近期閉幕的《聯合國氣候變化框架公約》第三十次締約方會議（COP30），讓全球綠色低碳轉型的共識與緊迫性進一步凸顯。全球鋼鐵行業碳排放占比達6%~8%，其中高爐煉鐵工序是主要排放源。不少觀點認為，要想實現鋼鐵行業的深度減碳，關鍵便在于用低碳還原劑替代傳統化石燃料。在這一背景下，盡管在儲運與能量密度上仍面臨挑戰，但氫正得到越來越多的重視。
然而，全球鋼鐵業能否真正發揮氫能的潛力，在低碳轉型進程中實現“氫”盡所能？米德雷克斯（Midrex）近期發布了一份報告，系統梳理了氫在鋼鐵行業轉型中的角色，從氫的類型與制取成本，到其在煉鐵工藝中替代碳基還原劑的可行路徑，再到大規模應用所面臨的技術與產業鏈挑戰，吸引了不少關注。該報告指出，氫基直接還原煉鐵已成為最具前景的發展方向，而其產業化速度最終取決于綠氫能否以足夠規模、具有競爭力的成本穩定供應，并成功跨越技術集成、設施配套與市場協同等多重障礙。
成本壁壘有待突破
按照生產方式的不同，氫有著自己的“彩虹色譜”，包括綠氫、藍氫、灰氫、黑\棕氫、粉氫、綠松石氫、黃氫、白氫。綠氫是實現低碳排放煉鋼最理想的氫氣。米德雷克斯介紹，雖然目前有不少可選擇的綠氫生產方式，但是工業和發電領域對綠氫的巨大需求，仍將帶來較大的技術和商業挑戰，并需要政府或私營部門的大規模資金支持。當前，粉氫在市場中屬于“小眾產品”，但長期看具有發展潛力。白氫，也可以叫天然氫，正受到日益增長的關注和重視。米德雷克斯在報告中介紹，在2023年全球已有40家公司勘探天然氫礦床，而2020年時僅有10家。天然氫相較于可再生能源或化石燃料制氫具有顯著成本優勢。目前，灰氫平均成本低于2美元/千克，綠氫成本約為其3倍，而白氫的提取和提純成本可控制在約1美元/千克。
米德雷克斯在報告中測算，全球“低碳排放氫”產能預計從2021年的70萬噸/年大幅增長至2030年的約2400萬噸/年。這一增長依賴于電解槽技術的快速進步與廉價可再生電力的充足供應。以澳大利亞為例，其目標是在2030年實現50吉瓦的電解槽裝機容量，相當于該國全國居民用電總量。當前，歐洲、大洋洲及拉丁美洲等地區正在建設更大規模的電解槽項目，預計到2030年單個項目規模可超過1吉瓦。然而，實現這些目標需要巨額資金支持，并面臨可再生能源間歇性供應、電網擴容等挑戰。
報告指出，綠氫成本是決定其競爭力的關鍵，目前估算范圍4美元/千克~9美元/千克，遠高于傳統蒸汽重整制氫約1美元/千克的成本。在成本構成中，電力費用占比最高。根據米德雷克斯的測算，生產每千克氫需50千瓦時~55千瓦時的電力，按0.06美元/千瓦時計算，僅電費就達約3美元/千克。綠電成本通常在0.08美元/千瓦時~0.12美元/千瓦時，且在電網薄弱地區更高。同時，電解槽設備本身成本高昂，目前為1400美元/千瓦~1800美元/千瓦，但預計到2030年有望下降70%至約400美元/千瓦。未來成本下降依賴于電解效率提升，可再生能源電價持續降低和關鍵金屬如鉑、稀土供應鏈的穩定。
藍氫則與碳捕集、利用與存儲（CCUS）技術緊密綁定。米德雷克斯在報告中預計，到2030年，歐洲及北美地區通過該路徑的氫產量可達每年300萬噸。其商業化前景取決于CCUS技術成本能否大幅下降。目前，這一技術成本在15美元/噸二氧化碳~120美元/噸二氧化碳，且每捕集1噸二氧化碳需消耗約1噸蒸汽，并面臨地質封存條件、管道基礎設施等限制。
報告指出，目前氫能的大規模應用還面臨儲存與調峰的難題。無論是電力還是氫氣本身的儲存，目前成本均很高且缺乏工業級解決方案。盡管挑戰重重，但在鋼鐵等高排放行業，結合綠氫與CCUS的技術路線，仍被視為歐盟、北美等發達地區實現2050年深度降碳目標的最可行路徑。而“氫能經濟”的成形將最終取決于技術突破、成本下降與系統性基礎設施投資的同步推進。
根據國際能源署公布的數據，綠氫在2030年后才可能達到工業規模。目前全球專用氫能生產中僅有不到0.1%來自水電解制氫。在此過渡期，藍氫成為了眾多企業積極探索的替代方案。然而，主要挑戰仍在于實現規模化制氫以滿足預計需求，這不僅是鋼鐵行業要面對的，也包括其他行業領域。根據國際能源署的可持續發展情景預測，到2050年全球氫能需求將增至2.87億噸/年，較2020年增長超過400%；2030年之后，氫能需求將大幅增長。然而，當綠氫可供使用時，哪些行業能優先獲得供應？這一點至今仍未明確。米德雷克斯認為，這可能最終簡化為價格與可負擔性的考量標準。目前的趨勢正轉向優先保障工業領域使用，而非交通運輸等其他更能承受氫能成本的行業。盡管如此，全球氫能生產正迅速發展，眾多項目正在推進以生產各類氫。米德雷克斯在報告中預計，2030年后綠氫產量將急劇增長，到2050年將成為主導。與此同時，藍氫產量也將增長，而灰氫和棕氫將在2030年后逐步減少。
沿3條技術路徑 推進在鋼鐵業的應用
報告指出，當前全球鋼鐵生產的傳統路徑中，約72%采用焦化—高爐—轉爐（CO-BF-BOF）工藝，約29%采用廢鋼—直接還原鐵—電弧爐（Scrap-DRI-EAF）工藝。高爐工藝的二氧化碳排放量最高可達電弧爐工藝的4倍。
氫氣在鋼鐵冶金中的直接應用主要用于加熱和還原鐵氧化物。一是高爐噴吹氫氣。氫可部分替代焦炭或煤粉噴吹及替代天然氣等其他還原劑，但作用有限。由于氫還原是吸熱反應，會吸收熱量并導致高爐風口區域產生冷卻效應，需要通過向高爐內的還原和熔煉過程補充額外熱量作補償。這能減少碳排放，但無法徹底消除。二是氫等離子體熔融還原。這是一種利用氫等離子體還原鐵礦石的工藝，目前仍處于試驗階段，但具有一定潛力。三是氫基直接還原鐵。氫氣可以替代天然氣或煤作為還原劑，去除鐵礦石中的氧，過程也更為環保。
米德雷克斯介紹，目前，歐洲多家企業已規劃在2030年前建設氫基直接還原鐵產能，并探索配套碳捕集與封存技術，以處理過渡階段的排放。對于在直接還原豎爐中氫氣與一氧化碳的混合使用，歐洲等地區鋼鐵行業已就逐步提高氫氣比例直至實現100%純氫還原進行了大量規劃。其在具備地質封存二氧化碳實際條件的地區，也可在現有直接還原工廠和高爐工藝中增加碳捕集與封存技術，以減少碳足跡。例如，墨西哥和阿布扎比已部分應用捕集的二氧化碳。歐洲主要鋼鐵制造商計劃在2030年或之后不久增加其鋼廠的直接還原鐵產能。值得注意的是，熱壓鐵塊也可視為一種能源運輸形式。在美國、部分中東國家、澳大利亞等生產的熱壓鐵塊，運輸到能源成本高昂或可再生能源潛力有限的國家，相比以液態、氣態或氨形式運輸氫氣，是一種更簡單且成本更低的解決方案。
氫基直接還原技術正從示范走向產業化。根據報告，就目前而言，成熟的MIDREX？與ENERGIRON？工藝已具備100%氫基還原的技術能力。與此同時，多項新興技術也正圍繞氫能展開，例如普銳特冶金技術的Hyfor？流化床工藝、其與浦項制鐵聯合開發的HyREX工藝（結合熔煉環節），以及美卓重新推出的Circored？流化床工藝。在歐洲，如瑞典鋼鐵公司（SSAB）、蒂森克虜伯、奧鋼聯等鋼企，正積極推進從高爐向直接還原鐵生產的轉型，他們計劃將所產直接還原鐵用于電弧爐補充廢鋼，或經電熔后作為轉爐原料使用。類似布局也出現在亞太地區，例如澳大利亞計劃替換肯布拉港高爐。歐洲旗艦項目“H2FUTURE”已在奧地利林茨鋼廠投運一套6兆瓦質子交換膜電解系統，用于綠氫生產。瑞典的“HYBRIT”項目在完成呂勒奧中試后，正推進耶利瓦雷示范工廠建設，將采用綠電制氫與“綠球團礦”生產純綠色直接還原鐵。更進一步的商業化項目標桿是瑞典Stegra公司（原H2GS公司）位于布登的工廠，計劃于2026年投產，將成為全球首個完全依托可再生能源和100%氫基直接還原工藝的規模化“綠色鋼鐵廠”，規劃年產能達250萬噸低碳排放鋼。
與此同時，多數新建直接還原產能將先以天然氣為基礎，并設計為可靈活調節還原氣中的氫比例、兼容碳捕集技術，以待綠氫具備經濟性時平滑過渡。“需要了解的是，若采用天然氣重整制氫再進行還原，其碳排放反而高于直接使用天然氣。”米德雷克斯在報告中強調。
從示范走向主流 仍面臨多重挑戰
盡管規劃的應用前景廣闊，但氫在鋼鐵行業真正實現規模化應用，仍面臨多重挑戰與不確定性。
米德雷克斯介紹，就目前而言，規劃的綠氫項目規模遠不足以滿足未來需求，特別是歐洲鋼鐵行業的減排目標。與此同時，大規模、低成本的綠氫生產依賴于綠電設施的快速擴張，和電解槽技術成本的持續降低。盡管預計到2030年制氫成本將顯著下降，但其實際進度將直接影響2050年目標的實現可能性。因此，氫能否成為經濟可行的替代方案，仍存在不確定性。
與此同時，氫能技術的工業應用效果需要實際項目驗證，特別是大型高爐富氫冶煉、氫基直接還原鐵等關鍵工藝。當綠氫供應有限時，鋼鐵行業能否獲得足夠份額尚不明確，這也會影響企業技術路線規劃與投資決策。
政策和輿論環境變化也是需要考量的因素。雖然全球普遍支持2050年的碳中和目標，但各國進展不一，部分發達國家已出現政策執行放緩跡象。同時，發展中國家受限于經濟條件，其目標設定與實施能力存在差異，這些因素都可能影響全球氫能應用的節奏。
再看技術層面，在具體工藝中，氫基直接還原還需克服兩大操作難題。一是氫還原為吸熱反應而產生的爐內冷卻效應，需通過優化溫度與氣流控制進行補償。二是反應生成的水蒸氣在設備上部可能凝結，需通過改進設計與操作制度予以避免。
最后，米德雷克斯表示，氫在鋼鐵行業低碳轉型進程中能否物盡其用，不僅取決于配套技術成熟度，還受到供應體系、成本競爭力、產業政策及全球協作等多重因素的綜合影響。
轉自：中國鋼鐵新聞網
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