“電爐or轉(zhuǎn)爐？”——不同冶煉流程對(duì)中、日、韓和OECD歐洲國(guó)家2050年碳強(qiáng)度的影響預(yù)測(cè)

鋼鐵行業(yè)是碳密集型行業(yè)，2020年鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放約占全球二氧化碳排放量的7%。鋼鐵行業(yè)的大部分二氧化碳排放來自高爐中鐵礦石的還原，高爐使用焦炭通過能源和碳的化學(xué)反應(yīng)還原鐵礦石。直接還原鐵-電爐工藝流程的碳強(qiáng)度低于傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝，通過使用可再生能源為電爐提供動(dòng)力，碳強(qiáng)度有可能進(jìn)一步降低。在直接還原鐵生產(chǎn)過程中使用氫氣作為唯一的還原劑已經(jīng)在小范圍內(nèi)得到了驗(yàn)證，而使用可再生能源生產(chǎn)電解氫氣（通過用電將水分解成氧氣和氫氣的過程產(chǎn)生的氫氣）將在任何鋼鐵生產(chǎn)脫碳的努力中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

鋼鐵行業(yè)脫碳途徑對(duì)能源的影響

在本文分析中，探討了鋼鐵行業(yè)潛在深度脫碳情況下的能耗和二氧化碳排放水平。盡管從鐵礦石生產(chǎn)出成品鋼材有許多步驟，但本文分析側(cè)重于兩個(gè)主要生產(chǎn)工藝：煤基高碳強(qiáng)度的高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝和低碳強(qiáng)度的電爐生產(chǎn)工藝。后者通常利用廢鋼煉鋼。

此外，在鋼鐵生產(chǎn)中使用氫氣并不一定會(huì)直接導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)的脫碳。2018年，基于化石燃料裂解生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的99%，其中76%來自天然氣，23%來自煤炭。剩下的1%是通過電解過程產(chǎn)生的。與用可再生能源進(jìn)行水電解生產(chǎn)氫氣相比，通過天然氣的重整生產(chǎn)的氫氣具有較大的碳足跡。目前，通過天然氣的重整是生產(chǎn)氫氣的主要方法，幾乎所有電解生產(chǎn)的氫氣都是氯工業(yè)中氯堿生產(chǎn)的副產(chǎn)品。在未來幾年，由可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解氫氣將是鋼鐵行業(yè)脫碳的關(guān)鍵。

四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）特征

本文研究了《2021年國(guó)際能源展望》中的四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）：中國(guó)，日本，韓國(guó)和經(jīng)合組織歐洲國(guó)家。選擇這些地區(qū)，要么是因?yàn)樗鼈兊匿撹F工業(yè)的規(guī)模、鋼鐵工業(yè)的構(gòu)成，要么是因?yàn)樗鼈冃剂虽撹F生產(chǎn)的脫碳計(jì)劃。

中國(guó)：生產(chǎn)了全球一半的粗鋼，并將在任何改變?nèi)蜾撹F生產(chǎn)方式的努力中扮演關(guān)鍵角色。截至2019年，中國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)嚴(yán)重依賴煤炭，主要通過帶有高爐和轉(zhuǎn)爐的綜合鋼廠生產(chǎn)了近90%的粗鋼。中國(guó)的高爐-轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能也相對(duì)較新，平均在15年；其鋼鐵生產(chǎn)裝備的使用壽命一般超過40年。然而，只有在大約使用25年后鋼廠才會(huì)做出額外投資的決定，更換高爐爐襯，才能達(dá)到40年的使用壽命。這一大修的成本大約是新建高爐成本的一半，并且需要高爐停產(chǎn)很長(zhǎng)一段時(shí)間。如果中國(guó)的鋼鐵企業(yè)決定停止使用高爐，而不是更換耐火爐襯，向替代技術(shù)的轉(zhuǎn)型可能會(huì)更快。

中國(guó)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展始于2000年左右。中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，幫助城市地區(qū)建設(shè)了新的基礎(chǔ)設(shè)施和摩天大樓，所有這些都需要大量的鋼材。鋼鐵產(chǎn)品的使用壽命很長(zhǎng)，這意味著中國(guó)自工業(yè)化時(shí)期開始生產(chǎn)的大部分鋼鐵產(chǎn)品仍被用于重型設(shè)備、橋梁和建筑，只有很少的報(bào)廢鋼鐵可以回收利用。然而，在未來幾年，我們預(yù)計(jì)中國(guó)將有越來越多的廢鋼可供回收，這將有助于減少其用煤的粗鋼份額。此外，中國(guó)重工業(yè)產(chǎn)業(yè)（包括鋼鐵工業(yè)）的脫碳將有助于中國(guó)實(shí)現(xiàn)其宣布的凈零碳目標(biāo)。

在本文分析研究的情景中，中國(guó)電爐生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量份額將從2020年的約13%增加到2050年的50%。在中國(guó)，如此大規(guī)模的鋼鐵生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型將極具挑戰(zhàn)性，需要大量氧氣轉(zhuǎn)爐在正常的報(bào)廢之前退役。另一個(gè)挑戰(zhàn)是擴(kuò)大電爐數(shù)量以及增加生產(chǎn)電解氫和為電爐供電所需的大量太陽能和風(fēng)能的投資。盡管如此，鑒于中國(guó)在全球鋼鐵行業(yè)中極大的重要性，中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的情景會(huì)對(duì)能源格局產(chǎn)生更廣泛的影響。

日本和韓國(guó)：兩國(guó)都有成熟的鋼鐵工業(yè)，主要依靠高爐-轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)。在本文分析中，兩國(guó)鋼鐵工業(yè)的能源消耗方式可以通過電爐生產(chǎn)更多的鋼實(shí)施積極的轉(zhuǎn)型。此外，這兩個(gè)國(guó)家都正式承諾要在鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。日本已承諾將其能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾噹в刑疾东@與封存（CCS）的通過化石燃料生產(chǎn)的氫氣和以及基于可再生能源的氫氣，這使得基于電解氫氣的直接還原鐵成為其整體氫氣目標(biāo)中可能的組成部分。日本的公司已經(jīng)承諾投資一個(gè)強(qiáng)大的氫經(jīng)濟(jì)，這也將涉及工業(yè)產(chǎn)業(yè)。同樣，韓國(guó)也勾勒出了氫經(jīng)濟(jì)路線圖，以努力遏制溫室氣體排放。對(duì)目前的分析很重要的是，以浦項(xiàng)為首的韓國(guó)鋼鐵工業(yè)已經(jīng)宣布了建設(shè)氫氣生產(chǎn)能力的計(jì)劃，作為這一努力的一部分。

2019年，日本主要使用高效高爐生產(chǎn)其鋼鐵產(chǎn)品——日本76%的粗鋼是通過高爐-轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)的。然而，日本是一個(gè)成熟的經(jīng)濟(jì)體，其很多基礎(chǔ)設(shè)施將需要在預(yù)測(cè)期內(nèi)退役，這意味著廢鋼的供應(yīng)將保持在較高水平，這可能會(huì)支持低碳足跡鋼的生產(chǎn)。韓國(guó)與日本在鋼鐵技術(shù)和資源獲得方面有相似之處。與日本一樣，韓國(guó)主要利用高效高爐生產(chǎn)高水平的鋼鐵產(chǎn)品，2019年韓國(guó)生產(chǎn)的粗鋼中有68%來自高爐-轉(zhuǎn)爐工藝。

日本在達(dá)到這些情景中假定的電解生產(chǎn)氫方面面臨挑戰(zhàn)。在本次分析的四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）中，日本的工業(yè)電價(jià)最高，其次是韓國(guó)。作為一個(gè)地理上的島國(guó)，日本可能會(huì)遇到土地資源的限制，無法建設(shè)大規(guī)模的風(fēng)力和太陽能發(fā)電場(chǎng)，以滿足假設(shè)情況下所需的可再生能源。相反，它可能需要大型海上風(fēng)電項(xiàng)目或進(jìn)口中間產(chǎn)品，如熱壓塊鐵或氫氣。像日本一樣，韓國(guó)可能也沒有足夠的土地來建立大規(guī)模的可再生能源發(fā)電場(chǎng)。

經(jīng)合組織歐洲國(guó)家：在本項(xiàng)分析中的經(jīng)合組織歐洲國(guó)家，其成員國(guó)如德國(guó)鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將政府資金投入到綠色鋼鐵-低碳足跡的鋼鐵產(chǎn)品中試項(xiàng)目中。安塞樂米塔爾集團(tuán)致力于在德國(guó)漢堡鋼廠利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣生產(chǎn)綠色鋼鐵產(chǎn)品；瑞典公司的HYBRIT項(xiàng)目已經(jīng)向客戶交付了低碳足跡鋼材。

經(jīng)合組織歐洲國(guó)家在向低碳鋼鐵生產(chǎn)轉(zhuǎn)型方面處于有利地位，其優(yōu)勢(shì)在于：

★風(fēng)能和太陽能項(xiàng)目有足夠的土地資源；

★有充足的廢鋼供應(yīng)；

★現(xiàn)有的天然氣管道可以將氫氣輸送給工業(yè)用戶；

★更嚴(yán)的二氧化碳排放政策。

德國(guó)政府已經(jīng)承諾為其鋼鐵行業(yè)的脫碳提供資金，其中氫氣的使用是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。截至2019年，經(jīng)合組織歐洲國(guó)家在本文分析的地區(qū)中，高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)的粗鋼份額為52%。即使有了起步優(yōu)勢(shì)，該地區(qū)仍將需要在擴(kuò)大可再生能源產(chǎn)能方面進(jìn)行大量投資，以滿足在假設(shè)對(duì)更大份額可再生能源驅(qū)動(dòng)的電爐鋼和電解氫氣生產(chǎn)的需求。

鋼鐵工業(yè)能源消耗

在本文研究的所有區(qū)域，無論是EAC情景還是DAC情景，2020年至2050年（即IEO2021的預(yù)測(cè)期），煤炭使用量普遍下降，而鋼鐵行業(yè)的電力使用量增加。煤炭和電力消耗的這些變化是由于在兩種替代情景下電爐鋼產(chǎn)量增加的假定條件下發(fā)生。在這些情景下，天然氣消耗增加將超過參考情景，因?yàn)殡姞t鋼產(chǎn)量增加意味著需要用更多的直接還原鐵，以補(bǔ)償轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量下滑。此外，根據(jù)EAC情景更早實(shí)現(xiàn)（到2030年）可再生能源生產(chǎn)的氫氣成本與基于化石燃料生產(chǎn)的氫氣成本一致的更大膽假設(shè)，而天然氣消費(fèi)趨勢(shì)略低于DAC情景，電力消費(fèi)略高于DAC。發(fā)生這種變化是因?yàn)槲覀兗僭O(shè)可再生能源生產(chǎn)的氫氣成本更早達(dá)到化石燃料成本，這意味著氫氣產(chǎn)量和可再生能源發(fā)電量增加，并導(dǎo)致利用重整天然氣生產(chǎn)的直接還原鐵減少。

在另一種情景下，中國(guó)鋼鐵行業(yè)的整體能源強(qiáng)度下降，這是由轉(zhuǎn)向能源強(qiáng)度較低的電爐生產(chǎn)推動(dòng)的。然而，這種能源強(qiáng)度下降受到直接還原鐵產(chǎn)量增長(zhǎng)所需的天然氣增長(zhǎng)緩慢的限制。日本、韓國(guó)和經(jīng)合組織歐洲國(guó)家總體能源強(qiáng)度的相對(duì)變化大于中國(guó)，因?yàn)槠潆姞t鋼和轉(zhuǎn)爐鋼份額變化更大。

鋼鐵工業(yè)作為一個(gè)碳密集型產(chǎn)業(yè)，采用廢鋼的電爐生產(chǎn)流程比采用高爐-轉(zhuǎn)爐流程的碳強(qiáng)度和能源強(qiáng)度低得多。鋼鐵目前已經(jīng)是世界上回收利用最多的材料，進(jìn)一步降低鋼鐵行業(yè)碳強(qiáng)度的努力必須包括更多的廢鋼回收利用。但是廢鋼回收是有限度的。廢鋼回收的有限性和廢鋼冶煉的鋼材潔凈度的關(guān)注，使得采用其他低碳強(qiáng)度工藝生產(chǎn)高純度粗鋼成為必要選擇。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，在本文分析中，重點(diǎn)關(guān)注使用可再生能源提高電爐鋼產(chǎn)量，并使用由可再生能源供電的電解氫還原生產(chǎn)直接還原鐵補(bǔ)充廢鋼原料不足。通過以下方式量化了四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）鋼鐵行業(yè)不同的二氧化碳減排潛力：

★增加電爐爐料中使用的直接還原鐵比例；

★增加直接還原鐵生產(chǎn)中使用的可再生能源生產(chǎn)的氫氣用量；

★增加用于電爐冶煉的可再生能源使用。

對(duì)四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）研究的情景展示了各個(gè)地區(qū)鋼鐵行業(yè)所需新增可再生能源的數(shù)量存在差異，且其取決于所在區(qū)域的電力構(gòu)成。例如，從《國(guó)際能源展望2021》給出的參考情景來看，到2050年，韓國(guó)碳強(qiáng)度降低22%需要新增25%的可再生能源發(fā)電量，而在經(jīng)合組織中的歐洲國(guó)家，碳強(qiáng)度降低30%以上只需要增加9%的可再生能源發(fā)電量。

盡管沒有詳細(xì)說明氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存或分配，但這些情景說明了相對(duì)于參考情景的結(jié)果，鋼鐵行業(yè)部分脫碳存在區(qū)域性差異。與參考情景相比，到2050年，中國(guó)粗鋼生產(chǎn)的碳強(qiáng)度下降14%，日本下降24%，韓國(guó)下降22%，經(jīng)合組織歐洲國(guó)家下降31%。但碳強(qiáng)度的降低意味著要求對(duì)四個(gè)國(guó)家（地區(qū)）鋼鐵生產(chǎn)過程控制以及對(duì)可再生能源發(fā)電進(jìn)行投資。

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。