氫冶金是鋼鐵行業實現碳中和目標的革命性技術。氫冶金正處于技術導入期，需要從氫冶金的規模經濟和產業生態角度全方面研究了碳中和目標下的鋼鐵行業的減碳路徑與應用前景，百人會氫能中心在東北大學低碳鋼鐵前沿技術研究院、德國蒂森克虜伯、泰山鋼鐵等科研院所和企業的支持下，進行了氫冶金研究并發布報告。預計到 2030 年，基于綠氫的氫冶金將逐漸擴大在鋼鐵行業中的規模化應用，到 2050 年，鋼鐵行業的用氫需求將達到 980 萬噸，氫冶金成為鋼鐵行業實現碳中和目標的主要路徑之一。本文內容主要分為兩部分，節選自研報《碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究》及發表于《價格實踐與理論》的相應論文。上篇傳送門：《碳中和目標下的氫冶金減碳路徑與應用前景（上）》。
01
氫供求關系及成本是影響氫冶金應用的關鍵因素
氫氣作為氫冶金的基本原料，其供求關系直接影響氫冶金推進的程度。綜合我國鋼鐵行業政策規劃、專家訪談及數據分析，預計到2030年氫冶金產量為0.21-0.29億噸，約占全國鋼鐵總產量的2.3%-3.1%。基于氫冶金的氫氣需求約為191-259萬噸。氫冶金用氫需求中約92%來自焦爐煤氣，剩余約8%來自電解水制氫。到2050年，氫冶金鋼產量為0.96-1.12億噸，基于氫冶金的氫氣需求約為852-980萬噸。其中焦爐煤氣提供166萬噸氫，剩余814萬噸來自于綠氫。
圖表8 氫冶金中氫的來源
摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究”.《價格理論與實踐》
氫氣成本是決定氫冶金成本具有市場競爭力的關鍵因素。傳統的高爐煉鋼方式，成本主要取決于鐵礦石和焦炭價格，焦煤價格直接決定了焦炭價格。而氫冶金方式煉鋼成本取決于鐵礦石和氫氣價格。隨著碳稅價格的提高，氫冶金成本對氫的價格包容度越高。基于我國碳交易的發展及發達國家實踐，預計到2030年，碳稅在200-250元/噸時，氫成本小于10.45-11.15元/kg時，氫冶金成本優勢顯現。以2030年氫成本11.15元/kg，按每電解生成1m3 H2需要4.5kWh電，電力成本占總成本的70%推算，電力成本為0.146元/kWh。伴隨著可再生能源電力成本的下降及電解槽的規模化應用，綠氫直接還原鐵的成本競爭力開始突顯。氫冶金的應用推廣價值將在可再生能源豐富的區域率先實現。鋼鐵企業會優選此類地區開展綠氫規模化氫冶金示范應用項目。
圖表9 氫冶金的競爭性成本優勢分析（僅考慮H2和CO2價格）
注：藍色表示氫冶金具有成本優勢；白色表示傳統煉鋼具有成本優勢
摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究”.《價格理論與實踐》
02
氫冶金應用帶動鋼鐵產業綠色升級
產業綠色轉型升級是實現鋼鐵行業碳中和的終極路徑。將氫氣加入鋼鐵企業的產業鏈中，能夠升級傳統鋼鐵制造、擴大氫氣的使用量、有效利用廢鋼以及減少鐵礦石的使用量，將形成產業結構和能源結構的雙贏局面。未來，可再生能源電力及綠氫成本將逐漸下降，碳稅價格將不斷提高，與現有燒結+焦化+高爐+轉爐的長流程工藝的建設投資、人工成本、備件費用相比，DRI+廢鋼+電爐的短流程工藝在生產成本和工程投資上更具有明顯優勢，短流程煉鋼比例將逐年上升。以焦炭為核心的成熟的鋼鐵產業生態將逐漸替代為以氫能為核心的新鋼鐵產業生態。以氫冶金為核心的新的產業布局、技術進步、金融支撐以及基礎設施配套將逐步形成。在相對大規模風電、光伏布置的地域，如中國西北、西南地區，有可能獲得大規模廉價綠電和綠氫，可在當地建設鋼鐵企業，在這些地區，可建設相應鐵路、管道、電網和其他貿易基礎設施與其配套；也可建立輸氫管道將氫送到外地，供其他煉鋼廠。
到2050年，鋼鐵行業將成為工業中繼化工后的第二大用氫行業。綠氫經生產、儲運后，送到煉鋼廠，生產直接還原鐵，然后在電弧爐中使用直接還原鐵生產鋼。根據波士頓咨詢公司，到2050年，氫冶金相應設備市場每年可能達到160億至200億美元，我國按照占比60%，市場規模在800億元人民幣。
03
明確氫冶金減碳路線圖
氫冶金是實現碳中和的關鍵技術，鋼鐵行業轉型向氫冶金不可能一蹴而就。實現未來可再生能源的廉價可用性和監管將是采用氫冶金的兩個關鍵驅動因素。盡管我國鋼鐵行業實現碳中和的目標仍需30-40年，但現在就采取行動至關重要。氫冶金必須選擇合適的技術路線、遵循一個明確的減碳路線圖。
氫能冶金技術主要有三種：富氫還原高爐、氫氣氣基豎爐和熔融還原氫冶金。其中熔融還原氫冶金尚未成熟，處于實驗室研究階段，很難實現工業化。從碳減排力度來看，富氫還原高爐的碳減排潛力在10%-20%，氫氣氣基豎爐的碳減排潛力為50%-98%，我國鋼鐵行業更需發展到氫氣氣基豎爐。在全氫和豎爐和富氫豎爐兩種路線來看，由于100%氫氣代碳冶金存在客觀障礙，也存在技術和經濟上的挑戰，暫無法實現。富氫豎爐可結合氫的強還原能力和碳冶金的強放熱效應，實現煤氣的優勢互補。富氫豎爐更適宜推廣，國外已試驗了 90%的氫氣占比是可行的。我國更適合走富氫豎爐的工藝路線。
從我國鋼鐵行業實際情況出發，目前我國以長流程高爐煉鋼為主，轉化為氫能煉鋼需解決設備和工藝的問題。在產能置換背景下大規模轉換為氫能煉鋼也存不妥。而且氫能煉鋼處于研究和試驗階段，后續真正規模應用還需時間。因此近中期鋼鐵生產仍是基于長流程高爐煉鋼，氫氣氣基豎爐是未來氫冶金的主導方向。
從我國鋼鐵企業的分布區域來看，大部分產能集中在東部經濟發達區域。這些區域，電力價格較高，電解水制氫成本較高，應充分利用并發揮焦爐煤氣的作用。在輸氫基礎設施完備、可取得低廉氫氣后，可逐步發展氫氣氣基豎爐煉鐵。此外，也可轉移部分鋼鐵生產到具有廉價電力的地區。在具有較大規模廉價風電、光電的地區，當地鋼企應積極探索氫冶金氣基豎爐技術，建設氫冶金示范工程，探索出一條鋼鐵工業發展低碳甚至“零碳”經濟的最佳途徑，逐步解決鋼鐵冶金過程中產生的碳排放問題。
短期內，國內氫能冶金應仍以高爐富氫工藝為主。我國焦炭產量約5億噸，過程產生的焦爐煤氣可用于氫冶金。富氫還原高爐技術相對成熟，部分已實現工業化應用。近中期內，可以高爐富氫+碳鋪集利用方式實現碳減排。未來隨著廢鋼可用性增加、電弧爐占比的提升、電價和氫氣價格的降低，可利用現有豎爐設計和生產經驗，適度改進豎爐關鍵工藝和設備，達到最佳產能和最低能耗。遠期來看，需要在掌握富氫豎爐基本規律的基礎上，結合可再生能源廉價化趨勢，逐步過渡到全氫豎爐。
圖表10 氫冶金技術路線選擇與減碳路線圖
1）與現有高爐技術相比的減碳能力
2）對整個鋼鐵行業減碳貢獻，與2020年相比
摘自：張真.“碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究”.《價格理論與實踐》
04
合作創新，加速推進氫冶金規模化應用
氫冶金不光是鋼鐵行業的技術創新，涉及能源、化工、鋼鐵等多個行業，需要跨行業的合作創新。只有政府和鋼鐵企業攜力，才能實現氫冶金在鋼鐵行業中的減碳作用。
政府方面，應加強政策引導，推進氫基礎設施建設和氫冶金技術研發，制定氫冶金相關標準，引導氫冶金產能置換，獎勵氫冶金氣基豎爐設備升級。政府應逐步創建零碳綠色鋼鐵市場，對綠色鋼鐵給予稅費支持。同時鼓勵跨國合作，確保公平開放的競爭環境。
鋼鐵企業應未雨綢繆，科學評估氫冶金技術的減排潛力及投資回報，制定可行的氫冶金技術路線。特鋼企業可探索零碳鋼鐵產品帶來的新出口機遇。龍頭鋼企應積極布局氫能煉鋼相關技術，開展示范試點。隨著未來環保成本的不斷上升，氫冶金的環保效益將會覆蓋其較高的成本，從而使企業從中獲益；在碳中和目標的大背景下，較早布局這一領域的鋼鐵企業將有望從中得到可觀的經濟價值。
