本文阐述了氢能在钢铁行业脱碳进程中的关键作用与挑战。钢铁工业占全球碳排放7%，脱碳势在必行。氢气可作为还原剂替代焦炭，或作为清洁燃料，在直接还原工艺中应用潜力巨大，有望实现近零碳排放。然而，绿氢生产受制于成本、电解规模、可再生能源供应及基础设施等。尽管面临诸多挑战，Stegra、GravitHy等绿色钢铁项目已在欧洲推进，标志着氢能炼钢正从概念走向实践，成为实现气候目标的重要路径。

钢铁行业脱碳对于实现全球气候变化目标至关重要，因为它占全球温室气体（GHG）排放总量的7%。钢铁行业因其全球竞争性、生产过程对碳的依赖性以及高能耗而面临重大挑战。对脱碳的推动正在驱动创新，可再生能源、燃料和碳捕集等技术解决方案正在开发中。氢气正在成为这一转型过程中的关键角色。然而，氢气的广泛应用面临着诸多障碍。开发电解等低碳技术对于可持续制氢至关重要。虽然氢气的潜力很大，但它必须与更易获得的可替代方案竞争，并克服与基础设施、成本和社会接受度相关的挑战，这对氢气成功推广应用至关重要。

第28届联合国气候变化大会（COP 28）协议强调，到2030年，迫切需要将可再生能源发电能力提高两倍，并将能源效率提高一倍。使用低碳排放的氢气不仅是一种选择，更是一种实现气候目标并确保公正、可持续转型的战略需要。将氢气纳入能源结构对于实现这些目标、推动全球能源转型，尤其是钢铁生产脱碳至关重要。

目前，直接生产的氢气（H₂）有7000万吨：76%来自天然气，主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）技术，23%来自煤炭，1%-2%来自电解。此外，还有4800万吨氢气作为副产品生产。每年生产的氢气几乎全部来自化石燃料，这导致每年约有8.3亿吨的二氧化碳排放。制氢技术主要有四种：蒸汽甲烷重整（SMR）、碱性电解、质子交换膜电解（PEM）和固体氧化物电解池（SOEC）：

蒸汽甲烷重整（SMR）：甲烷在高温高压下与蒸汽反应，生成氢气和一氧化碳。这是一种大规模制氢的常用方法，但会产生 CO₂排放。

碱性电解：一种简单且经济有效的工艺，但效率较低，使用碱性溶液将水分解为氢气和氧气。

质子交换膜电解（PEM）：一种更高效、高纯度的方法，利用只允许质子通过的特殊膜将水分解为氧气、质子和电子。

固体氧化物电解池（SOEC）：在高温下使用陶瓷电解质，提高效率，并能与外部热源集成。

作为分解水分子制氢的替代方案，一些项目开始研究从地壳下提取氢气的可行性，类似于开采天然气。

按生产方法可将氢气分类为：

灰氢：不进行碳捕集与封存（CCS）的化石燃料制氢，会导致二氧化碳排放。

蓝氢：通过带有CCS技术的化石燃料制氢，或使用非可再生电力进行电解制氢。这种方法在CCS设备和制氢设备方面的资本成本较高。

绿氢：使用可再生电力进行电解水制氢。这种方法面临着当前商业设备成本与规模相关的挑战。

2020年以来，清洁氢气项目提案的数量激增。普遍认为电解是利用可再生能源生产氢气的一种颇有前景的方案。目前，电解槽的参考值为，1MWh可生产220Nm³或20kg氢气。电解槽制氢的很大一部分成本是电力消耗。据估计，成本的70%左右与电力相关，剩余30%与CAPEX（资本支出）折旧和维护相关。

不同技术和地区之间正在竞相生产最便宜的低碳氢气（蓝氢或绿氢）。氢气价格反映了包括资本支出在内的月平均生产成本。灰氢仍是当前成本最低选项，但不符合长期脱碳目标。蓝氢是过渡性低碳方案，成本显著高于灰氢，但低于多数绿氢。绿氢中，碱性电解在中西部等区域已具备接近蓝氢的成本潜力；PEM电解则在可再生能源富集区更具优势。

据估计，为了实现将全球气候变暖限制在+1.5℃以内的目标，到2050年，氢能必须占全球能源需求的12%，其中66%为绿氢。这要求电解槽装机量达到5000GW，而2023年的装机量仅为10GW。绿氢生产需要电力20800TWh，相当于当前全球发电量的80%。

钢铁行业向绿氢的转型面临若干挑战。通过电解生产的绿氢比化石能源更昂贵，这可能导致钢铁厂搬迁到拥有廉价可再生能源的国家。理想选址必须满足一系列关键条件：充足且廉价的可再生能源，因为绿氢的成本取决于电价。高效的生产及储运基础设施。在3000公里范围内通过管道运输氢气具有成本效益；超出此距离，海运氢气更为经济实惠。有利的政府与监管政策，以及鼓励绿氢投资的明确激励措施和监管框架。接入国际市场，有进行氢气进出口的贸易协定和高效港口基础设施。生产成本具有竞争力，其中生产效率、可再生电力成本和项目规模是降低成本的关键。技术创新，通过研发投资改进氢气生产、储存和运输。政治和经济稳定，能够吸引外国投资并确保长期项目的连续性。

另一个重大挑战是缺少电解槽供电所需的大规模电力传输基础设施。可能的解决方案包括研发大容量输电网或储能装置（电池或绿氢形式），克服可再生能源的间歇性问题。

美国是全球少数几个“蓝氢”和“绿氢”都能作为具有竞争力的低碳解决方案发挥重要作用的地区之一。这是由于美国相对低成本的天然气和陆上CO₂封存能力，以及关键地区负担得起的可再生能源，这两者对于生产蓝氢和绿氢都至关重要。

在钢铁工业中，氢气可以替代碳作为还原剂或用于燃烧过程。下面详细介绍应用情况：

3.1氢气作为还原剂

传统上，炼钢时使用煤炭作为还原剂，这导致大量的碳排放。氢气则提供了一种更清洁的替代方案，因为它将铁矿石还原为铁的同时产生水蒸气，而非二氧化碳。

3.1.1高炉的氢气使用

高炉中，可以通过注入富氢气流，将氢气作为焦炭的替代品，从而减少焦炭消耗。但是，氢气的吸热特性需要额外能量来维持高温，这给维持热平衡带来了挑战。氢气必须具有与焦炭相同的稳定性，才能保持高炉的稳定性和效率。

COURSE50：该项目旨在通过将氢还原技术与二氧化碳分离与回收技术相结合，降低高炉的CO₂排放。已在实验环境中实现10%的CO₂减排，正在研究可扩展解决方案。

H₂Stahl：该项目侧重于将氢气整合到高炉工艺中，探索将氢气用作主要还原剂的技术和经济可行性，旨在大幅度降低钢铁生产的碳足迹。

3.1.2氢气用于直接还原装置

氢气和碳都是合适的铁矿石还原剂，但它们的副产品差别很大。由于氢释放的是水蒸气而非CO₂，因此是一种更清洁的替代品。然而，氢气反应的吸热特性需要额外的能量。据估计，每一立方米天然气需要三立方米氢气来替代。

优势：在直接还原工艺中，氢气可作为还原气体被100%利用，且无需进行重大改造，这为向更清洁的替代方案平稳过渡提供了可能。它降低CO₂的潜力达100%，能显著降低钢铁生产的碳足迹。 由此，对于旨在满足严格环境法规和可持续发展目标的行业而言，氢气是一种非常有吸引力的选择。

劣势：随着氢气使用量的增加，直接还原铁（DRI）的碳含量会降低。因为碳与氧结合后提供熔炼所需能量，所以碳在电弧炉（EAF）中至关重要。生产碳含量为0%的DRI会影响后续的EAF炼钢过程，因此需要改变工艺流程，使用替代（且可持续）的增碳源，例如生物质炉料和替代发泡剂，但这也可能增加EAF工艺的成本。原始设备制造商（OEM）推荐EAF的最小实用碳含量为1%-1.3%。

HYBRIT项目：由瑞典钢铁（SSAB）、瑞典LKAB矿业公司（LKAB）和瑞典大瀑布电力公司（Vattenfall）发起，旨在利用氢基工艺生产无化石燃料钢铁，取得了里程碑式的成就，例如全球首个中试规模的氢基还原海绵铁生产设施和一座中试储氢设施。全面实施后，HYBRIT项目有望将瑞典的CO₂排放量减少10%，芬兰减少7%。

3.2氢气作为燃烧燃料：

EAF中的化学能喷吹器：氢气可用作EAF的燃料，提高燃烧效率并减少碳排放。该技术适用于低、中、高压应用。

钢包和中间包干燥与预热：氢气燃烧为钢包干燥和预热提供了清洁高效的热源，这对于维持钢铁生产的效率和品质至关重要。

氢氧切割炬：将氢气和氧气结合产生高温火焰，用于切割和焊接钢材。这种方法比传统的乙炔炬更安全、更环保。

加热炉：在加热炉中使用氢气燃烧来加热待热轧的半成品，可减少CO₂排放，提高热效率和温度均匀性。

绿色钢铁项目旨在通过使用可再生能源和创新技术，以碳排放显著降低的方式生产钢铁。这些举措对于实现气候目标并向更可持续产业转型至关重要。

Stegra项目：Stegra项目（曾用名为H₂ Green Steel）是一项旨在实现钢铁行业脱碳的开创性举措。该项目位于瑞典，包括一座由760MW制氢厂供电的210万吨/年DRI生产厂，一座年产250万吨的炼钢和带钢连铸连轧（CSP）厂、多套冷加工设备、厂区配电网以及全面的工厂基础设施和供水系统。Stegra旨在通过生产近零碳排放钢铁，每年减少超过700万吨的钢铁碳排放，从而树立新的行业标准。

GravitHy项目：由工业领先企业联盟支持的GravitHy项目，计划在法国南部的福斯-梅尔（Fossur-Mer）建造、拥有并运营其首个绿色钢铁厂。该项目包括一座用于生产绿氢的650MW电解厂，绿氢将供应给一座年产200万吨的DRI生产厂。生产的DRI既可就地用作生产绿色钢铁的原料，也可作为热压块铁（HBI）在全球交易。该项目还包括工厂基础设施、港口和物流设施。GravitHy项目旨在支持钢铁行业的脱碳，并为欧洲的“Fit for 55”一揽子减排计划做出贡献。

钢铁行业脱碳对于实现气候目标至关重要，尽管在成本、基础设施和社会接受度方面存在挑战，氢气仍发挥着关键作用。自2020年以来，清洁氢气项目激增，重点关注通过电解工艺利用可再生能源生产氢气。在每个炼钢工艺阶段，氢气均可替代碳，从而显著减少CO₂排放。