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          歐洲掀起綠色鋼鐵行動 綠氫綠電存在巨大缺口

          鋼鐵行業是碳排放密集程度最高、最難脫碳的行業之一,2020年鋼鐵行業碳排放量占全球總量的7.2%。根據世界鋼鐵協會數據,平均每生產1噸鋼排放1.851噸二氧化碳。

          歐盟鋼鐵行業溫室氣體年排放量(直接和間接排放)達到2.21億噸,占歐盟總排放量的5.7%,約等于法國整個國家的年排放量。在歐盟碳交易體系(EU-ETS)中,前五大工業排放源都屬于鋼鐵行業。

          目前,歐洲鋼鐵行業正走在雄心勃勃的脫碳道路上,即到2030年將碳排放量比1990年的水平減少55%,并到2050年(相比1990年)可以達到80%~95%的減排成果。

          為此,歐洲的鋼鐵行業掀起了一場綠色鋼鐵行動。歐洲鋼鐵聯盟已經制定了一套明確的路徑方案,確保歐洲能夠繼續走在符合《巴黎氣候協定》要求的軌道上,同時也使歐洲鋼鐵適應清潔、低碳的未來。

          與此同時,包括汽車制造商在內的越來越多的客戶,現在也呼吁鋼鐵供應商未來以氣候中和的方式進行生產,并要貫穿價值鏈的所有階段。

          01 清潔氫是鋼鐵行業脫碳最具前景的解決方案

          基礎煉鐵過程中會使用到三種還原劑:碳、氫和電。因此,任何清潔生產工藝的目標都是從碳轉向氫氣和/或電力。根據落基山研究所的最新報告,在清潔效率和技術成熟度的綜合考慮下,氫冶金,尤其是清潔氫冶金,是最具前景的鋼鐵行業脫碳解決方案之一。

          氫氣煉鋼是以氫代替碳作為還原劑,從而降低碳還原的碳排放,針對的是鋼鐵生產流程中的煉鐵工藝,即長流程中的高爐煉鐵和短流程中的直接還原煉鐵環節,全部采用廢鋼的短流程由于取消了煉鐵環節,不涉及氫冶金。對于長流程,除了消除還原反應的碳排放,還可以省去煤炭焦化環節產生的碳排放。

          氫在冶煉中的應用方式一般有三種,即高爐富氫冶煉(H2-BF)、氫直接還原鐵(H2-DRI)和氫熔融還原鐵(H2-SRI)。高爐富氫冶煉是指將氫氣與現有還原劑混合后,在冶煉過程中所產生的還原反應。該方法可以減少還原反應的碳排放,卻不能實現零碳,不過仍可被視為一種漸進式的減碳方案。在中國,寶武鋼鐵正在新疆進行高爐富氫冶煉試點項目,與碳循環等其他減碳技術共同作用,其目標是實現30%以上的碳減排。

          氫直接還原鐵是指通過氫基還原反應直接還原固體鐵礦石,該路徑有潛力實現幾乎完全脫碳。目前,眾多鋼鐵企業已經開始進行此類技術的試點項目。河鋼集團正在與意大利特諾恩(Tenova)公司合作建設一座氫能直接還原鐵工廠。SSAB已經向沃爾沃交付了首批氫基無化石能源鋼。而安賽樂米塔爾在德國漢堡建造了一座氫直接還原鐵綠色示范鋼廠。

          氫熔融還原鐵是指將熔融還原與氫還原相結合,以此來減少焦化和鐵礦石燒結前的處理步驟。建龍鋼鐵的氫熔融還原冶煉項目已在中國內蒙古成功投產。為了實現純氫離子熔融還原鐵的最終目標,建龍集團在煤基熔融還原鐵的工藝中混入了氫氣。

          根據落基山研究所的最新報告,在清潔效率和技術成熟度的綜合考慮下,氫冶金,尤其是清潔氫冶金,是鋼鐵行業完全脫碳的最關鍵、最有前途的解決方案之一。在可行使命伙伴關系(Mission Possible Partnership)的氣候一致性情景下,到2050年,全球鋼鐵行業的氫需求將達到3500-5500萬噸。

          02 歐洲鋼鐵廠的綠色行動

          歐洲鋼鐵企業紛紛開始制定各自的碳中和目標并著手研制綠色鋼鐵。最具代表性的是SSAB(瑞典鋼鐵集團),其提出“到2045年實現無化石燃料冶金、2026年投放無化石燃料鋼鐵產品”的總體目標。2016年,SSAB與瑞典電力企業Vattenfall公司、瑞典LKAB礦業公司就氫基直接還原鐵項目HYBRIT進行合作,其工藝旨在用氫氣和可再生電力取代傳統上用于礦石制鋼的焦煤。

          與此同時,HYBRIT 正在探索生產用于直接還原鐵工廠的鐵礦石球團的替代方法。該工藝目前使用化石燃料,但 HYBRIT 已嘗試使用造紙產生的生物油副產品,并計劃測試以氫為基礎的加熱來制造顆粒。

          該工廠在2021年向沃爾沃完成了首次商業交付,其綠鋼產品將于今年三季度用于沃爾沃卡車的生產,而沃爾沃也表示力爭在2026年成為第一家大規模使用綠色鋼鐵生產汽車的公司。

          在綠色鋼鐵需求的不斷增加和減排壓力持續加大的驅動下,歐洲的鋼鐵巨頭們在綠色鋼鐵領域不斷加注,僅在近一個月內就大動作頻頻。

          6月22日,鋼鐵巨頭安賽樂米塔爾和能源公司 RWE簽署了一份諒解備忘錄,將共同開發、建設和運營海上風電場和氫設施,這些設施將提供生產低排放鋼鐵所需的可再生能源和綠色氫。該合作的重點是推動碳中和鋼的生產,并計劃用風能和綠色氫替代煤炭,作為安賽樂米塔爾鋼鐵生產的主要能源。

          6月30日,數個跨行業公司組成了一個名為“GravitHy”的財團,該財團將計劃投資22億歐元運行一項綠鋼新計劃。該計劃將涉及安裝約 650 兆瓦的電解槽容量,這將是歐洲最大的電解槽之一,屆時將每年生產 110,000 噸氫氣,用于生產用于綠色鋼鐵制造的氫衍生直接還原鐵 (DRI),并將在法國南部建造一座200萬噸/年的直接還原鐵工廠。

          7月11日,德國鋼鐵巨頭蒂森克虜伯與英國石油公司(BP)簽署諒解備忘錄,以期實現鋼鐵生產所用的低碳氫以及可再生能源的長期供應。蒂森克虜伯計劃通過用低碳氫還原鐵礦石的直接還原工廠取代燃煤高爐,以加快其脫碳進程。

          7月13日,德國鋼鐵生產商薩爾茨吉特批準了SALCOS ?項目(Salzgitter低碳煉鋼)第一階段開發所需的7.23 億歐元資金,這是迄今為止對綠色鋼鐵的最大投資,新的綠氫煉鋼設施將每年生產 190 萬噸綠色鋼材,助力薩爾茨吉特2033 年底前實現其業務脫碳的目標。

          歐洲鋼鐵協會總干事AxelEggert6月1日在一個清潔鋼鐵合作網絡研討會上表示,歐洲鋼鐵行業未來十年實施的60個脫碳項目,將使該行業的直接和間接二氧化碳排放量減少三分之一,即8150萬噸。這些項目的資本支出約310億歐元,基于氫氣和綠色電力價格的不確定性,項目運營成本估計高達550億歐元。一噸綠色鋼材的價格最初可能比同類傳統高爐路線產品高35%-100%,但隨著時間的推移,預計綠色鋼材將越來越具有競爭力。

          03 綠鋼生產將帶來大量可再生能源缺口

          氫氣煉鋼的減排潛力確實很大,但要實現真正的綠鋼生產,需要確保通過可再生能源生產綠色氫氣,此外氫還原鐵吸熱反應所需要的熱量也需通過可再生能源來提供。如果氫氣煉鋼只著眼于單一環節,那也不過是拆東墻補西墻,反而有違氫氣煉鋼的初衷。而這將大大提高可再生能源的需求,為可再生能源的供給帶來極大挑戰。

          根據歐洲氫能貿易協會的最新報告《太陽能鋼鐵:綠色鋼鐵制造的技術經濟評估》,僅僅改造一家年產400萬噸粗鋼產量的鋼鐵廠(歐盟平均水平),將需要1.2-1.3GW的可再生能源驅動的電解器滿負荷運行,以產生足夠的綠色氫氣來從鐵礦石中提取鐵。如果使用可變的可再生能源電力,并且電解槽不能在恒定的滿負荷下運行,那么挑戰就更大了。當完全使用太陽能光伏發電來制氫時,所需的電解功率將增長到4.5-5.0 GW左右,這將使平均產能的單個工廠所需的資本支出從33億歐元增加到近70億歐元。

          報告同時表示,歐盟所有已安裝的BF-BOF工廠的總量約為每年1.03億噸熱金屬,將所有這些工廠轉為以氫為基礎的DRI/EAF[直接還原鐵/電弧爐]可能每年節省多達1.96億噸的溫室氣體排放,但為了做到這一點,需要多達530噸的可再生氫和多達370TWh的額外可再生發電量(包括EAF電力消耗)。

          根據Recharge的計算,在北歐(歐洲大陸大多數BOF-BF鋼廠所在地)太陽能發電的平均容量系數為12%,生產370TWh需要超過350GW的光伏板。歐洲風機的平均容量系數為26%(包括陸上和海上),生產370TWh的風能則將需要超過160GW的風力渦輪機。

          國際可再生能源機構的數據顯示,截至2021年底,歐盟有187.5GW的風力發電和160.3GW的太陽能發電裝置安裝容量。

          因此,鋼鐵行業的脫碳將帶來可再生能源的巨大缺口。根據歐洲風能協會WindEurope和鋼鐵協會Eurofer發布的估計,用于綠色鋼鐵制造的氫氣生產可能會吞噬歐盟REPowerEU一攬子計劃中增加的風電產能目標的一半以上。

          從焦炭煉鋼到氫能煉鋼,表面上只是還原方法的不同,但要實現降低碳排放的目標,需要整個流程系統性的規劃和配套產業鏈的發展,做到綠色制氫、綠色用氫。氫能煉鋼需要突破一些現實挑戰,才能實現大規模應用。這意味著除了鋼鐵行業本身,整個價值鏈模式也需要顯著的轉型。

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