鋼鐵是當今社會的核心支柱之一，作為最重要的工程和建筑材料之一，它存在于我們生活的方方面面。然而，該行業現在需要應對從環境和經濟角度減少碳足跡的壓力。目前，鋼鐵行業是三大二氧化碳生產商之一，排放的地點有限；因此，鋼鐵廠是脫碳的理想選擇。雖然該行業必須適應這些新情況，但它也可以利用它們作為維護其長期繼續運營許可的機會。

2015年，190個國家通過了《巴黎協定》，全球應對氣候變化的威脅又向前邁進了一步。2019 年，聯合國宣布包括英國和歐盟（波蘭除外）在內的 60 多個國家承諾到 2050 年實現碳中和，盡管中國、印度和美國這三個主要排放國不在那個數字之中。 此外，一些國家已承諾努力爭取更早的日期。這些協議共同導致在所有工業部門尋求脫碳的壓力越來越大。

2018年每生產一噸鋼平均排放1.85噸二氧化碳，約占全球二氧化碳排放量的8%。 因此，全球尤其是歐洲的鋼鐵企業越來越多地面臨脫碳挑戰。這一挑戰是由超越《巴黎協定》的三個關鍵發展推動的：

1. 不斷變化的客戶要求和對碳友好型鋼材產品的需求不斷增長。在包括汽車行業在內的各個行業都已經觀察到這一趨勢，大眾汽車或豐田等制造商的雄心勃勃的目標是從其整個價值鏈（包括其供應商）中完全消除碳排放，并采用完整的生命周期視角。

2. 進一步收緊碳排放法規。這體現在二氧化碳減排目標以及歐洲綠色協議中概述的二氧化碳排放價格上漲上。

3. 投資者和公眾對可持續發展的興趣日益濃厚。例如，氣候變化機構投資者集團是一個擁有 250 多名投資者和管理超過 30 萬億美元資產的全球網絡，它提高了鋼鐵行業在氣候變化面前保護其未來的期望。與此同時，全球投資公司貝萊德已確認其對環境負責的業務發展和可持續投資的承諾。

最近的研究估計，全球鋼鐵行業可能會發現，如果鋼鐵公司無法減少對環境的影響，大約 14% 的潛在價值將面臨風險。 因此，脫碳應該是保持經濟競爭力和保留行業運營許可的重中之重。此外，10 到 15 年的長投資周期、數十億美元的融資需求和有限的供應商能力使這個問題變得更加相關，并鎖定了解決脫碳挑戰的重要準備時間。

如果無法減少對環境的影響，鋼鐵公司 14% 的潛在價值將面臨風險

作為回應，可以在即將建成的（綠地）場地或現有（棕地）設施中實施脫碳措施，例如建立或改用氫基 (H 2 ) 鋼鐵生產。 后一種機會需要對現有設備進行改造或可能完全重建設施，以實施脫碳生產過程。脫碳的最佳步驟因地點和地點而異，具體取決于技術可行性、現有基礎設施、市場需求、運營成本（即可再生電力的價格、廢料價格）和監管環境等因素。

鋼鐵生產脫碳技術概況

展望未來，鋼鐵生產商需要評估、評估和決定一種技術上和經濟上可行的方法來減少他們的碳足跡。

鋼鐵可以通過兩種主要工藝生產：使用集成高爐 (BF)/堿性氧氣轉爐 (BOF) 或電弧爐 (EAF)。雖然綜合企業用鐵礦石生產鋼鐵并需要煤作為還原劑，但電弧爐生產商使用廢鋼或直接還原鐵 (DRI) 作為主要原材料。由于歐洲主要的生產方法是傳統的、依賴煤炭的 BF/BOF 工藝，因此非常需要評估替代突破性技術以減少二氧化碳排放。事實上，幾乎所有歐洲鋼鐵生產商目前都在制定脫碳戰略并運行試點工廠以評估不同的生產技術（圖表 1）。這些包括：

BF/BOF 效率計劃。這些計劃以不同的方式提高效率和/或減少生產損失，例如：1) 通過最大限度地提高原材料中的鐵含量來優化高爐爐料組合，以減少煤作為還原劑的使用，2) 增加燃料噴射的使用例如，通過噴煤 (PCI)、天然氣、塑料、生物質或氫氣（作為頂部的附加試劑），或 3) 在 BF 中使用焦爐煤氣作為能源，僅舉幾例選項。這些過程可能有可能在不消除二氧化碳的情況下減少二氧化碳排放，但不能提供完全碳中和的鋼鐵生產。

生物質還原劑。這個過程使用生物質，例如加熱和干燥的糖、能源甘蔗或熱解的桉樹，作為替代還原劑或燃料。因此，它具有區域依賴性，主要在生物質供應有保證的地區很重要，例如南美或俄羅斯。在歐洲，生物質的可用性可能不足以大規模減少碳排放。

碳捕獲和使用。 這利用排放物為化學工業創造新產品，例如氨或生物乙醇。目前，碳捕獲和使用在技術上還不成熟，而且還有待在經濟上得到證明。

增加廢鋼電爐的份額。該過程通過在 EAF 中熔化更多廢料來最大化二次流動和回收。EAF 生產商對環境更友好，對需求的起伏更靈活。然而，轉向以電爐為基礎的鋼鐵生產需要未來可再生電力的商業供應，以及優質廢鋼的充足供應。優質廢料是生產優質產品所必需的，目前主要通過綜合路線生產。如果無法獲得優質廢鋼，則可以將低質量廢鋼與 DRI 混合以確保高質量的 EAF 輸入。 提高 EAF 鋼鐵生產的份額將在鋼鐵行業脫碳中發揮關鍵作用。然而，這一作用將取決于高質量廢料的區域可用性，因此在高質量廢料供應不足的地區可能會受到限制，因此必須采用其他技術。對高質量廢鋼的需求增加也將導致基于 EAF 的鋼鐵生產產生額外成本。

優化 DRI 和 EAF。這需要增加 DRI 與 EAF 的結合使用。基于 DRI 的還原比集成方法排放更少的二氧化碳，并且能夠在 EAF 中生產高質量的產品。高質量的產品需要最高質量的廢鋼；如果廢料有限，則必須使用 DRI 以保證特定質量。DRI 生產需要廉價且容易獲得的天然氣。因此，天然氣價格較低的地區（中東或北美）是 DRI 的大生產國，而該過程在歐洲則不太常見。選定的歐洲鋼鐵企業進口熱壓塊鐵（HBI，一種反應性較低且因此可運輸的 DRI 形式），以在 BF 中使用以優化爐料組合或在 EAF 中將其與廢料混合以提高質量。

使用氫的 DRI 和 EAF。 這將綠色氫基 DRI 和廢料與 EAF 結合使用。該工藝用可再生能源生產的氫氣替代 DRI 生產階段的化石燃料。它代表了一種經過技術驗證的生產方法，可以實現幾乎無排放的鋼鐵生產。所有主要的歐洲鋼鐵企業目前都在構建或已經在測試氫基鋼鐵生產工藝，要么使用氫氣作為 PCI 替代品，要么使用氫氣直接還原。在這一點上，需要注意的是，基于 EAF 的鋼鐵生產不需要完全綠色的氫基 DRI 供應即可滿足當前客戶的要求并實現碳中和。

由于 BF/BOF 效率計劃只能減少二氧化碳排放，而不能完全消除它們，因此它們不是長期解決方案。生物質還原劑和碳捕獲和利用要么僅在某些地區可行，要么仍處于發展的早期階段。生產優質鋼的 EAF 的份額將增加，但需要廢鋼和 DRI 的可用性。因此，采用氫結合廢鋼、DRI 和 EAF 的方法目前被認為是實現碳中和鋼鐵生產的最可行選擇和長期解決方案，尤其是在歐洲。

綠色氫基鋼鐵生產作為靈丹妙藥？

盡管氫是地球上最豐富的元素之一，但其純凈形式卻很稀有。從其化合物中提取氫需要大量能量。盡管這些能源可能多種多樣，但最流行的制氫方法是二氧化碳密集型。世界上大部分的氫氣生產都是通過蒸汽甲烷重整 (SMR) 生產的“灰色氫氣”，它同時形成氫氣和二氧化碳。相比之下，“藍氫”一詞專指涉及碳捕獲和使用或儲存排放的二氧化碳的氫氣生產。此外，電力密集型電解水是另一種制氫工藝，也是唯一的碳中和技術（前提是可以使用可再生能源）；這被稱為“綠色氫”。

在鋼鐵生產中通常有兩種使用（綠色）氫的方法。首先，它可以用作 PCI 的替代注入材料，以提高傳統高爐的性能。盡管 PCI 的使用很普遍，但最近建立了第一批使用氫氣注入的試點工廠，以評估脫碳潛力。然而，雖然將（綠色）氫注入高爐可以減少高達 20% 的碳排放，但這并不能提供碳中和的鋼鐵生產，因為普通煉焦煤仍然是高爐中必不可少的還原劑。

其次，氫氣可用作替代還原劑來生產 DRI，DRI 可使用 EAF 進一步加工成鋼。這種 DRI/EAF 路線是一種經過驗證的生產工藝，目前使用天然氣作為還原劑，例如中東的參與者可以使用廉價的天然氣供應。然而，直接還原過程也可以用氫氣進行。基于使用綠色氫以及來自風能、太陽能或水的可再生電力，DRI/EAF 設置可實現近乎碳中性的鋼鐵生產。

更詳細地說，大規模、綠色的氫基 DRI/EAF 鋼生產工藝涉及以下核心工藝步驟：

1. 綠色制氫。綠色氫氣是通過電解水在需要大量電力的過程中產生的。從可再生能源中獲得足夠的電力將是歐洲綠色制氫的主要挑戰。

2. DRI生產。在 DRI 工廠中，DR 球團形式的鐵礦石 用氫氣還原以形成 DRI。9 使用氫氣作為還原劑只會釋放水（即不會產生碳排放）。

3. 使用 EAF 的粗鋼生產。在 EAF 中，DRI 與廢鋼一起被加熱和液化以生產粗鋼。在此過程中使用電力（假設它來自可再生能源）不會導致任何碳排放。

純氫基生產工藝的關鍵成本驅動因素，即最大程度地使用綠色氫基 DRI，與電弧爐工藝類似，包括原材料和電力以及加工和勞動力成本。最大的成本差異和不確定性是制氫（主要由電解水的電力成本決定）和使用可再生能源運行電爐和連鑄機。

今天的綠色氫氣價格很高，但隨著時間的推移，這些價格預計會迅速下降（圖表 2）。

從歷史上看，用于灰色制氫的氣體比用于綠色制氫的可再生電力便宜，因此過去很少使用電解。今天，灰色氫的價格不到綠色氫的一半；然而，預計到 2030 年價格將出現逆轉。綠色氫的價格下降是由以下因素推動的：a) 太陽能和風能價格下降導致可再生電力成本下降，以及 b) 電解槽成本下降。電解槽成本的下降是基于生產規模擴大、學習率、系統規模從 2 兆瓦時增加到 90 兆瓦時以及效率提高。因此，預計綠色氫將變得更加便宜。由于對二氧化碳排放的懲罰力度加大，灰氫價格將受到影響。

為了評估純綠色氫基鋼鐵生產與傳統高爐生產相比的整體經濟競爭力，還需要考慮二氧化碳的成本。

在歐洲，歐盟排放交易體系 (EU ETS) 奉行限額與交易策略。EU ETS 內的公司可以排放的溫室氣體總量受特定于行業的排放配額數量“上限”的限制。隨著時間的推移，上限會降低，總排放配額也會下降。在上限內，公司可以獲得或購買配額。每年，公司都必須放棄所有配額以彌補排放量，否則將受到重罰。預計到 2050 年，二氧化碳價格將大幅上漲，并將高度依賴于每個歐盟國家的政治法規。2019 年底，歐洲二氧化碳的平均價格為每噸 25 歐元。德國已經宣布 2026 年后價格將在每噸 55 至 65 歐元之間 到 2050 年，每噸 100 至 150 歐元的二氧化碳價格在歐洲可能成為現實。

此外，只有在排除資本支出影響（折舊）的情況下，氫基鋼的成本競爭力評估才可行，因為傳統的鋼鐵生產資產大部分已注銷。然而，純氫基鋼鐵生產（DRI 加 EAF）的資本支出要求與所需的氫氣運輸和儲存相結合將非常重要。二氧化碳價格飆升和氫氣價格下降對于確保純氫基鋼鐵生產的經濟可行性（根據現金成本）至關重要。為此，可再生能源電力價格需要降至約 0.027 歐元/千瓦時的門檻以下，以確保綠色氫的生產具有成本效益（圖表 3）。

預計 2030 年二氧化碳價格約為每噸 55 歐元，氫氣價格約為每噸 1,780 歐元（隱含電價為每千瓦時 0.027 歐元），傳統鋼鐵生產仍具有現金成本優勢。然而，一旦氫氣價格下降（受電力成本驅動）或二氧化碳價格上漲，這種情況就會發生變化。按照這一邏輯，純氫基鋼鐵生產預計在 2030 年至 2040 年間在歐洲具有現金成本競爭力。 因此，撇開環境問題和任何潛在的公眾擔憂以及投資者因未達到二氧化碳排放目標而產生的后果不談，該行業很可能會在歐洲看到首次用 DRI 和 EAF 設施大規模更換綜合生產設施。

氫基煉鋼將是一項關鍵的生產技術。

在這種情況下，重要的是要注意，實現碳中和鋼鐵工業的目標不需要完全過渡到純氫基鋼鐵生產。相反，氫基煉鋼將代表一項關鍵生產技術，以取代目前的綜合轉爐路線（可能側重于使用綜合轉爐路線生產的高質量產品的份額）以及其他生產技術，例如擴展使用基于廢料的電弧爐。這種組合將降低運營成本（如上文針對純氫基鋼鐵生產所強調的那樣），減少投資需求，并將實現碳中性鋼鐵生產。

歐洲鋼鐵企業的潛在前進道路

 如今，使用 EAF 進行氫基鋼鐵生產在技術上是可行的，并且已經被認為是鋼鐵行業大規模脫碳的潛在長期解決方案的一部分。問題不在于這種轉變是否會發生，而是何時以及在多大程度上發生。然而，有多種相互依存的因素將決定鋼鐵行業何時出現脫碳臨界點。我們確定了影響未來發展和采用綠色氫基鋼的時間的六個外部因素：

1. 電源。綠色氫基鋼鐵需要大幅增加可再生能源發電的容量。換句話說，生產200萬噸氫基鋼所需的總能量約為8.8太瓦時，相當于300至1100臺風力渦輪機的輸出（取決于當前和未來渦輪機的輸出能力） . 因此，可用性、穩定的供應和有競爭力的可再生能源成本是技術轉變的關鍵決定性因素。

2. 供氫安全。未來向氫基鋼鐵的轉變在很大程度上取決于工業規模上綠色氫的廣泛可用性。生產200萬噸氫基鋼需要14.4萬噸綠色氫氣。生產這一數量的綠色氫需要 900 兆瓦時的產能，即世界上最大的 9 座計劃中的 100 兆瓦時電解廠（例如漢堡的電解廠）。因此，為氫基鋼的大規模生產提供所需的生產能力和基礎設施對氫基鋼的商業可用性的時間表具有重大影響。此外，主要由可再生電力驅動的綠色氫氣價格必須同時下降才能使經濟發揮作用，將氫氣供應安全與可再生能源供應的重要性聯系起來。最后，其他行業和應用將爭奪綠色氫，因為它可能成為一種稀缺資源。然而，要在歐洲生產鋼鐵，重要的是要澄清氫氣需要被利用以在競技場中保持一席之地。

3. 原材料。要將生產從 BF/BOF 轉換為使用氫氣的 DRI/EAF，原材料的變化是必要的，尤其會增加對 DR 球團礦的需求。在大規模轉向氫基鋼鐵生產的情況下，DR 供應的安全性是不確定的，可能導致價格溢價上升，對新生產方法的經濟性產生負面影響。此外，為確保整個價值鏈的碳中和，與鐵礦石行業等鋼鐵供應商的緊密合作至關重要。

4. 生產技術。以天然氣為動力的 DRI/EAF 的基本生產方法已經建立，并在受益于大量廉價天然氣供應的某些市場中大規模運作。展望未來，將工藝切換為完全氫動力工藝在技術上是可行的，盡管總體成本仍然很高，而且該技術尚未得到大規模驗證。然而，從好的方面來看，將以天然氣為動力的 DRI/EAF 生產方法轉換為氫氣被認為相對容易。此外，北美的扁鋼生產商已經表明，即使是高質量的產品也可以通過 DRI/EAF 方法生產。

5. 支付意愿。考慮到鋼鐵在全球經濟中的重要作用，綠色氫基鋼鐵的成功需要客戶的支持、接受和最終的需求。只有當客戶重視低碳/中性產品，并愿意為脫碳付出代價時，這種生產技術的轉變才能發生。最終用戶行業對低碳/中性鋼鐵產品表現出越來越大的興趣，以實現自身價值鏈的脫碳，并愿意支付溢價，這也是受到歐盟委員會最近對生態標簽方法的討論的推動。替代方案是立法干預，考慮收益和額外成本的平衡。鑒于排放的性質，這一監管舉措顯然需要關注區域生產和進口。

6. 規定。增加氫基鋼鐵份額的經濟效益取決于通過二氧化碳定價和碳邊境稅等措施持續脫碳的政治勢頭，以避免碳泄漏。同樣重要的是為初始投資提供啟動資金和補貼，以補償技術轉變的資本支出需求。根據規模，基于 DRI 和 EAF 使用氫氣的工廠將有大量的資本支出要求。因此，這種技術轉變取決于監管機構、政府和行業利益相關者之間的協作努力，以促進獲得所需資本并消除潛在的繁文縟節。

盤點一下，向氫基鋼鐵的轉變不可能一蹴而就，它只是可以用來實現碳中和鋼鐵行業的一項關鍵生產技術。未來可再生能源的廉價能源可用性和監管將是采用氫基鋼鐵的兩個關鍵驅動因素。盡管實現碳中和（在歐洲）的目標仍然是未來 30 年，但現在就采取行動至關重要：工業場地的壽命超過 50 年，投資規劃期限為 10 至 15 年。資產和足跡決策需要在今天做出，并且必須遵循清晰的脫碳路線圖。路線圖本身必須將長期目標與可操作的速效相結合，以逐步轉向脫碳，讓所有利益相關者參與其中。在歐洲，綠色氫基鋼鐵生產可能成為塑造減排途徑的一項關鍵技術——這可能需要首先優化 BF/BOF 工藝，然后轉向使用以天然氣或進口 HBI 為動力的廢料和 DRI 的電弧爐——并最終采用使用廢料和氫基 DRI 的混合物進行碳中性 EAF 生產。使用 EAF 的廢料與基于 DRI 的生產的組合將取決于未來的產品組合。使用氫的 DRI 方法將是未來在不排放二氧化碳的情況下生產高純度鋼種的關鍵。因此，氫基鋼是確保歐洲未來鋼鐵生產的機會。然后轉向使用以天然氣或進口 HBI 為動力的廢料和 DRI 的 EAF，并最終采用混合使用廢料和氫基 DRI 的碳中性 EAF 生產。使用 EAF 的廢料與基于 DRI 的生產的組合將取決于未來的產品組合。使用氫的 DRI 方法將是未來在不排放二氧化碳的情況下生產高純度鋼種的關鍵。因此，氫基鋼是確保歐洲未來鋼鐵生產的機會。然后轉向使用以天然氣或進口 HBI 為動力的廢料和 DRI 的 EAF，并最終采用混合使用廢料和氫基 DRI 的碳中性 EAF 生產。使用 EAF 的廢料與基于 DRI 的生產的組合將取決于未來的產品組合。使用氫的 DRI 方法將是未來在不排放二氧化碳的情況下生產高純度鋼種的關鍵。因此，氫基鋼是確保歐洲未來鋼鐵生產的機會。使用氫的 DRI 方法將是未來在不排放二氧化碳的情況下生產高純度鋼種的關鍵。因此，氫基鋼是確保歐洲未來鋼鐵生產的機會。使用氫的 DRI 方法將是未來在不排放二氧化碳的情況下生產高純度鋼種的關鍵。因此，氫基鋼是確保歐洲未來鋼鐵生產的機會。