均容量系數(shù)為12％，生產(chǎn)370TWh需要超過(guò)350GW的光伏板。歐洲風(fēng)機(jī)的平均容量系數(shù)為26％（包括陸上和海上），生產(chǎn)370TWh的風(fēng)能則將需要超過(guò)160GW的風(fēng)力渦輪機(jī)。

國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，歐盟有187．5GW的風(fēng)力發(fā)電和160．3GW的太陽(yáng)能發(fā)電裝置安裝容量。

因此，鋼鐵行業(yè)的脫碳將帶來(lái)可再生能源的巨大缺口。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì) WindEurope和鋼鐵協(xié)會(huì)Eurofer發(fā)布的估計(jì)，用于綠色鋼鐵制造的氫氣生產(chǎn)可能會(huì)吞噬歐盟 REPowerEU 一攬子計(jì)劃中增加的風(fēng)電產(chǎn)能目標(biāo)的一半以上。

從焦炭煉鋼到氫能煉鋼，表面上只是還原方法的不同，但要實(shí)現(xiàn)降低碳排放的目標(biāo)，需要整個(gè)流程系統(tǒng)性的規(guī)劃和配套產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，做到綠色制氫、綠色用氫。氫能煉鋼需要突破一些現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。這意味著除了鋼鐵行業(yè)本身，整個(gè)價(jià)值鏈模式也需要顯著的轉(zhuǎn)型。

（參考文獻(xiàn)詳見(jiàn)閱讀原文）

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