绿色钢铁：新型氢动力 DRI-EAF 项目的路径

H2-DRI-EAF 使用氢气 (H2) 生产直接还原铁 (DRI)，然后在电弧炉 (EAF) 中加工生产钢。两个主要挑战是确保 DR 级铁矿石的充足供应，以及降低制氢的端到端成本。但目前，清洁绿色氢气生产还处于起步阶段，因此绿色钢铁计划也是如此。IEEFA 的索鲁什·巴西拉特 (Soroush Basirat) 对形势进行了调查，研究了美国、欧洲、澳大利亚、中东、主要钢铁公司、天然气作为过渡燃料、炼铁与炼钢脱钩以及可能的途径。Basirat 还列出了 16 个大型新建 DRI 项目的表格。他引用了分析师的话说，即将到来的氢经济应该优先考虑为钢铁提供动力：在氢的所有可能用途中，钢铁生产提供了最多的减排机会。氢和钢铁的前景肯定是紧密相连的。

H2-DRI-EAF 涉及使用氢气 (H2) 生产直接还原铁 (DRI)，然后在电弧炉 (EAF) 中加工生产钢。在 BloombergNEF 的净零展望中，预计 2050 年初级钢铁总产量的 64% 与 H2-DRI-EAF 相关，其次是配备 CCS 技术的 DRI-EAF，占25% 。剩余份额分配给高炉-碱性氧气转炉（BF-BOF）炼钢和其他技术。

国际能源署(IEA)在修订后的 2023 年净零路线图中预计，到 2050 年，44% 的铁产量将来自氢基工艺，其次是 CCS 和直接铁矿石电解等其他技术。

虽然基于直接还原工艺的炼铁过程中使用氢气对于生产低排放钢有意义，但为了促进这一转变，必须克服一些特定的障碍。最重要的挑战包括确保 DR 级铁矿石的充足供应，以及为钢铁生产建立可持续的绿色氢价值链。

多年来，铁矿石开采业一直是拥有成熟企业实体的主要行业。为了满足对绿色铁的新兴需求，企业正在采取多样化的策略，包括开设高品位矿石的新铁矿，例如 澳大利亚 铁桥和几内亚西芒杜。此外，正在探索创造性方法，例如  用于生产低排放纯铁的微波和生物碳技术，以及使用  低品位矿石的熔炼还原。

与铁矿石行业相比，绿氢相对较新。然而，它将在钢铁行业有效脱碳方面发挥关键作用，需要更仔细的研究。

钢铁行业的脱碳将需要更多、更专用的千兆瓦级绿色氢项目。绿氢仍处于发展初期，加大投资对于其融入钢铁行业至关重要。在 H2-DRI-EAF 工艺中，生产一吨钢需要近 300 兆瓦 (MW ) 的电解槽容量全天候运行。

目前，商业规模的绿色钢铁项目中，仅有的H2 Green Steel 制定了一项综合计划，提议采用700MW以上的电解槽产能  用于钢铁生产，并旨在直接过渡到氢气而不是天然气作为替代还原气体。 蒂森克虏伯 正在探索为其位于德国杜伊斯堡的工厂外包氢气供应的可能性，但选择不直接投资于氢气价值链。这将需要考虑国内和国际来源的绿色和“蓝色”氢的长期供应合同。

氢经济面临电解槽制造能力有限等限制，并且需要大量电力消耗，对可再生能源供应构成挑战。

为了维持大型绿色氢基DR工厂的运行，必须保证全年持续供应可再生电力。太阳能和风能等可再生能源的可变性需要超大容量和实施储能解决方案，以确保持续的能源供应。这种必要性导致可再生能源的初始 投资成本上升 ，从而使炼钢设施所需的资本支出相形见绌。

根据美国政府更新的 通货膨胀削减法案（IRA），税收抵免仅适用于符合涵盖三个关键因素的特定标准的氢项目。首先，该项目必须涉及电解槽生产开始前 36 个月内建造的专用可再生能源（额外性）。其次，可再生能源和电解槽应在同一电网（电网接入）内运行。第三，该项目必须在生产时间方面与可再生能源发电精确匹配（时间匹配）。新的要求促使开发商在附近建造专用可再生能源的氢工厂。

截至 2023 年 12 月， 氢能委员会 报告称，尽管宣布了大量项目，管道总容量达到 305 吉瓦 (GW)，但绿色氢电解槽的总容量仅超过 1GW。这一产能足以使一家年产能接近 300 万吨 (Mtpa) 的钢厂脱碳。氢能开发行业还面临着成本通胀和融资费用上涨等挑战，这些挑战推高了氢能价格。如果今天建造，生产可再生氢 (LCOH) 的估计平准化成本约为 4.5 美元/千克至 6.5 美元/千克。预计到 2030 年将降至 2.5 美元/公斤至 4.0 美元/公斤。

中国电解槽提供了机会，因为它们的成本效益是西方同行的两到五倍 ；然而，它们的性能落后于西方模型。

由于通货膨胀和政府支持的不确定性，一些项目 推迟了 最终投资决定（FID）。贷款人预计 承购商 将为绿色氢项目提供支持，但生产成本与承购商期望的利率之间的价格差距仍然很大。最终用户希望有更多的支持性法规来促进更顺利的过渡，这可能会导致 2024 年项目融资审批量的增加。

由于绿色氢生产面临所有这些挑战，因此优先考虑能够大幅减少碳排放的行业（例如钢铁行业）的可用产能至关重要。

德国智库 Agora Industry 强调，钢铁是各种氢应用中最具碳减排潜力的行业。有趣的是，即使在直接电气化不可行的行业，从煤炭转向氢（如钢铁行业）比从石油和天然气等其他化石燃料转向氢能产生更多效益。

除了根据优先级和碳减排潜力在各个部门分配有价值的绿色氢之外，开发商还应该重新考虑长距离出口氢。特别是对于 中东和北非等地区正在开发的项目来说，氢气运输并不是最佳解决方案，效率低下和能源损失增加了氢气价值链的成本。相反，强烈建议在国内使用氢气来生产氢还原铁作为优选方法。

作为替代方案，一些钢铁制造商选择将炼铁工艺转移到能够获得更实惠、更可靠能源的地点，以热压块铁 (HBI) 的形式进口纯铁作为原料。正在出现的概念将炼铁与炼钢过程脱钩。

为了实现这一目标，一些钢铁生产商将重点放在澳大利亚、巴西、中东和非洲，所有这些国家都致力于将自己打  造成钢铁原材料的绿色中心。 POSCO正在规划一项 120 亿美元 的投资，用于澳大利亚的绿色 HBI。2023年10月，开发2Mtpa HBI和0.7Mtpa铁矿球团的计划已 提交 环境审批。

绿色氢价值链的增长是一个持续数年的过程。这反映在许多新宣布的绿色钢铁项目的基本设计中，这些项目战略性地规划为氢能。大多数这些项目最初都将使用天然气 (NG) 开始运营——北欧国家除外。持续获得水力发电产生的负担得起的可再生能源，使 北欧国家 从一开始就摆脱了对天然气的依赖。

Midrex是最大的 DR 设备制造商，其工艺具有 灵活性 ，可以在还原气体混合物中不同的氢气比例下发挥作用。 只要绿色氢气生产变得具有成本竞争力，就可以 从天然气逐渐过渡到氢气。

Energiron  DR 技术的联合开发商 Tenova和Danieli声称，所有 Energiron DRI 工厂在设计上都已做好氢气准备，无需改造设备即可开始使用氢气作为还原气体。

在河钢集团进行的一项试验中，诸如将氢气比例提高到 60% 等实验验证了在 Energiron 竖井中利用气体混合物来减少炼铁过程中碳排放的潜力。2022 年 5 月， 安赛乐米塔尔 长材加拿大公司配备了两个 Midrex 轴，成功进行了用氢气部分替代天然气的测试。

COP28的结论  强调了能源系统中摆脱化石燃料的必要性，标志着一个关键阶段的开始。这强调了所有国家的集体责任，即迅速逐步淘汰基于化石的工业运营，确保与《巴黎协定》的目标保持一致。

尽管目前氢气的价格很高，但预计随着电解槽技术在不久的将来成熟，成本将变得越来越经济，从而促使人们转向氢气。相反，随着能源系统逐渐摆脱化石燃料， 预计到本十年末，全球 天然气供应将出现过剩。投资新产能开发可能会导致资产搁浅。

第一波绿色钢铁倡议正在欧洲兴起。乌克兰战争后，欧洲计划  通过增加主要来自美国的液化天然气进口来部分替代俄罗斯管道天然气。钢铁制造商引入新的天然气需求可能会给整体供应带来压力，因此需要重新考虑向 NG-DRI 途径过渡的研究，即使是作为真正绿色钢铁的过渡解决方案。值得注意的是，考虑到  与通过管道输送天然气相比，液化天然气在液化、运输和再气化过程中产生的额外费用，利用液化天然气作为原料可能会增加最终的钢铁成本。

欧洲正在减少对天然气的依赖，因为可再生能源在欧洲大陆能源结构中所占的份额越来越大。欧盟的目标是  到 2030 年通过可再生能源满足42.5%的能源需求。

考虑到能源领域的变革，在炼钢中利用“蓝色”氢（使用天然气制造，并通过 CCS 捕获排放物）的概念是不合理的。CCS 仍然是一项 未经证实的 技术，具有性能不佳和捕获率低的记录。

根据美国 能源部 （DOE）的一份报告，大多数蓝氢项目由于上游排放量高而不被认为是清洁的，并且不符合税收抵免的条件。欧盟也没有  为蓝氢提供广泛的补贴。

此外，根据欧盟修订后的 可再生能源指令 （RED III），到2030年钢铁等行业的氢用量必须至少有42%来自可再生能源，到2035年进一步增加到60%。这一更新指令有效排除了欧盟炼钢蓝氢开发的可能性。

由于其大量的碳排放，使用天然气直接还原铁并不是实现钢铁脱碳的最终解决方案。绿色钢铁生产商应该制定明确的战略，向绿色氢转型，或者至少主动计划逐步加入氢，以减少生产过程中对天然气的依赖。

H2-DRI-EAF 代表了分配有限资源来创造有价值产品的叙述。目前，绿氢成本较高，且DR级铁矿石稀缺。通过明智地将这两种资源分配给绿色钢铁设施，并在支持性且严格的法规的支持下，向绿色钢铁的过渡可以在 2024 年继续获得动力。

来源：碳加铁研究员