中国钢铁工业碳达峰延迟5年，这些碳中和技术值得期待
在“3060双碳”目标下，中国钢铁行业的脱碳行动是仅次于电力行业颇受关注的一个行业。
2020年，中国粗钢产量已超过10亿吨，约占到全球的一半产量。 中国钢铁工业二氧化碳排放量约占全国二氧化碳排放量的15%，占全球钢铁行业碳排放量的60%以上。
可见，钢铁行业的低碳转型对于我国实现“双碳”目标至关重要，推动钢铁行业碳达峰是“碳达峰”十大行动之一，有必要提前研判钢铁行业未来低碳发展路径和技术路线图。
2月7日，工业和信息化部、国家发改委、生态环境部联合发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，提出钢铁行业“确保2030年前碳达峰”。
这一目标比之前的征求意见稿延迟5年。
随着《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》的出台，预计《钢铁行业碳达峰实施方案》不日也将发布，钢铁产业将迎来绿色发展的关键时期。
降低二氧化碳排放一直是我国钢铁企业的重大任务，但也属于“较难减排”的重工业部门。
早在去年3月，中钢协透露，《钢铁行业碳达峰及降碳行动方案》已经完成初稿，该方案将行业碳达峰目标初步定为“2025年前，钢铁行业实现碳排放达峰；到2030年，钢铁行业碳排放量较峰值降低30%。”
这次文件把钢铁行业碳达峰时间延后到2030年，在一定程度上体现了中国“双碳”策略稳中求进的总体方向，目标方向更加务实，取消了较多量化指标，也有利于钢铁产业发展更加良性健康。
这也符合去年底召开的中央经济工作会议精神。会议指出，要正确认识和把握碳达峰碳中和。实现碳达峰碳中和是推动高质量发展的内在要求，要坚定不移推进，但不可能毕其功于一役。
冶金工业规划研究院党委书记、总工程师、俄罗斯自然科学院外籍院士李新创曾表示，钢铁行业在减污降碳上还面临多方面的现实挑战。未来五年，钢铁总量需求预计还处于高位。
“十四五”规划提出，“十四五”时期国内生产总值年均增长保持在合理区间，城镇化率提高到65%。李新创认为，尽管随着我国经济结构进一步优化，钢材消费强度将不断下降，但随着城镇化率的不断提升，基础设施建设投资仍将保持高位，以机械、汽车为代表的制造业发展，对钢材需求构成一定支撑。 综合来看，“十四五”时期我国经济发展对钢铁总量需求仍将保持较高规模，在钢铁生产总体规模难以大幅下降的背景下，总量降碳空间有限。
从能源结构上看，目前我国高-转长流程工艺结构仍占据主导地位，煤、焦炭占能源投入近 90%，能源结构明显高碳化。
下图展示了2000年以来，中国粗钢产量及钢铁行业（黑色金属冶炼及压延加工业）碳排放的历史趋势。中国粗钢年产量从2000年的1.29亿吨增长到 2020 年的10.64亿吨，增长了约7.3倍；中国钢铁行业每年CO2的排放从2000年的 4.92亿吨增长到2019年的22.27亿吨，增长了约3.5倍。
从图中可见，碳排量与粗钢产量直接挂钩，粗钢产量和碳排放量目前仍未处于绝对达峰的阶段。
从碳排放结构来看，中国钢铁行业以直接排放为主，间接碳排放（所需电和热力产生的排放）仅占全部碳排放的17%-21%。钢铁生产环节大部分来自于化石燃料（以焦炭为主），可通过电气化供能的环节有限，属于“较难减排”的重工业部门。
其实，不只是中国，全球而言，钢铁行业的脱碳也是一个广受关注的行业。
一般来说，钢铁行业的低碳行动按照脱碳原理可分类五类：减少产量、节能技术、废钢循环使用、新能源替代和末端脱碳技术。
减少产量措施包括延长钢材使用寿命、提升材料效率和严控产能等，控制产量过度增长，实现产量下降。
节能技术包括能效提升、余热回收和智能化管理等，通过减少钢铁生产过程中化石能源消耗来减少碳排放。
废钢循环利用主要通过电炉短流程炼钢方式替代“高炉-转炉”长流程炼钢方式，避免炼铁环节中大量的能耗和碳排放。
新能源替代主要通过用低碳或零碳属性的能源，例如氢能（主要是绿氢和蓝氢）、绿电或生物质能，替代钢铁生产过程中的焦炭等化石能源。
末端脱碳技术主要指碳捕获和封存（CCS）技术，将钢铁生产环节中释放的CO2进行封存或利用。
不过，上述低碳行动都有约束条件，例如产量仍需要满足社会的需求、节能存在理论潜力限制、废钢供应有限、氢能炼钢、生物质炼钢、CCS 等零碳技术成本高等，因此中国钢铁行业需要考虑多种低碳技术组合，保障其在双碳目标下的顺利转型。
全球来看，目前新能源替代方式中的氢能炼钢和使用电气化的熔融氧化物电解技术（MOE）炼钢比较看好。这两种方式也被称为零碳钢铁工艺技术。
1) 2030年，绿氢炼钢具有成本优势
从国内外的实践看，基于绿氢的可持续炼钢生产在技术上是可行的。
高炉中的焦炭还原剂可以用氢取代，过程中也只会排放水，不会有任何有害污染。氢也可以为电炉提供电力，有机会打造一条较为干净的炼钢产业。
氢能炼钢已经行之有年，绿氢已是趋势，欧盟预计2023年绿氢产能达100万吨、2025年1000万吨，最终是2030年将为无限量供应，欧盟绿电、绿氢规划领先全球。
因为绿氢的这些特性，被各国政府、企业与投资人看好，可以成为排碳大户如钢铁、水泥等重工业，以及货车、工程车、船舶，甚至飞机等大型运输工具的最佳减碳解决方案。
从技术层面考虑，直接还原铁（DRI）结合氢能（DRI-H2）是中国钢铁行业未来最有可能的零碳炼钢的技术方向，其起步发展阶段将在 2030 年之后，在 2050 年达到 25%的渗透率。
中国电动汽车百人会氢能委员会主任张真在《碳中和目标下氢冶金减碳经济性研究》中提出：氢气使用成本是制约氢冶金发展最重要的因素。
张真通过以氢气直接还原铁和长流程高炉炼铁进行比较，只考虑氢气和焦炭的成本，可得出氢冶金的竞争性成本优势。生产一吨铁需焦炭 340千克，生产一吨铁需氢气89千克（以日本钢铁协会估算）。生产一吨铁所需焦炭成本为680元，二氧化碳排放量 1.25 吨。不考虑碳税情况下，氢气成本为7.65 元 / 千克时，焦炭炼铁和氢炼铁成本才能相当。以焦炉煤气提纯后的氢气成本15元 / 千克计算，生产一吨铁成本就为1335元，相应碳税为 524 元 / 吨时，两者成本才能持平。当碳税为 200 元 / 吨，氢气成本需低于10.45 元 / 千克时，氢冶金才更具有成本优势。
随着绿氢成本下降和碳排放成本上涨，基于绿氢的氢冶金成本竞争力不断提高。预计到2030年，综合考虑碳税成本后，绿氢有望具备与传统焦炭炼铁方式相当的成本优势。
2) 钢铁制造电气化密码
最近，一家来自美国波士顿的初创公司，创新了一种新的炼钢模式，即熔融氧化物电解技术（MOE）。这家公司还承诺，到2025年，将交付批量绿色钢铁，无需氢、煤甚至高炉。
熔融氧化物电解是熔融盐电解的一种形式，该技术用于生产铝、镁、锂、钠和稀土等金属。其还原剂为电子，原料为精矿或纯氧化物，电解质为熔融氧化物，温度高达2000℃，产品为铁和氧气。
熔融氧化物电解技术可以在实验室规模上制造金属。Antoine allanore、Jim Yurko和Donald R. Sadoway于2012年成立了波士顿电冶金公司（现称为波士顿金属公司，Boston Metal）。据2013年《自然》杂志报道，波士顿金属公司证明了MOE技术可以通过使用合适的惰性阳极制造零碳排放的钢铁产品。该公司在美国能源部和国家科学基金会的资助下继续创新，并将MOE技术拓展至铁合金、钢铁和各种合金的制造。
Donald R. Sadoway也是麻省理工学院 (MIT) 的教授，在过去十年的大部分时间里都在采用广泛用于铝制造的技术来制造钢铁。
他认为该工艺比高炉炼钢更有效率。 “通过熔融氧化物电解，我们可以从铁矿石开始，一步一步直接生产液态金属。一旦有了液态铁，它就会直接进入下游操作——无论是铸造还是轧制。”Sadoway教授说。
Boston Metal的技术结合其已获专利的创新与铝钢工业的最佳实务，为钢铁价值链面临的碳排放问题提供突破性解决方案。除了钢铁外，该项新技术还可用于生产其他金属产品。
公司于2021年完成B轮超额认购融资。该轮融资除获得所有A轮投资者（其中包括比尔•盖兹投资支持的Breakthrough Energy Ventures）的追投外，还引起了从铁矿石生产商到钢铁最终用户的广泛关注。
对于中国钢铁行业来说，零排放发展路径需要深入研判支撑碳中和目标的关键零碳钢铁技术 目前，CCS 技术、氢能炼钢技术、熔融氧化物电解技术、生物质炼钢技术仍处于试点研发阶段，但 在“双碳”背景下，这些技术均属于未来中国钢铁行业深度减排的支撑技术。有必要加强这几类关键性技术的跟踪研判，考虑不同应用场景下关键零碳钢铁技术的组合应用前景。
此外，中国钢铁行业的低碳转型应当充分考虑到区域异质性。不同地区的钢铁产业及关联产业和资源会呈现不同的特征。不同省市可结合自身的特点，选择一条因地制宜的钢铁产业低碳转型路线图。
碳中和目标是针对全体行业的全局目标，离不开各个行业之间的通力协作。其他行业转型过程会显著影响钢铁的产量需求、低碳技术资源的竞争关系和碳排放约束条件等。因此未来需结合宏观模型考虑碳中和目标下全行业的整体布局方案，再通过自下而上的行业内部分析细化具体路径。
