深入：氢将如何改变绿色钢铁生产的未来

钢铁可能是现代社会的重要产品，但它也是二氧化碳排放的主要来源。那么，在实现净零排放的道路上，绿色钢铁能发挥什么样的作用呢？虽然目前它的价格是传统产品的两倍，但它带来了许多好处——对重钢产品来说，价格只会小幅上涨。

　　钢铁的可持续性困境

　　钢铁是现代社会的关键材料。它为我们提供了房屋、桥梁、运输、以及基本设备和产品。它不仅仅是旧工业革命的遗迹——钢铁在低碳经济中也至关重要。电动汽车、电动公共汽车和电动火车等绿色交通工具需要大量的钢材，风力涡轮机和电解槽也是如此。但是，令人遗憾的是，目前钢铁生产也是全球温室气体排放的主要来源。

　　更环保的替代品仍然需要证明自己，而且在竞争激烈的市场上，它们往往因为价格过于昂贵得令人望而却步。彻底改变生产流程需要数年时间，因此变革往往极其缓慢。

　　钢铁是现代社会不可或缺的一部分

　　2022年全球钢铁使用量行业百分比：

　　炼钢是一个能源密集的过程，目前的技术主要基于煤炭。如今，它每年排放27亿吨二氧化碳，占全球年排放量的7%。中国、韩国和日本的这一比例分别为15%、14%和12%，几乎翻了一番。

　　彭博新能源财经(BNEF)的数据显示，随着全球人口不断增长和经济日益繁荣的共识，到2050年，钢铁需求预计将增长35%。虽然该行业在能源效率方面正在改善，但如果钢铁生产继续以煤炭为主，排放量可能会进一步增加。

　　这并不完全符合创造净零经济的目标。所以，我们来看看可能的技术解决方案的商业案例，以减少钢铁行业的碳排放。我们将评估目前所处的位置，以及企业目前为实现净零排放目标所面临的各种压力。随着科学的进步和适应，我们还将研究哪些替代燃料可以证明是技术的领跑者。

　　减少炼钢排放的主要策略有三种：

　　1、缓和对钢铁的需求

　　这是一项艰巨的任务，因为人们普遍认为，到2050年，钢铁的需求将不断增长，铝和混凝土等钢铁的替代品也是碳密集型的。用钢铁代替另一种排放大量碳的产品，在帮助气候方面并不是进步。

　　2、提高现有钢铁厂的能源效率

　　这对以煤为基础的老钢铁厂尤其有帮助，因为使用更高品位的矿石或采用更有效的技术将煤注入熔炉，可以减少高达30%的排放量。材料效率也可以通过使用更多的回收钢材来提高——但目前全球85%的废旧钢材被回收，回收率已经很高了。大多数钢铁产品在回收之前还要使用几十年。因此，没有足够的再生钢来满足不断增长的需求，世界仍然需要大量的“原钢”。

　　3、在炼钢过程中应用技术修复

　　例如，通过使用清洁电力电弧炉使部分过程带电，或者通过捕获和储存传统煤基钢铁生产过程中排放的碳。这项技术被称为碳捕获和储存(CCS)，它保留了目前以煤为基础的过程，同时可以减少75-90%的排放量。用氢等合成燃料替代煤炭是另一项技术解决方案，可以大大减少碳排放。如果氢是以一种清洁的方式生产的(即来自太阳能电池板、风力涡轮机、水力发电或核能等低碳能源的蓝色氢或绿色氢)。虽然技术修复是向净零经济转型的重要推动因素，但它们有反弹效应和杰文斯悖论的风险：一旦气候影响减少，钢铁需求可能会上升。

　　考虑到减少需求和提高能源效率的局限性——尽管存在杰文斯悖论——我们认为，CCS和氢可能在钢铁行业向净零排放经济过渡的道路上发挥关键作用。

　　氢与电气化相结合是净零经济中绿色炼钢的最终形式。CCS是大幅降低全球许多现有燃煤钢厂碳排放的关键途径，尤其是那些可能在未来许多年里仍在运营的年轻钢铁厂。

　　请注意，由于两个原因，我们没有探索以气体为基础的炼钢。首先，天然气通常被视为一种过渡燃料，而不是净零经济的主要能源。这一作用通常归因于氢等合成燃料。其次，出于实际原因，我们必须限制建模选项，因为它们相当复杂。因此，重点关注煤炭路线是有意义的，煤炭路线占全球钢铁产量的70%左右，同时研究绿色钢铁生产的最终形式。

　　然而，我们确实相信气基炼钢将作为一种中间技术，并可能成为氢基炼钢的垫脚石。事实上，最新的以天然气为基础的钢铁厂通常是双燃料工厂，一旦未来绿色氢气充足，就可以很容易地从天然气转换为氢气。专家认为，这种情况可能会在2035年以后出现。

　　CCS和氢气能提供一个神奇的解决方案吗？

　　钢是由铁制成的，铁是我们最熟悉的金属之一。自古以来，人们就开始使用铁器，历史学家甚至将一段650年的历史时期称为铁器时代(the Iron Age，可追溯到公元前1200-550年)。工业革命使铁变成高质量的钢成为可能，并引发了我们现代社会的许多钢铁应用。

　　炼钢包括两个步骤，首先是将氧化铁(从地下开采)还原为纯铁，然后将其转化为钢。有数百种不同形式的钢，但都是由铁制成的。

　　将铁矿石转化为铁和随后的钢的过程需要非常高的温度，因此需要能源来产生热量。在传统工艺中，煤既被用作将铁矿石还原为铁的原料，又被用作产生热量的能源。

　　将铁矿石转化为铁的第一步是迄今为止能源和碳密集度最高的阶段，在以煤为基础的炼钢过程中，其碳排放量约占80%。