氫氣和鋼鐵生產的脫碳

未來可持續能源的主要驅動力圍繞著以下需求：（1）減少全球二氧化碳（CO2）排放，改善空氣質量；（2）確保能源供應安全，轉向使用可持續能源資源；（3）建立新的工業和技術能源基礎，這對未來經濟至關重要。所有現代對全球能源未來的評估都認為，需求的增長將越來越多地由包括可再生或可持續能源在內的多樣化能源組合來滿足。

有形的環境問題的增長是實現可持續能源發展的主要驅動力之一。這些問題中最主要的是二氧化碳和其他改變氣候的氣體釋放和積累到大氣中的問題。這些排放物現在無可爭議地遠遠高于工業化前的水平，并被認為是通過溫室氣體（GHG）效應提高全球（平均）溫度的原因。除非通過各種活動大幅減少環境中的二氧化碳釋放量，否則將對全球氣候產生潛在的災難性后果。這種擔憂無疑正在改變評估和使用能源及其載體的方式，使平衡從傳統的碳氫化合物基礎轉向可再生或可持續能源。

氫氣是一種有吸引力的替代燃料。然而，與煤炭、天然氣或石油不同，它不是一種主要能源。相反，它的作用更接近于電力的作用，是一種次要的 "能源載體"，它首先是利用另一來源的能源來生產，然后運輸到未來使用，其潛在的化學能量可以得到充分實現。

氫氣為一個真正可持續的全球能源未來帶來了希望。近年來，由于人們越來越關注能源使用對環境的影響，以及對化石燃料供應安全的擔憂，人們對氫氣作為一種提供能源服務的方式的興趣越來越大。氫氣是一種眾所周知的、多功能的、清潔的能源載體，在工業生產中被廣泛使用。大多數與氫氣有關的技術都有很長的歷史。使用氫氣的行業記錄以及目前氫氣在一些應用中的使用都證明了其安全性。氫氣為生產、分配和使用提供了幾種選擇。它目前的用途可以安全地擴展到其他用途。

氫氣，作為一種能源載體，原則上可以替換今天使用的所有形式的最終能源。它可以為經濟的所有部門提供能源服務。與化石燃料相比，它具有潛在的環境優勢。在使用點，氫氣可以以不產生有害排放的方式進行燃燒。如果氫氣的生產不排放任何二氧化碳，那么它可以形成一個真正可持續的能源系統的基礎，這就是所謂的氫氣經濟。

氫氣經歷了高期望值與不切實際的現實之間的循環?？稍偕茉吹膬r格下降，以及氣候變化導致的嚴格的監管要求，導致了目前世界各地正在發生的從碳經濟到氫經濟的范式轉變。然而，向氫經濟的轉變不會在一夜之間發生，因為它需要一個專門的戰略和努力。

氫是周期表中的第一個元素。它是宇宙中最輕、最豐富和最古老的化學元素之一。在地球上，氫氣存在于更復雜的分子中，如水或碳氫化合物。氫氣，為了以其純粹的形式使用，必須被提取出來。氫氣火焰是無色無味的。它需要添加著色劑和氣味劑，以使其可見和可檢測。此外，氫氣的分子比天然氣小，因此更容易泄漏。氫氣的這一特性可能是一個特別的問題，因為氫氣的泄漏會導致封閉空間內氫氣濃度的增加。

氫氣可以在全球工業去碳化中發揮關鍵作用。在今天的情況下，氫經濟是一個優先事項。零二氧化碳排放需要完全淘汰化石燃料。氫氣的氣候影響完全取決于它的制造方式。為了控制全球氣候變化，由可再生能源驅動的電解水產生的氫氣對氣候中和是不可或缺的。然而，向氫經濟的過渡需要大量投資于新的基礎設施，以生產、運輸、儲存和向最終用戶提供氫氣。

越來越多的人認識到需要在2050年前實現凈零排放的目標，以限制全球溫度比工業化前水平上升1.5攝氏度。為了達到這個目標，有必要找到一種方法來替換目前滿足全球能源需求五分之四的化石燃料。為了限制全球變暖導致的1.5攝氏度的溫度上升，氫氣作為一種能源載體始終發揮著核心作用。氫氣作為能源載體所發揮的作用與現在碳經濟中煤炭、石油或天然氣所發揮的作用相當。用于生產鋼鐵、水泥、玻璃和化學品的工業過程都需要高溫熱量。目前，這種熱量是通過燃燒化石燃料產生的。對于這些難以減少二氧化碳的工業部門，如果不使用氫氣，基本上沒有辦法達到所需規模的凈零排放。

經濟去碳化的失敗不是目前可以選擇的。從長遠來看，氫氣和可再生能源發電有能力提供一個解決方案，使像鋼鐵行業這樣難以消減的部門脫碳。然而，存在著一些需要克服的挑戰。

氫氣是一種高度通用的基本化學品，既可作為能源，也可作為工業流程的原料，如用于化肥的氨氣生產、精煉以及食品、電子、玻璃和金屬行業的原料。然而，使用氫氣作為能源對經濟的去碳化具有重要意義。新的證據表明，氫氣在減少工業熱力的排放方面具有重要的潛在作用，特別是在火焰（和隨后的燃燒氣體）需要直接接觸主要生產的材料或產品的地方（例如在爐子和窯里）。

氫氣有很多有用的特性。它可以通過一系列低碳方式生產，其使用，無論是通過燃燒還是燃料電池中的電化學反應，都不會產生溫室氣體排放。在燃料電池中，使用氫氣不會產生空氣污染物排放，因為唯一的副產品是水。與它所替換的化石燃料相比，這大大改善了空氣質量。

氫氣的燃燒可以產生高溫，這意味著它可以在需要高溫熱量的地方替代化石燃料，例如在工業應用中。然而，由于氫氣在較高溫度下燃燒，氮氧化物（NOx）是一種有害的污染物，可能是一個問題。

盡管氫氣的能量密度明顯低于化石燃料，但在壓縮時，它的能量密度非常高。它可以被大量儲存，其數量可以持續幾個月而不是幾個小時或幾天。此外，作為一種可壓縮的氣體，氫氣可以通過管道以高速度輸送。

氫氣，作為一種能源載體，在某些方面與電力相似。兩者都必須產生，而不是像化石燃料那樣以有用的、可提取的形式出現。它可以通過一系列的低碳方法生產，或者通過基于低碳電力的電解，或者通過應用碳捕獲和儲存或利用（CCS/U）與碳氫化合物（如生物質、天然氣）的氣化或重整相結合。

氫氣可以通過幾種方式進行儲存和分配。氫氣具有很高的（重量級）能量密度。運輸方式與化石能源載體相當，包括氣態/液化卡車運輸、船舶運輸和通過管道泵送氣態氫氣。摻入現有的天然氣網絡也是可能的，而且可能變得很重要，特別是在過渡時期。有幾種儲存方案，其中一些仍處于開發階段。

工業過程中向可持續氫氣生產方法的轉變在很大程度上取決于對綠色燃料的日益認可，以及對綠色工業產品的適當定價，這可以通過適當的碳價格和監管框架實現。在工業過程中使用綠色氫氣還具有促進大規模氫氣需求的優勢，從而降低生產成本，這反過來又能積極影響其他部門，如交通。

氫氣不是一種能源，而是一種能量載體。它要在使用前被生產和儲存。儲存能量的氫氣分子可以通過燃燒或通過燃料電池來恢復能量。一公斤氫氣的燃燒釋放的能量是一公斤汽油的三倍，而且只產生水。在燃料電池的情況下，氫氣和氧氣的化學能量通過一對氧化還原反應轉化為電能。反應的廢品是水。

氫氣的二氧化碳減排影響是由如何生產氫氣的二氧化碳排放和使用氫氣的活動的排放量共同決定的。與生產氫氣有關的二氧化碳排放與所使用的技術和為該過程提供電力的電網結構密切相關。目前氫氣生產的去碳化是具有挑戰性的，但將對二氧化碳排放產生積極影響，并能在實現成本下降方面發揮重要作用。另外，從可再生能源的電解中生產氫氣的成本也有望下降。

基本上有兩類氫氣生產過程。一種是用電從水中提取氫氣（即電解），第二種是利用化石燃料作為能源和/或氫氣的來源。當用化石燃料（如天然氣、石油或煤炭）提取氫氣時，二氧化碳排放被固定在正在催化的化學反應中。在用電來運行電解過程的情況下，相關的排放是由電力來源的二氧化碳強度引起的。

使用的能源和生產氫氣的方法決定了它是否被非正式地視為灰色、藍色或綠色氫氣。目前，大約96%的氫氣是通過碳密集型工藝從化石燃料中生產的。由這些工藝生產的氫氣被稱為灰色氫氣。兩個主要過程是用蒸汽改造甲烷和煤氣化。當通過這兩個過程生產氫氣時排放的二氧化碳通過碳捕獲和儲存或利用（CCS/U）被封存時，生產的氫氣被稱為藍氫。氫氣資產上的CCS/U的捕獲率范圍高達90％，這使得這種生產途徑從溫室氣體的角度來看相當有效。

利用可再生資源產生的電能，通過電解過程生產的低排放或零排放的氫氣被稱為綠色氫氣。還有一個顏色代碼。由核電站供電的電解器生產的氫氣被稱為黃色（或紫色）氫氣。目前，利用水電解生產氫氣的情況很少，因為它需要大量的電力，而電力是昂貴的。這種技術通常只用于生產純度非常高的氫氣。

與電解有關的另一個問題是水的消耗。純凈水的消耗量一般在每公斤氫氣輸出10升到15升之間，而且輸入的水需要去離子處理。在沒有淡水資源的情況下，選擇包括海水淡化或廢水回收。

生產零排放氫氣的三個主要途徑是：（i）通過蒸汽甲烷重整（SMR），使用生物甲烷，或與CCS/U相結合；（ii）通過電解，使用可再生能源產生的電力；以及（iii）通過生物質的氣化。雖然SMR和電解是成熟的技術，但生物質氣化和帶有CCS/U的SMR仍在開發中。目前，幾乎所有的氫氣生產都是通過化石燃料重整，因為它是目前最經濟的途徑。

關于藍色氫氣途徑，水的消耗是一個經常被忽視的方面。藍色氫氣途徑消耗了大量的水，在某些情況下甚至高于電解過程。在比較生命周期清單后的體現水時，成果顯示每公斤氫氣的耗水量在SMR工藝中高達24升，在煤氣化工藝中高達38升。

另外一種途徑，有時被稱為綠松石（青藍色）氫氣，仍處于TRL（技術準備水平）階段。它包括甲烷的熱解。目前，不同的技術解決方案正在世界范圍內的幾個地方進行開發。在這個過程中，天然氣被用作原料，而能源消耗來自于電力，估計是來自于低碳資源。甲烷在高溫下被分割成氫氣和固體碳（也稱為碳黑）。圖1顯示了用顏色表示的氫氣生成途徑的識別。

圖2 氫氣直接還原工藝的典型流程圖

直接還原鐵目前被用于全球鐵產量的約8%是通過直接還原法生產的。目前，直接還原鐵使用來自天然氣或煤的還原氣體。2016年，三家瑞典公司（SSAB、LKAB和Vattenfall AB）宣布，他們計劃通過使用氫氣作為還原氣體，開發一種被稱為 "直接還原 "的鐵生產過程的去碳方法。他們的概念被稱為氫氣突破性煉鐵技術（HYBRIT）。HYBRIT基于氫氣作為唯一的還原氣體，產生水作為副產品，而不是二氧化碳。由此產生的 "直接還原鐵"（DRI）可以使用電弧爐煉鋼，與傳統DRI的使用方式相同。圖3顯示了HYBRIT工藝的原理流程圖。

圖3 HYBRIT工藝的原理流程圖

HYBRIT工藝的主要特點是：（i）在球團生產中使用非化石燃料；（ii）使用無化石的電力進行電解生產氫氣；（iii）將氫氣儲存在一個特別設計的設備中，作為電網的緩沖；（iv）使用豎爐進行鐵礦石還原。(v) 使用定制的顆粒作為鐵礦石原料，(vi) 還原氣體/氣體混合物在注入豎爐前被預熱，(viii) 產品可以是DRI或HBI（熱壓塊鐵），(ix) DRI/HBI與回收的廢料一起在EAF中熔化。

HYBRIT工藝已經評估了與新的供應鏈設置和高爐參考案例有關的端到端能源消耗。該分析還包括從地下提取鐵礦石的采礦活動。根據這項分析，一座高爐生產一噸粗鋼時，燃燒焦煤和石油會排放1600公斤二氧化碳。DRI路線只排放25公斤二氧化碳，同時消耗大約50公斤的氫氣，反過來使用2633千瓦時的電力。這表明，每公斤氫氣的減排效果為32公斤二氧化碳。

雖然這是對所消耗的氫氣實現減排的準確計算，但DRI工藝產生的臨時海綿鐵產品需要在電弧爐（EAF）中加工，以生產粗鋼，即京東方的最終產品。為了使與氫氣的其他最終用途的比較正?；?，電弧爐中每噸粗鋼855千瓦時的電力消耗可以用來生產另外16公斤的氫氣，這意味著每公斤氫氣的正?；蕿?4公斤二氧化碳。圖4顯示了BF-BOF煉鋼與HYBRIT工藝的比較。

圖4 BF-BOF煉鋼與HYBRIT工藝的比較

現在，使用EAF的氫基鋼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。問題不在于是否，而在于何時以及在何種程度上可以實現這一轉變。然而，有各種相互依存的因素決定了鋼鐵業何時能出現去碳化的臨界點。有一些外部因素將影響綠色氫基鋼的未來發展和采用時間。

向氫基鋼的轉變不可能在一夜之間發生。此外，目前只有一種關鍵的生產技術可以用來實現鋼鐵行業的碳平衡。未來來自可再生能源的廉價能源的可用性和監管問題將是采用氫基鋼的兩個關鍵驅動因素。盡管實現碳中和的目標仍在未來28年左右，但現在就采取行動是至關重要的。工業用地的壽命超過50年，投資規劃期限為10至15年?，F在需要做出資產和足跡的決定，并遵循一個明確的去碳化路線圖。路線圖本身要將長期目標與可操作的快速贏利結合起來，以便逐步轉向去碳化，使所有利益相關者都參與進來。

總的來說，在煉鋼過程中及時從碳轉向氫，需要在大多數領域采取協調的政治行動，在推動碳的價格上升的同時，推動氫的價格下降。反過來，降低氫氣的價格需要制定廣泛和協調的措施。這些措施對于促進氫氣的需求和提高供應能力是至關重要的，這是一致推動氫氣經濟的一部分。