碳中和目标下，氢冶金是否具备经济性？

2022-01-19 10:45:36 来源：氢云链

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简介：我国钢铁工业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放量的15%，占全球钢铁行业碳排放量的60%以上！降低二氧化碳排放一直是我国钢铁企业的重大任务。为此，“有条件要上，没条件创造条件也要上” 是在“双碳”目标之下，国家对钢铁企业减排头号要求。

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我国钢铁工业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放量的15%，占全球钢铁行业碳排放量的60%以上！降低二氧化碳排放一直是我国钢铁企业的重大任务。为此，“有条件要上，没条件创造条件也要上” 是在“双碳”目标之下，国家对钢铁企业减排头号要求。
2021年，除了改变工艺、技改减排等方式之外，国内钢铁企业开始探索从根源上解决碳排放问题——从“炭冶金”走向“氢冶金”。
业内一位专家表示：“除了通过基于氢气的直接还原技术和碳捕获与封存技术实现减排以外，关于减少钢铁生产过程中的二氧化碳排放，当前没有更多的方式。而碳捕获与封存技术属于末端解决方案，并没有从根源上解决问题。”

图表1 蒂森克虏伯的氢冶金实践

来源：蒂森克虏伯

从国内外的实践看，基于绿氢的可持续炼钢生产在技术上似乎是可行的。在规模上，氢冶金对于钢铁行业的减排潜力有多大，氢能炼钢又能增加多少氢需求？在成本上，未来通过氢冶金减碳是否具备经济性？在发展路径上，氢冶金的路线图又应该是什么样的？由于氢冶金实践时间与规模的限制，尚未能够给出直接的结论。
对于这些问题，中国电动汽车百人会氢能委员会主任张真则在《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》中提出：
1、氢气气基竖炉技术减排潜力在50%-95%
气基竖炉采用无焦直接还原铁，可大幅降低炼铁过程中的碳排放。依据还原剂氢气的含量不同，富氢竖炉碳减排潜力可达50%-95%。富氢竖炉氢冶金碳排放量与氢气含量的关系见图表2。

图表2 不同温度下富氢竖炉氢冶金碳排放量与氢气含量的关系图

资料来源: 《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》

可以看出，氢冶金有巨大的减排潜力，是实现钢铁行业碳中和目标的关键途径之一。

2、2030年氢冶金的减碳经济性及应用价值开始呈现
影响氢冶金成本的可变因素主要由氢气成本及碳税成本构成。当与其他冶金方式对比具有成本竞争力时，氢冶金才具有大规模推广的先决条件。
氢气使用成本是制约氢冶金发展最重要的因素。以氢气直接还原铁和长流程高炉炼铁比较，只考虑氢气和焦炭的成本，可得出氢冶金的竞争性成本优势（详见表3）。生产一吨铁需焦炭340千克，生产一吨铁需氢气89千克（以日本钢铁协会估算）。生产一吨铁所需焦炭成本为680元，二氧化碳排放量1.25吨。不考虑碳税情况下，氢气成本为7.65元/千克时，焦炭炼铁和氢炼铁成本才能相当。以焦炉煤气提纯后的氢气成本15元/千克计算，生产一吨铁成本就为1335元，相应碳税为524元/吨时，两者成本才能持平。当碳税为200元/吨，氢气成本需低于10.45元/千克时，氢冶金才更具有成本优势。预计到2030年，综合考虑碳税成本后，绿氢有望具备与传统焦炭炼铁方式相当的成本优势。

图表3 焦炭与氢冶金方式的成本对比表

注：1.氢气来源于焦炉煤气制氢；2.假设氢炼铁与焦炭炼铁成本相当

来源：《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》

目前，我国碳价在45元/吨左右。氢云链在一文中认为，中国碳价达到300元以上企业才有动力推动低碳技术改造，实现市场对碳排放的治理功能。未来随着碳排放配额的不断收紧，碳价预计将持续上涨。
3、预计到2050年，钢铁行业的用氢需求将达到980万吨
综合我国钢铁行业政策规划及数据分析，预测到2050年，钢铁需求降低带来的减碳量为35%，废钢利用率提升带来的减碳量为23%，技术带来的能耗提升减碳量为10%，我国还存在减排缺口32%，以现在18亿吨的碳排放量计算，到2050年碳排放缺口为5.76亿吨。碳排放缺口需要采用碳捕集吸收利用方式及氢冶金等手段达成。
根据氢冶金成本变化、技术成熟度及氢资源可用性等因素影响，估算到2050年，30%-35%的碳排放缺口即1.73亿-2.02亿吨二氧化碳减排任务由氢冶金完成。经计算，得到2050 年氢冶金钢产量为0.96 亿 -1.12亿吨，占全国钢铁行业年生产总量的14%-16%，进一步计算得到2050年基于氢冶金的氢气需求约为852万-980万吨。
根据中国氢能联盟数据，到2050年，国内氢需求将约为9000万吨，因此可以认为，氢冶金将成为绿氢最大的应用行业之一。
4、氢冶金应用的减碳路线图
随着绿氢成本下降和碳排放成本上涨，基于绿氢的氢冶金成本竞争力不断提高。
随着碳税价格的提高，氢冶金成本对氢的价格包容度越高。基于我国碳交易的发展及发达国家实践，预计到2030年，碳税在200-250元/吨。氢冶金在930-993元/吨具有成本优势，由此计算出，氢冶金在氢成本小于10.45-11.15元/千克时，成本优势显现。以2030年氢成本11.15元/千克、每电解生成1立方米氢气需要4.5千瓦时电、电力成本占总成本的70%推算，电力成本为0.146元/千瓦时，绿氢直接还原铁的成本竞争力开始突显，氢冶金的应用推广价值随之呈现。
综上所述，氢冶金是钢铁生产实现绿色低碳转型的重要技术路径，其技术路线选择与减碳路线图详见图表4。

图表4 氢冶金技术路线选择与减碳路线图

注：1.与现有高炉技术相比的减碳能力；2.对整个钢铁行业减碳贡献，与2020年相比；3.仅考虑还原剂成本。

来源：《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》

国内氢冶金的探索
早在《产业关键共性技术发展指南（2017年）》中，就将氢气竖炉直接还原清洁冶炼技术列为了重点，主要技术内容包括：
直接还原工艺与先进节能的煤炭制气技术；
焦炉煤气制气技术；
蓄热式管式加热炉技术；
蓄热式燃气熔融冶炼技术等。
钢铁企业对氢并不陌生，钢企即是产氢企业，也是用氢单位：炼钢使用的焦炉气可以生产氢气；在进行生产时，需要使用氢气作为保护气，未来也可以使用氢气作为还原气体。
国内钢企早已通过各种形式进入到氢能产业中，包括使用氢还原剂、使用氢能重卡进行钢铁运输、副产氢销售等。在2019年后，国内钢铁企业关于氢冶金的消息开始明显增加，项目见图表5。步伐较快的钢企，如宝武、河钢、酒钢、建龙等，已经开始进入执行阶段。
其中动作最快的建龙，已经实现了氢冶金的正式投产：2021年4月13日凌晨4点20分，内蒙古赛思普科技有限公司年产30万吨氢基熔融还原高纯铸造生铁项目成功出铁。这标志着氢基熔融还原冶炼技术成功落地转化，国内传统的“碳冶金”向新型的“氢冶金”转变的关键技术被成功突破。在其他环节方面，宝武、河钢均已推进氢能重卡运输示范项目。

图表 5 国内钢铁企业氢冶金项目情况