全球钢铁业低碳转型能否“氢”尽所能？

近期闭幕的《联合国气候变化框架公约》第三十次缔约方会议（COP30），让全球绿色低碳转型的共识与紧迫性进一步凸显。全球钢铁行业碳排放占比达6%~8%，其中高炉炼铁工序是主要排放源。不少观点认为，要想实现钢铁行业的深度减碳，关键便在于用低碳还原剂替代传统化石燃料。在这一背景下，尽管在储运与能量密度上仍面临挑战，但氢正得到越来越多的重视。

然而，全球钢铁业能否真正发挥氢能的潜力，在低碳转型进程中实现“氢”尽所能？米德雷克斯（Midrex）近期发布了一份报告，系统梳理了氢在钢铁行业转型中的角色，从氢的类型与制取成本，到其在炼铁工艺中替代碳基还原剂的可行路径，再到大规模应用所面临的技术与产业链挑战，吸引了不少关注。该报告指出，氢基直接还原炼铁已成为最具前景的发展方向，而其产业化速度最终取决于绿氢能否以足够规模、具有竞争力的成本稳定供应，并成功跨越技术集成、设施配套与市场协同等多重障碍。

成本壁垒有待突破

按照生产方式的不同，氢有着自己的“彩虹色谱”，包括绿氢、蓝氢、灰氢、黑\棕氢、粉氢、绿松石氢、黄氢、白氢。绿氢是实现低碳排放炼钢最理想的氢气。米德雷克斯介绍，虽然目前有不少可选择的绿氢生产方式，但是工业和发电领域对绿氢的巨大需求，仍将带来较大的技术和商业挑战，并需要政府或私营部门的大规模资金支持。当前，粉氢在市场中属于“小众产品”，但长期看具有发展潜力。白氢，也可以叫天然氢，正受到日益增长的关注和重视。米德雷克斯在报告中介绍，在2023年全球已有40家公司勘探天然氢矿床，而2020年时仅有10家。天然氢相较于可再生能源或化石燃料制氢具有显著成本优势。目前，灰氢平均成本低于2美元/千克，绿氢成本约为其3倍，而白氢的提取和提纯成本可控制在约1美元/千克。

米德雷克斯在报告中测算，全球“低碳排放氢”产能预计从2021年的70万吨/年大幅增长至2030年的约2400万吨/年。这一增长依赖于电解槽技术的快速进步与廉价可再生电力的充足供应。以澳大利亚为例，其目标是在2030年实现50吉瓦的电解槽装机容量，相当于该国全国居民用电总量。当前，欧洲、大洋洲及拉丁美洲等地区正在建设更大规模的电解槽项目，预计到2030年单个项目规模可超过1吉瓦。然而，实现这些目标需要巨额资金支持，并面临可再生能源间歇性供应、电网扩容等挑战。

报告指出，绿氢成本是决定其竞争力的关键，目前估算范围4美元/千克~9美元/千克，远高于传统蒸汽重整制氢约1美元/千克的成本。在成本构成中，电力费用占比最高。根据米德雷克斯的测算，生产每千克氢需50千瓦时~55千瓦时的电力，按0.06美元/千瓦时计算，仅电费就达约3美元/千克。绿电成本通常在0.08美元/千瓦时~0.12美元/千瓦时，且在电网薄弱地区更高。同时，电解槽设备本身成本高昂，目前为1400美元/千瓦~1800美元/千瓦，但预计到2030年有望下降70%至约400美元/千瓦。未来成本下降依赖于电解效率提升，可再生能源电价持续降低和关键金属如铂、稀土供应链的稳定。

蓝氢则与碳捕集、利用与存储（CCUS）技术紧密绑定。米德雷克斯在报告中预计，到2030年，欧洲及北美地区通过该路径的氢产量可达每年300万吨。其商业化前景取决于CCUS技术成本能否大幅下降。目前，这一技术成本在15美元/吨二氧化碳~120美元/吨二氧化碳，且每捕集1吨二氧化碳需消耗约1吨蒸汽，并面临地质封存条件、管道基础设施等限制。

报告指出，目前氢能的大规模应用还面临储存与调峰的难题。无论是电力还是氢气本身的储存，目前成本均很高且缺乏工业级解决方案。尽管挑战重重，但在钢铁等高排放行业，结合绿氢与CCUS的技术路线，仍被视为欧盟、北美等发达地区实现2050年深度降碳目标的最可行路径。而“氢能经济”的成形将最终取决于技术突破、成本下降与系统性基础设施投资的同步推进。

根据国际能源署公布的数据，绿氢在2030年后才可能达到工业规模。目前全球专用氢能生产中仅有不到0.1%来自水电解制氢。在此过渡期，蓝氢成为了众多企业积极探索的替代方案。然而，主要挑战仍在于实现规模化制氢以满足预计需求，这不仅是钢铁行业要面对的，也包括其他行业领域。根据国际能源署的可持续发展情景预测，到2050年全球氢能需求将增至2.87亿吨/年，较2020年增长超过400%；2030年之后，氢能需求将大幅增长。然而，当绿氢可供使用时，哪些行业能优先获得供应？这一点至今仍未明确。米德雷克斯认为，这可能最终简化为价格与可负担性的考量标准。目前的趋势正转向优先保障工业领域使用，而非交通运输等其他更能承受氢能成本的行业。尽管如此，全球氢能生产正迅速发展，众多项目正在推进以生产各类氢。米德雷克斯在报告中预计，2030年后绿氢产量将急剧增长，到2050年将成为主导。与此同时，蓝氢产量也将增长，而灰氢和棕氢将在2030年后逐步减少。

沿3条技术路径 推进在钢铁业的应用

报告指出，当前全球钢铁生产的传统路径中，约72%采用焦化—高炉—转炉（CO-BF-BOF）工艺，约29%采用废钢—直接还原铁—电弧炉（Scrap-DRI-EAF）工艺。高炉工艺的二氧化碳排放量最高可达电弧炉工艺的4倍。

氢气在钢铁冶金中的直接应用主要用于加热和还原铁氧化物。一是高炉喷吹氢气。氢可部分替代焦炭或煤粉喷吹及替代天然气等其他还原剂，但作用有限。由于氢还原是吸热反应，会吸收热量并导致高炉风口区域产生冷却效应，需要通过向高炉内的还原和熔炼过程补充额外热量作补偿。这能减少碳排放，但无法彻底消除。二是氢等离子体熔融还原。这是一种利用氢等离子体还原铁矿石的工艺，目前仍处于试验阶段，但具有一定潜力。三是氢基直接还原铁。氢气可以替代天然气或煤作为还原剂，去除铁矿石中的氧，过程也更为环保。

米德雷克斯介绍，目前，欧洲多家企业已规划在2030年前建设氢基直接还原铁产能，并探索配套碳捕集与封存技术，以处理过渡阶段的排放。对于在直接还原竖炉中氢气与一氧化碳的混合使用，欧洲等地区钢铁行业已就逐步提高氢气比例直至实现100%纯氢还原进行了大量规划。其在具备地质封存二氧化碳实际条件的地区，也可在现有直接还原工厂和高炉工艺中增加碳捕集与封存技术，以减少碳足迹。例如，墨西哥和阿布扎比已部分应用捕集的二氧化碳。欧洲主要钢铁制造商计划在2030年或之后不久增加其钢厂的直接还原铁产能。值得注意的是，热压铁块也可视为一种能源运输形式。在美国、部分中东国家、澳大利亚等生产的热压铁块，运输到能源成本高昂或可再生能源潜力有限的国家，相比以液态、气态或氨形式运输氢气，是一种更简单且成本更低的解决方案。

氢基直接还原技术正从示范走向产业化。根据报告，就目前而言，成熟的MIDREX®与ENERGIRON®工艺已具备100%氢基还原的技术能力。与此同时，多项新兴技术也正围绕氢能展开，例如普锐特冶金技术的Hyfor®流化床工艺、其与浦项制铁联合开发的HyREX工艺（结合熔炼环节），以及美卓重新推出的Circored®流化床工艺。在欧洲，如瑞典钢铁公司（SSAB）、蒂森克虏伯、奥钢联等钢企，正积极推进从高炉向直接还原铁生产的转型，他们计划将所产直接还原铁用于电弧炉补充废钢，或经电熔后作为转炉原料使用。类似布局也出现在亚太地区，例如澳大利亚计划替换肯布拉港高炉。欧洲旗舰项目“H2FUTURE”已在奥地利林茨钢厂投运一套6兆瓦质子交换膜电解系统，用于绿氢生产。瑞典的“HYBRIT”项目在完成吕勒奥中试后，正推进耶利瓦雷示范工厂建设，将采用绿电制氢与“绿球团矿”生产纯绿色直接还原铁。更进一步的商业化项目标杆是瑞典Stegra公司（原H2GS公司）位于布登的工厂，计划于2026年投产，将成为全球首个完全依托可再生能源和100%氢基直接还原工艺的规模化“绿色钢铁厂”，规划年产能达250万吨低碳排放钢。

与此同时，多数新建直接还原产能将先以天然气为基础，并设计为可灵活调节还原气中的氢比例、兼容碳捕集技术，以待绿氢具备经济性时平滑过渡。“需要了解的是，若采用天然气重整制氢再进行还原，其碳排放反而高于直接使用天然气。”米德雷克斯在报告中强调。

从示范走向主流 仍面临多重挑战

尽管规划的应用前景广阔，但氢在钢铁行业真正实现规模化应用，仍面临多重挑战与不确定性。

米德雷克斯介绍，就目前而言，规划的绿氢项目规模远不足以满足未来需求，特别是欧洲钢铁行业的减排目标。与此同时，大规模、低成本的绿氢生产依赖于绿电设施的快速扩张，和电解槽技术成本的持续降低。尽管预计到2030年制氢成本将显著下降，但其实际进度将直接影响2050年目标的实现可能性。因此，氢能否成为经济可行的替代方案，仍存在不确定性。

与此同时，氢能技术的工业应用效果需要实际项目验证，特别是大型高炉富氢冶炼、氢基直接还原铁等关键工艺。当绿氢供应有限时，钢铁行业能否获得足够份额尚不明确，这也会影响企业技术路线规划与投资决策。

政策和舆论环境变化也是需要考量的因素。虽然全球普遍支持2050年的碳中和目标，但各国进展不一，部分发达国家已出现政策执行放缓迹象。同时，发展中国家受限于经济条件，其目标设定与实施能力存在差异，这些因素都可能影响全球氢能应用的节奏。

再看技术层面，在具体工艺中，氢基直接还原还需克服两大操作难题。一是氢还原为吸热反应而产生的炉内冷却效应，需通过优化温度与气流控制进行补偿。二是反应生成的水蒸气在设备上部可能凝结，需通过改进设计与操作制度予以避免。

最后，米德雷克斯表示，氢在钢铁行业低碳转型进程中能否物尽其用，不仅取决于配套技术成熟度，还受到供应体系、成本竞争力、产业政策及全球协作等多重因素的综合影响。（中国冶金报）