DRI（直接還原鐵）是一種從鐵礦石中生產(chǎn)鋼鐵的方法。這一過(guò)程構(gòu)成了當(dāng)今第四大氫需求來(lái)源(每年400萬(wàn)噸H ₂ ，或約占純氫和混合氫總使用量的3%)，僅次于煉油、氨和甲醇。根據(jù)目前的趨勢(shì)，到2030年，全球鋼鐵需求將增長(zhǎng)約6%，發(fā)展中地區(qū)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求和人口的增長(zhǎng)將彌補(bǔ)其他地區(qū)的下降。 鋼鐵行業(yè)也產(chǎn)生大量氫氣，部分內(nèi)部消耗，部分分銷(xiāo)到qit其他行業(yè)?，F(xiàn)狀氫氣主要來(lái)自煤炭等化石燃料。為減排，正在測(cè)試使用氫氣作為主要還原劑的鋼鐵生產(chǎn)工藝，預(yù)計(jì)在2030年代實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)?；Ｍ瑫r(shí)，可將低碳?xì)錃鈸饺氍F(xiàn)有工藝，以降低二氧化碳強(qiáng)度。

1、今天的鋼鐵行業(yè)是如何使用氫的?

今天，全球超過(guò)四分之三的鋼鐵需求是通過(guò)將鐵礦石轉(zhuǎn)化為鋼鐵的初級(jí)生產(chǎn)方法來(lái)滿足的，而不是利用有限的回收廢鋼供應(yīng)的二級(jí)生產(chǎn)路線( 見(jiàn)下圖1 )，兩條主要的主要工藝都涉及到一些氫氣的生產(chǎn)和消耗。

注： 鋼材數(shù)量根據(jù)以下來(lái)源的最新數(shù)據(jù)估算，單位為噸/年。 根據(jù)能源統(tǒng)計(jì)和DRI- EAF路徑43 kgH ₂ /t的特定氫需求，IEA估計(jì)的相關(guān)氫消耗和生產(chǎn)如下：

1）在DRI-EAF路線中消耗的400萬(wàn)噸H ₂ /年用作還原劑，而在BF-BOF路線中消耗的900萬(wàn)噸H ₂ /年(以及綜合場(chǎng)地的相關(guān)過(guò)程)大部分被燃燒。

高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）工藝約占全球初級(jí)鋼鐵生產(chǎn)的 90%。它產(chǎn)生的氫是使用煤炭的副產(chǎn)品。這種氫氣包含在所謂的 "高爐煤氣"（WAG）中，是與其他氣體（如一氧化碳）混合產(chǎn)生的。高爐煤氣用于現(xiàn)場(chǎng)的各種用途，但也會(huì)轉(zhuǎn)移到其他部門(mén)使用，包括發(fā)電以及 生產(chǎn) 甲醇。 據(jù)估計(jì)， 鋼鐵行業(yè) 在該路線下的目前使用的氫氣為 900 萬(wàn)噸/年，約占全球混合氫氣使用量的 20%（即非純氫）。

在沒(méi)有政策干預(yù)的情況下，預(yù)計(jì)煉鋼行業(yè)對(duì)專(zhuān)用氫氣生產(chǎn)的需求將從目前的 400 萬(wàn)噸氫/年增長(zhǎng)到與以氣體為基礎(chǔ)的 DRI-EAF 路線基本一致的水平（ 見(jiàn)下圖2 ）。雖然基于氣體的 DRI-EAF 比 BF-BOF 路線的能源密集度更高，但它使用的設(shè)備更簡(jiǎn)單，資本密集度也略低。它往往安裝在天然氣價(jià)格低的地區(qū)或煤炭?jī)r(jià)格低的地區(qū)。

圖2：初級(jí)鋼生產(chǎn)專(zhuān)用氫需求的理論潛力

注：

1）氣基DRI案例涉及兩種情景：一是到2030年氣基DRI與現(xiàn)狀保持一致，到2050年展示全采用氣基DRI的潛力；二是到2030年進(jìn)行HYBRIT大規(guī)模示范，2050年實(shí)現(xiàn)全氫DRI。前者基于現(xiàn)狀預(yù)測(cè)，后者為實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)而行動(dòng)。

2）具體氫氣需求假設(shè)：氣基43kg/t，混合51-55kg/t（其中23kg可外供），全氫47-68kg/t。

3） 在所有情況下，均假設(shè) 95% 的 DRI 充入EAF，目前的 DRI-EAF 設(shè)備通常使用較高比例的廢料 目前設(shè)施多使用廢料以降低成本。

4）到2030年，DRI-EAF路線的氫氣需求可能會(huì)增加一倍以上。到2050年，在所有初級(jí)生產(chǎn)中使用這種方法可能會(huì)導(dǎo)致氫氣需求增加15倍。

3、利用氫氣滿足日益增長(zhǎng)的鋼鐵需求，同時(shí)減少二氧化碳排放

世界各地正在進(jìn)行各種項(xiàng)目，以將這些工藝推向商業(yè)化。但比化工場(chǎng)景推進(jìn)更慢。

如果不遵循當(dāng)前趨勢(shì)，而是讓能源行業(yè)與《巴黎協(xié)定》目標(biāo)相符，氫氣需求和生產(chǎn)前景將截然不同。在此路徑下，廢鋼在鋼鐵總產(chǎn)量中的占比預(yù)計(jì)將從現(xiàn)在的23%快速增加到2030年的29%和2050年的47%，受限于廢鋼供應(yīng)量。分析顯示，到2030年，天然氣為基礎(chǔ)的DRI-EAF在初級(jí)鋼生產(chǎn)中的份額將略有提升至16%，材料效率戰(zhàn)略的進(jìn)步將導(dǎo)致總產(chǎn)量減少。

在這種情況下，還假定有兩項(xiàng)與DRI-EAF有關(guān)的平行技術(shù)發(fā)展。首先，到 2030 年，DRI-EAF 生產(chǎn)中消耗的 30% 天然氣將被外部來(lái)源的電解純氫取代，這無(wú)需對(duì)設(shè)備進(jìn)行重大改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。其次，"HYBRIT "概念的開(kāi)發(fā)進(jìn)展將足以在 2030 年之前展示首個(gè)商業(yè)規(guī)模的 100% 氫基 DRI-EAF 工廠，供應(yīng) 150 萬(wàn)噸/年粗鋼，或鋼材總需求的 0.1%。

到2030年，鋼鐵生產(chǎn)對(duì)氫氣的需求預(yù)計(jì)將達(dá)900~1100萬(wàn)噸/年，與當(dāng)前趨勢(shì)預(yù)測(cè)的800萬(wàn)噸/年相近。但其中，僅有約450萬(wàn)噸/年來(lái)自可再生電力，其余依賴天然氣。與目前趨勢(shì)不同，未來(lái)氫氣需求以電解水來(lái)供給，將不依賴CCUS，而每年需230TWh的電力。天然氣在2030年仍將占?xì)錃夤?yīng)的重要地位，導(dǎo)致每年310億立方米的天然氣需求。同時(shí)，煤基DRI-EAF生產(chǎn)將在2030年前消失，每年減少1200萬(wàn)噸。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，與《巴黎協(xié)定》相適應(yīng)的途徑將尋求大幅減少初級(jí)鋼鐵生產(chǎn)中的二氧化碳排放。在所有初級(jí)鋼鐵生產(chǎn)中使用 100% 氫 DRI-EAF 路線將在很大程度上消除二氧化碳排放，前提是電力來(lái)源于可再生能源。但這將需要 4799-6700萬(wàn)噸氫/年。

生產(chǎn)這么多的氫需要超過(guò) 2500 TWh /年的電力。作為電解槽的原料，還需要大量不過(guò)還可控的水：約 0.6 億立方米/年，約為目前能源行業(yè)用水總量的 1%。作為副產(chǎn)品，每年將產(chǎn)生約 5 億噸氧氣；這些氧氣可用于其他工業(yè)領(lǐng)域。

圖3： 通過(guò)DRI-EAF路線滿足氫需求的能源影響

注：

1）僅包括商業(yè)煤/天然氣基和100%氫基DRI-EAF路線的能源和氫氣需求。

2）需求數(shù)據(jù)與實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)的情景相一致，包括實(shí)施材料效率戰(zhàn)略和最大限度地部署二級(jí)生產(chǎn)路線。

3）在計(jì)算氫氣需求和能量輸入時(shí)，假設(shè)了氣體和100%氫基DRI-EAF路線的平均氫氣需求。

4）表示能量和氫氣需求的氣泡是在LHV能量含量的基礎(chǔ)上大小的。氫和能量的量是相等的，而不是相加的。

5）在所有情況下，假設(shè)DRI的 95%注入 EAF 。目前的DRI-EAF設(shè)施通常使用更高比例的廢料，因?yàn)檫@降低了成本。

4、清潔氫的成本競(jìng)爭(zhēng)力

在沒(méi)有足夠高的二氧化碳價(jià)格來(lái)觸發(fā)向低碳?xì)涞霓D(zhuǎn)換的情況下， 那么在 DRI-EAF 路線中用可再生氫氣替代未減產(chǎn)的天然氣將擴(kuò)大 DRI-EAF 和 BF-BOF 商業(yè)路線之間的成本差異 ( 見(jiàn)下圖4 )。

圖4：2018年選定新建生產(chǎn)路線的鋼鐵估計(jì)成本

5）基于氫的DRI-EAF路線比基于天然氣的路線成本高出10%至90%，并且對(duì)電力成本高度敏感。

能源和其他原材料投入成本約占 DRI-EAF 路線生產(chǎn)成本的 45%，因此微小的價(jià)格差異也會(huì)對(duì)成本競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生巨大影響。目前的天然氣價(jià)格范圍使得商業(yè) DRI-EAF 路線在特定情況下與 BF-BOF 路線具有競(jìng)爭(zhēng)力，而基于氫的 DRI-EAF 路線，根據(jù)目前對(duì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的估計(jì)，只有在電價(jià)最低的地方才具有競(jìng)爭(zhēng)力。即使天然氣生產(chǎn)涉及 CCUS（高出 10-85%），它的成本也將大大高于以天然氣為基礎(chǔ)的同類(lèi)產(chǎn)品（高出 15-90%）。

在目前正在探索的其他低排放鋼鐵生產(chǎn)途徑中，" 含CCUS的富氧熔煉還原轉(zhuǎn)爐”(HIsarna)路線 ，似乎在大多數(shù)地區(qū)具有最低的總體生產(chǎn)成本。根據(jù)目前公開(kāi)的有限技術(shù)經(jīng)濟(jì)信息，它的資本密集程度甚至低于目前的商業(yè)化 BF-BOF 路線，并可減少約 80-90% 的二氧化碳直接排放量。在大多數(shù)地區(qū)，"二氧化碳管理 "途徑族群目前往往處于更先進(jìn)的發(fā)展階段。然而， 在與《巴黎協(xié)定》相適應(yīng)的長(zhǎng)期道路的背景下， HIsarna 設(shè)計(jì)必須與廣泛的二氧化碳運(yùn)輸和二氧化碳地質(zhì)封存基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合。

上圖4 中沒(méi)有討論的另一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是現(xiàn)有產(chǎn)能的存量。盡管最近在努力淘汰未充分利用的資產(chǎn)，但鋼鐵行業(yè)仍然面臨產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題。

此外，BF-BOF 路線約占現(xiàn)有初級(jí)產(chǎn)能的 90%，在這一資產(chǎn)類(lèi)別中，鋼鐵生產(chǎn)商通常預(yù)計(jì)未來(lái)幾年不會(huì)進(jìn)行大量新建投資。在過(guò)去的 10-20 年中，許多采用這種技術(shù)的設(shè)施已經(jīng)建成，如果沒(méi)有政策干預(yù)，新的替代生產(chǎn)路線將很難與之競(jìng)爭(zhēng)。這些動(dòng)態(tài)因素為二氧化碳管理路徑的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，這些路徑通常尋求在利用現(xiàn)有綜合鋼鐵設(shè)施的同時(shí)減少排放。HIsarna 是一個(gè)例外，因?yàn)樗枰陆ㄍ顿Y。

為了與配備CCUS的基于天然氣的同行長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)，100%氫基途徑目前看起來(lái)可能需要5-35美元/兆瓦時(shí)的低碳電價(jià)( 見(jiàn)下圖5 )。假設(shè)電解槽效率高，資本支出要求低，這意味著氫氣成本為0.7 - 2.0美元/kg。當(dāng)使用專(zhuān)用的低成本可再生資源時(shí)，這些成本在某些地區(qū)可能是現(xiàn)實(shí)的，但在其他地方實(shí)現(xiàn)則具有挑戰(zhàn)性。此外，擁有低成本可再生能源資源的地區(qū)，如果沒(méi)有足夠的鐵礦石和其他材料儲(chǔ)備， 或者 遠(yuǎn)離需求中心，可能會(huì)產(chǎn)生額外的成本。

注：

1) 平準(zhǔn)化成本包括核心工藝設(shè)備的資本支出成本、固定運(yùn)營(yíng)成本、燃料和原料成本，以及捕獲、運(yùn)輸和儲(chǔ)存二氧化碳的成本。

2) 以天然氣為基礎(chǔ)的路線假定最高實(shí)現(xiàn)能源性能。電電解系統(tǒng)資本支出范圍：455-894美元/千瓦時(shí)。

4) 基于電解氫的路線開(kāi)始與配備CCUS的天然氣路線競(jìng)爭(zhēng)，電價(jià)為5-35美元/兆瓦時(shí)。

結(jié)語(yǔ)： 政策應(yīng)支持鋼鐵業(yè)采用氫作為還原劑：一，擴(kuò)大100%氫基DRI-EAF示范規(guī)模，提供低成本融資與研發(fā)資金支持；二，建立差異化市場(chǎng)，支持鋼鐵生產(chǎn)商應(yīng)對(duì)可再生氫氣成本增加，短期內(nèi)推廣氫天然氣混合，長(zhǎng)期專(zhuān)注100%氫基路線?？尚薷墓膊少?gòu)合同，推廣“綠色鋼材”，啟動(dòng)對(duì)高成本產(chǎn)品需求。消費(fèi)者在汽車(chē)等領(lǐng)域可吸收稍微高一些的成本。