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碳中和目标下的氢冶金减碳路径与应用前景(下)

作者:张真 杜宪军 来源:百人会氢能中心 发布时间:2022-01-18 浏览:

中国储能网讯:氢冶金是钢铁行业实现碳中和目标的革命性技术。氢冶金正处于技术导入期,需要从氢冶金的规模经济和产业生态角度全方面研究了碳中和目标下的钢铁行业的减碳路径与应用前景,百人会氢能中心在东北大学低碳钢铁前沿技术研究院、德国蒂森克虏伯、泰山钢铁等科研院所和企业的支持下,进行了氢冶金研究并发布报告。预计到 2030 年,基于绿氢的氢冶金将逐渐扩大在钢铁行业中的规模化应用,到 2050 年,钢铁行业的用氢需求将达到 980 万吨,氢冶金成为钢铁行业实现碳中和目标的主要路径之一。本文内容主要分为两部分,节选自研报《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》及发表于《价格实践与理论》的相应论文。上篇传送门:《碳中和目标下的氢冶金减碳路径与应用前景(上)》。

01

氢供求关系及成本是影响氢冶金应用的关键因素

氢气作为氢冶金的基本原料,其供求关系直接影响氢冶金推进的程度。综合我国钢铁行业政策规划、专家访谈及数据分析,预计到2030年氢冶金产量为0.21-0.29亿吨,约占全国钢铁总产量的2.3%-3.1%。基于氢冶金的氢气需求约为191-259万吨。氢冶金用氢需求中约92%来自焦炉煤气,剩余约8%来自电解水制氢。到2050年,氢冶金钢产量为0.96-1.12亿吨,基于氢冶金的氢气需求约为852-980万吨。其中焦炉煤气提供166万吨氢,剩余814万吨来自于绿氢。

图表8 氢冶金中氢的来源

摘自:张真.“碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究”.《价格理论与实践》

氢气成本是决定氢冶金成本具有市场竞争力的关键因素。传统的高炉炼钢方式,成本主要取决于铁矿石和焦炭价格,焦煤价格直接决定了焦炭价格。而氢冶金方式炼钢成本取决于铁矿石和氢气价格。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/吨时,氢成本小于10.45-11.15元/kg时,氢冶金成本优势显现。以2030年氢成本11.15元/kg,按每电解生成1m3 H2需要4.5kWh电,电力成本占总成本的70%推算,电力成本为0.146元/kWh。伴随着可再生能源电力成本的下降及电解槽的规模化应用,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将在可再生能源丰富的区域率先实现。钢铁企业会优选此类地区开展绿氢规模化氢冶金示范应用项目。

图表9 氢冶金的竞争性成本优势分析(仅考虑H2和CO2价格)

注:蓝色表示氢冶金具有成本优势;白色表示传统炼钢具有成本优势

摘自:张真.“碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究”.《价格理论与实践》

02

氢冶金应用带动钢铁产业绿色升级

产业绿色转型升级是实现钢铁行业碳中和的终极路径。将氢气加入钢铁企业的产业链中,能够升级传统钢铁制造、扩大氢气的使用量、有效利用废钢以及减少铁矿石的使用量,将形成产业结构和能源结构的双赢局面。未来,可再生能源电力及绿氢成本将逐渐下降,碳税价格将不断提高,与现有烧结+焦化+高炉+转炉的长流程工艺的建设投资、人工成本、备件费用相比,DRI+废钢+电炉的短流程工艺在生产成本和工程投资上更具有明显优势,短流程炼钢比例将逐年上升。以焦炭为核心的成熟的钢铁产业生态将逐渐替代为以氢能为核心的新钢铁产业生态。以氢冶金为核心的新的产业布局、技术进步、金融支撑以及基础设施配套将逐步形成。在相对大规模风电、光伏布置的地域,如中国西北、西南地区,有可能获得大规模廉价绿电和绿氢,可在当地建设钢铁企业,在这些地区,可建设相应铁路、管道、电网和其他贸易基础设施与其配套;也可建立输氢管道将氢送到外地,供其他炼钢厂。

到2050年,钢铁行业将成为工业中继化工后的第二大用氢行业。绿氢经生产、储运后,送到炼钢厂,生产直接还原铁,然后在电弧炉中使用直接还原铁生产钢。根据波士顿咨询公司,到2050年,氢冶金相应设备市场每年可能达到160亿至200亿美元,我国按照占比60%,市场规模在800亿元人民币。

03

明确氢冶金减碳路线图

氢冶金是实现碳中和的关键技术,钢铁行业转型向氢冶金不可能一蹴而就。实现未来可再生能源的廉价可用性和监管将是采用氢冶金的两个关键驱动因素。尽管我国钢铁行业实现碳中和的目标仍需30-40年,但现在就采取行动至关重要。氢冶金必须选择合适的技术路线、遵循一个明确的减碳路线图。

氢能冶金技术主要有三种:富氢还原高炉、氢气气基竖炉和熔融还原氢冶金。其中熔融还原氢冶金尚未成熟,处于实验室研究阶段,很难实现工业化。从碳减排力度来看,富氢还原高炉的碳减排潜力在10%-20%,氢气气基竖炉的碳减排潜力为50%-98%,我国钢铁行业更需发展到氢气气基竖炉。在全氢和竖炉和富氢竖炉两种路线来看,由于100%氢气代碳冶金存在客观障碍,也存在技术和经济上的挑战,暂无法实现。富氢竖炉可结合氢的强还原能力和碳冶金的强放热效应,实现煤气的优势互补。富氢竖炉更适宜推广,国外已试验了 90%的氢气占比是可行的。我国更适合走富氢竖炉的工艺路线。

从我国钢铁行业实际情况出发,目前我国以长流程高炉炼钢为主,转化为氢能炼钢需解决设备和工艺的问题。在产能置换背景下大规模转换为氢能炼钢也存不妥。而且氢能炼钢处于研究和试验阶段,后续真正规模应用还需时间。因此近中期钢铁生产仍是基于长流程高炉炼钢,氢气气基竖炉是未来氢冶金的主导方向。

从我国钢铁企业的分布区域来看,大部分产能集中在东部经济发达区域。这些区域,电力价格较高,电解水制氢成本较高,应充分利用并发挥焦炉煤气的作用。在输氢基础设施完备、可取得低廉氢气后,可逐步发展氢气气基竖炉炼铁。此外,也可转移部分钢铁生产到具有廉价电力的地区。在具有较大规模廉价风电、光电的地区,当地钢企应积极探索氢冶金气基竖炉技术,建设氢冶金示范工程,探索出一条钢铁工业发展低碳甚至“零碳”经济的最佳途径,逐步解决钢铁冶金过程中产生的碳排放问题。

短期内,国内氢能冶金应仍以高炉富氢工艺为主。我国焦炭产量约5亿吨,过程产生的焦炉煤气可用于氢冶金。富氢还原高炉技术相对成熟,部分已实现工业化应用。近中期内,可以高炉富氢+碳铺集利用方式实现碳减排。未来随着废钢可用性增加、电弧炉占比的提升、电价和氢气价格的降低,可利用现有竖炉设计和生产经验,适度改进竖炉关键工艺和设备,达到最佳产能和最低能耗。远期来看,需要在掌握富氢竖炉基本规律的基础上,结合可再生能源廉价化趋势,逐步过渡到全氢竖炉。

图表10 氢冶金技术路线选择与减碳路线图

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

摘自:张真.“碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究”.《价格理论与实践》

04

合作创新,加速推进氢冶金规模化应用

氢冶金不光是钢铁行业的技术创新,涉及能源、化工、钢铁等多个行业,需要跨行业的合作创新。只有政府和钢铁企业携力,才能实现氢冶金在钢铁行业中的减碳作用。

政府方面,应加强政策引导,推进氢基础设施建设和氢冶金技术研发,制定氢冶金相关标准,引导氢冶金产能置换,奖励氢冶金气基竖炉设备升级。政府应逐步创建零碳绿色钢铁市场,对绿色钢铁给予税费支持。同时鼓励跨国合作,确保公平开放的竞争环境。

钢铁企业应未雨绸缪,科学评估氢冶金技术的减排潜力及投资回报,制定可行的氢冶金技术路线。特钢企业可探索零碳钢铁产品带来的新出口机遇。龙头钢企应积极布局氢能炼钢相关技术,开展示范试点。随着未来环保成本的不断上升,氢冶金的环保效益将会覆盖其较高的成本,从而使企业从中获益;在碳中和目标的大背景下,较早布局这一领域的钢铁企业将有望从中得到可观的经济价值。

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关键字:氢能

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