碳鐵之戰出到幾了？
在“3060雙碳”目標下，中國鋼鐵行業的脫碳行動是僅次於電力行業頗受關注的一個行業。
2020年，中國粗鋼產量已超過10億噸，約佔到全球的一半產量。
中國鋼鐵工業二氧化碳排放量約佔全國二氧化碳排放量的15%，佔全球鋼鐵行業碳排放量的60%以上。
可見，鋼鐵行業的低碳轉型對於我國實現“雙碳”目標至關重要，推動鋼鐵行業碳達峰是“碳達峰”十大行動之一，有必要提前研判鋼鐵行業未來低碳發展路徑和技術路線圖。
2月7日，工業和資訊化部、國家發改委、生態環境部聯合釋出《關於促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》，提出鋼鐵行業“確保2030年前碳達峰”。
這一目標比之前的徵求意見稿延遲5年。
隨著《關於促進鋼鐵工業高質量發展的指導意見》的出臺，預計《鋼鐵行業碳達峰實施方案》不日也將釋出，鋼鐵產業將迎來綠色發展的關鍵時期。
降低二氧化碳排放一直是我國鋼鐵企業的重大任務，但也屬於“較難減排”的重工業部門。
早在去年3月，中鋼協透露，《鋼鐵行業碳達峰及降碳行動方案》已經完成初稿，該方案將行業碳達峰目標初步定為“2025年前，鋼鐵行業實現碳排放達峰；到2030年，鋼鐵行業碳排放量較峰值降低30%。”
這次檔案把鋼鐵行業碳達峰時間延後到2030年，在一定程度上體現了中國“雙碳”策略穩中求進的總體方向，目標方向更加務實，取消了較多量化指標，也有利於鋼鐵產業發展更加良性健康。
這也符合去年底召開的中央經濟工作會議精神。會議指出，要正確認識和把握碳達峰碳中和。實現碳達峰碳中和是推動高質量發展的內在要求，要堅定不移推進，但不可能畢其功於一役。
冶金工業規劃研究院黨委書記、總工程師、俄羅斯自然科學院外籍院士李新創曾表示，鋼鐵行業在減汙降碳上還面臨多方面的現實挑戰。未來五年，鋼鐵總量需求預計還處於高位。
“十四五”規劃提出，“十四五”時期國內生產總值年均增長保持在合理區間，城鎮化率提高到65%。李新創認為，儘管隨著我國經濟結構進一步最佳化，鋼材消費強度將不斷下降，但隨著城鎮化率的不斷提升，基礎設施建設投資仍將保持高位，以機械、汽車為代表的製造業發展，對鋼材需求構成一定支撐。
綜合來看，“十四五”時期我國經濟發展對鋼鐵總量需求仍將保持較高規模，在鋼鐵生產總體規模難以大幅下降的背景下，總量降碳空間有限。
從能源結構上看，目前我國高-轉長流程工藝結構仍佔據主導地位，煤、焦炭佔能源投入近 90%，能源結構明顯高碳化。
下圖展示了2000年以來，中國粗鋼產量及鋼鐵行業（黑色金屬冶煉及壓延加工業）碳排放的歷史趨勢。中國粗鋼年產量從2000年的1。29億噸增長到 2020 年的10。64億噸，增長了約7。3倍；中國鋼鐵行業每年CO2的排放從2000年的 4。92億噸增長到2019年的22。27億噸，增長了約3。5倍。
從圖中可見，碳排量與粗鋼產量直接掛鉤，粗鋼產量和碳排放量目前仍未處於絕對達峰的階段。
從碳排放結構來看，中國鋼鐵行業以直接排放為主，間接碳排放（所需電和熱力產生的排放）僅佔全部碳排放的17%-21%。鋼鐵生產環節大部分來自於化石燃料（以焦炭為主），可透過電氣化供能的環節有限，屬於“較難減排”的重工業部門。
其實，不只是中國，全球而言，鋼鐵行業的脫碳也是一個廣受關注的行業。
一般來說，鋼鐵行業的低碳行動按照脫碳原理可分類五類：減少產量、節能技術、廢鋼迴圈使用、新能源替代和末端脫碳技術。
減少產量
措施包括延長鋼材使用壽命、提升材料效率和嚴控產能等，控制產量過度增長，實現產量下降。
節能技術
包括能效提升、餘熱回收和智慧化管理等，透過減少鋼鐵生產過程中化石能源消耗來減少碳排放。
廢鋼迴圈利用
主要透過電爐短流程鍊鋼方式替代“高爐-轉爐”長流程鍊鋼方式，避免鍊鐵環節中大量的能耗和碳排放。
新能源替代
主要透過用低碳或零碳屬性的能源，例如氫能（主要是綠氫和藍氫）、綠電或生物質能，替代鋼鐵生產過程中的焦炭等化石能源。
末端脫碳技術主要指碳捕獲和封存（CCS）技術
，將鋼鐵生產環節中釋放的CO2進行封存或利用。
不過，上述低碳行動都有約束條件，例如產量仍需要滿足社會的需求、節能存在理論潛力限制、廢鋼供應有限、氫能鍊鋼、生物質鍊鋼、CCS 等零碳技術成本高等，因此中國鋼鐵行業需要考慮多種低碳技術組合，保障其在雙碳目標下的順利轉型。
全球來看，目前新能源替代方式中的氫能鍊鋼和使用電氣化的熔融氧化物電解技術（MOE）鍊鋼比較看好。這兩種方式也被稱為零碳鋼鐵工藝技術。
1) 2030年，綠氫鍊鋼具有成本優勢
從國內外的實踐看，基於綠氫的可持續鍊鋼生產在技術上是可行的。
高爐中的焦炭還原劑可以用氫取代，過程中也只會排放水，不會有任何有害汙染。氫也可以為電爐提供電力，有機會打造一條較為乾淨的鍊鋼產業。
氫能鍊鋼已經行之有年，綠氫已是趨勢，歐盟預計2023年綠氫產能達100萬噸、2025年1000萬噸，最終是2030年將為無限量供應，歐盟綠電、綠氫規劃領先全球。
因為綠氫的這些特性，被各國政府、企業與投資人看好，可以成為排碳大戶如鋼鐵、水泥等重工業，以及貨車、工程車、船舶，甚至飛機等大型運輸工具的最佳減碳解決方案。
從技術層面考慮，直接還原鐵（DRI）結合氫能（DRI-H2）是中國鋼鐵行業未來最有可能的零碳鍊鋼的技術方向，其起步發展階段將在 2030 年之後，在 2050 年達到 25%的滲透率。
中國電動汽車百人會氫能委員會主任張真在《碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究》中提出：氫氣使用成本是制約氫冶金髮展最重要的因素。
張真透過以氫氣直接還原鐵和長流程高爐鍊鐵進行比較，只考慮氫氣和焦炭的成本，可得出氫冶金的競爭性成本優勢。生產一噸鐵需焦炭 340千克，生產一噸鐵需氫氣89千克（以日本鋼鐵協會估算）。生產一噸鐵所需焦炭成本為680元，二氧化碳排放量 1。25 噸。不考慮碳稅情況下，氫氣成本為7。65 元 / 千克時，焦炭鍊鐵和氫鍊鐵成本才能相當。以焦爐煤氣提純後的氫氣成本15元 / 千克計算，生產一噸鐵成本就為1335元，相應碳稅為 524 元 / 噸時，兩者成本才能持平。當碳稅為 200 元 / 噸，氫氣成本需低於10。45 元 / 千克時，氫冶金才更具有成本優勢。
隨著綠氫成本下降和碳排放成本上漲，基於綠氫的氫冶金成本競爭力不斷提高。預計到2030年，綜合考慮碳稅成本後，綠氫有望具備與傳統焦炭鍊鐵方式相當的成本優勢。
2) 鋼鐵製造電氣化密碼
最近，一家來自美國波士頓的初創公司，創新了一種新的鍊鋼模式，即熔融氧化物電解技術（MOE）。這家公司還承諾，到2025年，將交付批次綠色鋼鐵，無需氫、煤甚至高爐。
熔融氧化物電解是熔融鹽電解的一種形式，該技術用於生產鋁、鎂、鋰、鈉和稀土等金屬。其還原劑為電子，原料為精礦或純氧化物，電解質為熔融氧化物，溫度高達2000℃，產品為鐵和氧氣。
熔融氧化物電解技術可以在實驗室規模上製造金屬。Antoine allanore、Jim Yurko和Donald R。 Sadoway於2012年成立了波士頓電冶金公司（現稱為波士頓金屬公司，Boston Metal）。據2013年《自然》雜誌報道，波士頓金屬公司證明了MOE技術可以透過使用合適的惰性陽極製造零碳排放的鋼鐵產品。該公司在美國能源部和國家科學基金會的資助下繼續創新，並將MOE技術拓展至鐵合金、鋼鐵和各種合金的製造。
Donald R。 Sadoway也是麻省理工學院 （MIT） 的教授，在過去十年的大部分時間裡都在採用廣泛用於鋁製造的技術來製造鋼鐵。
他認為該工藝比高爐鍊鋼更有效率。
“透過熔融氧化物電解，我們可以從鐵礦石開始，一步一步直接生產液態金屬。一旦有了液態鐵，它就會直接進入下游操作——無論是鑄造還是軋製。”
Sadoway教授說。
Boston Metal的技術結合其已獲專利的創新與鋁鋼工業的最佳實務，為鋼鐵價值鏈面臨的碳排放問題提供突破性解決方案。除了鋼鐵外，該項新技術還可用於生產其他金屬產品。
公司於2021年完成B輪超額認購融資。該輪融資除獲得所有A輪投資者（其中包括比爾蓋茲投資支援的Breakthrough Energy Ventures）的追投外，還引起了從鐵礦石生產商到鋼鐵終端使用者的廣泛關注。
對於中國鋼鐵行業來說，零排放發展路徑需要深入研判支撐碳中和目標的關鍵零碳鋼鐵技術 目前，CCS 技術、氫能鍊鋼技術、熔融氧化物電解技術、生物質鍊鋼技術仍處於試點研發階段，但 在“雙碳”背景下，這些技術均屬於未來中國鋼鐵行業深度減排的支撐技術。有必要加強這幾類關鍵性技術的跟蹤研判，考慮不同應用場景下關鍵零碳鋼鐵技術的組合應用前景。
此外，中國鋼鐵行業的低碳轉型應當充分考慮到區域異質性。不同地區的鋼鐵產業及關聯產業和資源會呈現不同的特徵。不同省市可結合自身的特點，選擇一條因地制宜的鋼鐵產業低碳轉型路線圖。
碳中和目標是針對全體行業的全域性目標，離不開各個行業之間的通力協作。其他行業轉型過程會顯著影響鋼鐵的產量需求、低碳技術資源的競爭關係和碳排放約束條件等。因此未來需結合宏觀模型考慮碳中和目標下全行業的整體佈局方案，再透過自下而上的行業內部分析細化具體路徑。
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參考資料：
［1］https：//www。abc。net。au/news/2022-02-08/startup-promises-green-steel-by-2025/100811450
［2］21世紀經濟報道：
《鋼鐵工業碳達峰目標或延緩至2030年》
［3］張真等：
《碳中和目標下氫冶金減碳經濟性研究》
［4］氫雲鏈：
《碳中和目標下，氫冶金是否具備經濟性？》
［5］中華人民共和國 2020 年國民經濟和社會發展統計公報［R］。 國家統計局， 2021。
［6］IEA。 Iron and Steel Technology Roadmap： Towards more sustainable steelmaking［R］。 IEA， 2020
［7］https：//www。bostonmetal。com/
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