钢铁可能是现代社会的重要产品，但它也是二氧化碳排放的主要来源。 那么，绿色钢铁在实现净零排放的道路上能发挥什么作用呢？ 虽然目前它的成本是传统产品的两倍，但它带来了很多好处——而对于重型钢铁产品来说，价格只会略有上涨。
钢铁的可持续发展困境
钢铁是现代社会的关键材料。 它为我们提供了家园、桥梁、交通以及基本的设备和产品。 它不仅仅是旧工业革命的遗物——钢铁在低碳经济中也至关重要。 电动汽车、电动公交车和电动火车等绿色交通需要大量钢材，风力涡轮机和电解槽也需要大量钢材。 然而遗憾的是，钢铁生产目前也是全球温室气体排放的主要来源。
更环保的替代品仍然需要证明自己，而且在竞争激烈的市场中，它们的价格往往高得令人望而却步。 完全改变生产流程需要数年时间，因此改变通常极其缓慢。
钢铁是现代社会不可或缺的一部分
2022年全球钢铁用量行业百分比：
炼钢是一个能源密集型过程，目前的技术主要基于煤炭。 如今，它每年排放27亿吨二氧化碳，占全球年排放量的7%。 中国、韩国和日本的比例分别为15%、14%和12%，几乎翻了一番。
彭博新能源财经（BNEF）数据显示，随着全球人口持续增长、经济日益繁荣，到2050年钢铁需求预计将增长35%。 虽然该行业的能源效率正在提高，但如果钢铁生产继续以煤炭为主，排放量可能会进一步增加。
这与创建净零经济的目标并不完全一致。 那么，让我们看一下减少钢铁行业碳排放的可能技术解决方案的商业案例。 我们将评估我们现在的处境以及公司目前为实现净零排放目标面临的各种压力。 随着科学的进步和适应，我们还将研究哪些替代燃料可以被证明是技术领先者。
减少炼钢排放的主要策略有以下三种：
1、钢材需求放缓
这是一项艰巨的任务，因为人们普遍认为，到 2050 年，钢铁需求将持续增长，而铝和混凝土等钢铁替代品也是碳密集型。 用另一种排放大量碳的产品代替钢铁并不是改善气候的进步。
2、提高现有钢厂能源效率
这对于老旧的燃煤钢厂特别有帮助，因为通过使用更高品位的矿石或更高效的向熔炉喷煤技术，排放量可减少高达 30%。 通过使用更多的回收钢材也可以提高材料效率，但目前全球 85% 的废钢被回收，回收率已经很高了。 大多数钢铁产品在回收之前都会使用数十年。 结果，没有足够的再生钢来满足不断增长的需求，世界仍然需要大量的“原生钢”。
3.在炼钢过程中应用技术修复
例如，通过使用清洁电力电弧炉为部分流程通电，或者捕获和储存传统煤基钢铁生产过程中排放的碳。 该技术称为碳捕获与封存 (CCS)，保留了当前的燃煤工艺，同时减少了 75-90% 的排放。 用氢等合成燃料代替煤炭是另一种可以显着减少碳排放的技术解决方案。 如果氢气以清洁方式生产（即来自太阳能电池板、风力涡轮机、水力发电或核能等低碳能源的蓝氢或绿氢）。 虽然技术修复是向净零经济转型的重要推动因素，但它们面临着反弹效应和杰文斯悖论的风险：一旦气候影响减少，钢铁需求可能会上升。
考虑到需求减少和能源效率提高的局限性（尽管存在杰文斯悖论），我们相信 CCS 和氢气可以在钢铁行业向净零排放经济转型中发挥关键作用。
氢能与电气化相结合是净零经济中绿色炼钢的最终形式。 CCS 是显着减少世界各地许多现有燃煤钢厂碳排放的关键方法，特别是那些可能在未来多年继续运营的新建钢厂。
请注意，我们没有探索天然气炼钢有两个原因。 首先，天然气通常被视为过渡燃料，而不是净零经济的主要能源。 这种效应通常归因于氢气等合成燃料。 其次，出于实际原因，我们必须限制建模选项，因为它们非常复杂。 因此，关注占全球钢铁产量约 70% 的煤炭路线是有意义的，同时也要关注绿色钢铁生产最终会是什么样子。
然而，我们确实相信天然气炼钢将作为一种中间技术，并有可能成为氢基炼钢的垫脚石。 事实上，最新的天然气钢铁厂通常是双燃料工厂，一旦未来绿色氢变得丰富，它们可以轻松地从天然气转向氢气。 专家认为，这种情况可能会在2035年之后出现。
CCS 和氢气能提供神奇的解决方案吗？
钢是由铁制成的，铁是我们最熟悉的金属之一。 人们自古以来就开始使用铁制工具，历史学家甚至将650年的历史时期称为铁器时代（可追溯到公元前1200-550年）。 工业革命使铁成为优质钢成为可能，并在现代社会中催生了许多钢铁应用。
炼钢涉及两个步骤，首先将氧化铁（从地下开采）还原为纯铁，然后将其转化为钢。 钢有数百种不同形式，但它们都是由铁制成的。
将铁矿石转化为铁并随后转化为钢的过程需要非常高的温度，因此需要能量来产生热量。 在传统工艺中，煤炭既用作将铁矿石还原为铁的原材料，又用作产生热量的能源。
将铁矿石转化为铁的第一步是迄今为止能源和碳密集度最高的一步，约占煤基炼钢过程中碳排放量的 80%。
本文的重点是三种钢铁生产技术：煤基炼钢和氢基炼钢：
碳捕获和封存的好处
碳排放可以被捕获并储存在地下（CCS）或用于其他经济领域（碳捕获利用和储存，CCUS）。 使用这项技术，75% 至 90% 的排放物不会进入大气，因此不会导致全球变暖。
碳捕获和储存是对抗全球变暖的相对具有成本效益的技术。 管道末端的二氧化碳浓度通常非常高，这使得捕获它们变得相当容易且便宜。 在钢铁生产中，每吨碳的 CCS 成本在 60 至 100 欧元之间。 这比电动汽车、家居装修和基于氢的解决方案等技术便宜得多，每减少一吨碳的成本为数百欧元。
即便如此，CCS 尚未在炼钢领域得到广泛采用，因为它不是强制性的，而且全球范围内的碳定价往往不够充分。 欧洲每吨二氧化碳约 85 欧元的碳价已开始产生影响，但钢铁制造商仍享有大量免费配额，碳价最近有所上涨，CCS 投资需要数年时间才能收回成本。
变革性氢路线
氢气提供了彻底重新设计炼钢工艺的可能性。 氢气的神奇之处在于它使整个过程几乎无碳！
通过氢气与铁矿石直接反应，产生铁和水，而不是铁和二氧化碳。 这种工艺称为直接还原铁 (DRI)，已用于天然气而不是氢气。 DRI炼钢的另一个好处是主要反应在较低的温度下发生，因此需要较少的能量。
铁矿石的还原是在竖炉中在相对较低的温度（约1000℃）下进行的。 还原铁在电炉中进一步加工成液态铁水。 与其他行业一样，电气化是钢铁行业绿色发展的重要战略，通过电制绿氢和高炉电气化来实现。
DRI技术具有诸多优点，可以显着减少二氧化碳排放。 该过程中还可以使用废钢或回收钢材，从而增加循环利用。 采用 DRI 技术的生产还提供了更大的灵活性，因为工艺更容易启动和停止。 DRI技术可以生产高品质钢材，因此也为专注高端钢材市场的钢厂提供了一条绿色之路。 能源工厂也可以使用氢来代替煤炭。 煤燃烧时会形成二氧化碳，而氢气与氧气反应时会变成水。 最后，由于铁矿石可以在较低温度下还原（大约 1000°C，而不是 1500°C），因此该过程仍然需要大量能量，但比其他情况要少。
下图显示了采用不同炼钢技术生产一公斤钢的碳排放量：
不同生产技术之间钢铁生产的二氧化碳排放量差异很大。 不同钢铁生产技术的指示性排放量以每公斤钢铁排放的二氧化碳公斤数表示。
生产一公斤钢材的指示性排放量。 我们仅关注范围 1 和 2 排放，因此不包括其他公司或消费者使用钢铁时产生的范围 3 排放。 假定 CCS 的捕集效率对于煤基炼钢为 80%，对于蓝氢生产为 85%。 我们将瑞典的电网排放量与完全基于可再生能源的电网排放量（10 千克二氧化碳/兆瓦时）进行比较，荷兰的电网排放量与基于天然气的电网排放量（325 千克二氧化碳/兆瓦时）相似，而波兰的电网排放量则与完全基于可再生能源的电网排放量（325 千克二氧化碳/兆瓦时）相似。那些基于煤炭的电网（735 kg CO2/MWh）类似。 我们提供每公斤钢材的排放量旧钢材多少钱一吨2023年，以便不同生产技术和燃料类型的数据具有可比性。 请注意，我们没有考虑基于天然气的炼钢，因为天然气通常被视为过渡燃料，而不是净零经济的主要能源。 这种效果是由于完全绿色的氢（来自太阳能、风能、水力或核能）。
在不深入探讨这两条路线的所有技术细节和复杂性的情况下，有两个关键点值得注意：
首先，CCS提供了一种从根本上减少传统煤基炼钢方法碳排放的方法。 我们的指示性计算表明减少了 80%，考虑到一公斤钢的碳含量从 1.87 公斤二氧化碳减少到 0.38 公斤旧钢材多少钱一吨2023年，这是一个令人印象深刻的结果。
其次，氢气提供了一种从根本上改变生产过程的方法，使其几乎不排放二氧化碳。 如果使用“完全绿色”的氢气，钢铁的碳含量几乎为零 - 我们指的是完全由零碳技术驱动的电解槽产生的氢气，例如太阳能电池板、风力涡轮机、水力发电站、核电站（或这些技术的组合） 。
绿色氢的定义意味着运行电解槽的电力仅来自可再生能源（太阳能和风能）。 但实际上，情况并非如此，因为太阳能和风能并不总是可用，许多国家的电网仍然主要基于化石燃料。 目前，绿氢中的“绿色”意味着氢是由可再生电力和电解槽制成的，而灰氢和蓝氢主要是由蒸汽甲烷重整器中的天然气制成的。
如果电解槽由主要由燃气发电厂供电的电网供电，则钢的碳含量将减少30%，从每公斤钢的1.87公斤二氧化碳减少到1.28公斤。 这是一个显着的进步，但与使用 CCS 的传统煤炭生产方法相比，仍然是一个很差的改进，可以减少 80% 的碳排放。 连接到电网的电解槽将与整个电力系统一起脱碳。
最后，如果电解槽采用以燃煤电厂为主的电网供电，钢材的碳含量将增加50%以上。 所以，我们必须小心电解槽中的氢气。 根据定义，电解槽和绿色氢可能不是绿色的！ 能源起着至关重要的作用，在能源转型的早期阶段，使用传统化石能源对气候造成的损害是非常现实的。
然而，氢气不一定要在电解槽中产生。 事实上，目前世界上 95% 以上的氢气是由天然气生产的，其中大部分没有经过 CCS（灰氢）。 为了减少灰氢的碳排放，需要蓝氢，这将CCS流程从钢铁行业转移到氢工业。 使用蓝氢制造的钢的碳含量与使用 CCS 的传统煤基钢非常相似（每千克煤基钢含 0.38 千克二氧化碳，而每千克蓝氢钢含 0.22 千克二氧化碳）。 蓝氢对环境的污染比采用 CCS 技术的煤基钢铁略低，因为生产蓝氢所需的气体比煤排放更少的碳。
最后但并非最不重要的一点是，灰氢炼钢的碳足迹比传统煤基炼钢低得多。 因此，钢铁制造商不必等到他们的电力系统完全依靠太阳能电池板、风力涡轮机或核电站运行。 只要电解槽不是由燃煤电厂提供动力，在行业氢转型的早期阶段就不应该过多担心氢源。
炼钢中使用的氢气必须是蓝色或绿色的，以大幅减少碳排放
SMR代表蒸汽甲烷重整； 蒸汽（水）与天然气反应产生氢气的化学过程。
氢基钢的好处不仅仅是碳排放
我们的计算主要关注钢铁生产的碳影响，因为二氧化碳是全球变暖的根本原因。 然而，氢基钢铁生产也带来了重要的额外好处。 高度关注物质（SVHC），包括铅或多环芳烃（PAC）、氮氧化物（NOX）、二氧化硫（SO2）、颗粒物（PM10）和气味也将减少，噪音也可能减少。 这将改善生活条件并显着减少对环境和当地社区的负面影响。
因此，很明显，CCS 和氢气都可以在钢铁行业绿色化和在净零排放道路上取得进展方面发挥作用。 氢的好处甚至不仅仅是减少碳排放。 必要条件是生产所需的氢气时碳排放量很少，并且是蓝色或“真正的绿色”氢气。 显而易见的问题仍然存在：为什么它还没有发生？
答案很简单：氢基炼钢技术仍处于起步阶段。 瑞典钢铁制造商 SSAB 是 2018 年第一家生产氢基钢的公司。如今，全球只有少数小型试点项目。
即使技术成熟，制氢也是非常耗能的，因此氢钢的价格大约是煤钢的两倍。
“绿色”氢钢无法与煤钢竞争
不同钢铁生产技术的指示性无补贴和税前钢铁成本（以欧元每公斤为单位）：
成本是根据欧洲条件计算的，并基于以下假设。 氢气成本基于 45 欧元/MWh 的天然气价格、110 欧元/MWh（基线）的燃气电网、99 欧元/MWh (-10%) 的煤炭电网和 88 欧元/MWh (-20%) 的可再生能源电网。价格是计算出来的。 电价差异是根据上述国家2015年至2023年的实际电价计算的。电解槽效率为70%，容量系数为95%。 这使得绿氢的价格分别约为 6.00 欧元/公斤、5.50 欧元/公斤和 5.00 欧元/公斤。 我们使用的二氧化碳价格为 85 欧元/吨，并假设所有二氧化碳均已征税（无免费配额）。 天然气和碳价格导致灰氢成本为 2.40 欧元/公斤，蓝氢成本为 2.55 欧元/公斤。 煤炭和石油价格分别为100美元/吨和75美元/桶，汇率为1美元=0.93欧元，铁矿球团价格为110欧元/吨。 请注意，这代表截至 2023 年 6 月上旬西北欧能源市场的现货价格和未来价格（2023 年）。我们对高炉中的蓝氢应用了 85% 的 CCS 捕集率，对高炉煤基钢应用了 80% 的 CCS 捕集率。 折扣率设定为 8%，运营费用 (OPEX) 通胀率为 3%。 请注意，我们没有考虑基于天然气的炼钢，因为天然气通常被视为过渡燃料，而不是净零经济的主要能源。 这种效果是由于完全绿色的氢（来自太阳能、风能、水力或核能）。
转向绿色钢铁对产品价格影响不大
“从传统钢铁转向绿色钢铁的成本增加了一倍，但对重钢产品的最终定价几乎没有影响。”
钢铁是一种非常便宜的产品。 采用煤炭技术，每公斤成本仅为 50 欧分——比一公斤土豆或一升牛奶便宜。
关于钢铁的另一个令人惊讶的事实是，它对最终产品价格的影响很小。 以汽车和海上风力涡轮机为例。 两者都含有大量钢材——每辆汽车约 1 吨钢材，风力涡轮机约 1,000 吨钢材。 从传统钢铁转向绿色钢铁的成本增加了一倍，但这对重钢产品的最终定价影响不大。 它只会使汽车价格上涨 1% 至 2%，具体取决于销售价格。 根据风电场的位置（浅水或深水），风力涡轮机投资所需的资本增加2%至6%。
从传统煤钢转向氢钢的指示性价格影响被认为是其成本的两倍：
对于一辆普通汽车来说，绿钢带来的价格上涨只有几百欧元。 考虑到消费者在陈列室的选项清单上花费了数千美元，这似乎没什么大不了的。 如果“绿色钢”是一种选择，那么它的成本将远远低于带有合金轮毂等附加功能的选择。 越来越多的消费者愿意花更多的钱购买绿色产品。 汽车和海上风力涡轮机增加的成本远低于绿色溢价的估计。
从这个角度来看，钢铁行业与交通运输行业有很大不同。 钢材通常只占最终产品总成本的一小部分。 机票或海运对燃油成本更敏感。 以航空为例。 用氢基合成燃料替代传统航空燃料将使阿姆斯特丹至伦敦的双向机票成本增加150%，阿姆斯特丹至纽约增加400%，阿姆斯特丹至悉尼增加450%。
考虑到这一点，看到大众汽车公司等公司与萨尔茨吉特公司等主要钢铁制造商合作采购绿色钢铁也就不足为奇了。 大众汽车计划从 2025 年底开始在未来的重要项目中使用低二氧化碳钢，例如将于 2026 年在沃尔夫斯堡生产的电动车型。
钢铁巨头投资绿色钢铁，但变革可能由竞争对手推动
钢铁行业的这种转型不仅仅是一种理论实践，世界上最大的钢铁制造商现在正走上净零排放之路。 据彭博新能源财经 (BNEF) 称，超过 6.15 亿吨钢铁（占全球产量的 18%）已实现净零排放目标，其中大部分目标是到 2050 年实现碳中和。
BNEF对该公司的分析显示了近期的共识。 几乎所有钢铁制造商都同意，重点应放在提高回收率和提高传统煤炭工艺的能源效率上，同时试点CCS和氢气等深度脱碳技术。
对于未来的前景尚无共识，企业的长期技术选择也各不相同。 全球最大的两家钢铁公司——中国宝武和卢森堡安赛乐米塔尔——正在测试 CCS 和氢燃料路线。
德国蒂森克虏伯（）、韩国浦项制铁（Posco）和荷兰塔塔钢铁（Tata Steel）计划将其所有生产线转为氢基生产。 他们正在开发新设备，以适应氢基炼钢中的低品位铁矿石。 SSAB（瑞典）处于氢基炼钢领域的前沿，但计划主要依靠再生钢等纯铁。
新日铁和 JFE（均来自日本）旨在通过将 CCS 应用于现有的煤基高炉来减少排放，但最近也开始研究氢气。 虽然落后于同行，但在美国加大对氢能和CCS政策支持的背景下，可能会推出CCS和氢能试点项目。
但真正的改变可能不会来自资产负债表上拥有数十亿美元煤基钢铁资产的钢铁巨头。 从积极的一面来看，这为他们提供了开发 CCS 和氢气的资金。 从更负面的角度来看，它可能会限制真正的变革，因为一旦氢技术接管，现有资产可能会陷入困境。
颠覆性变革可能是由特斯拉式的新进入者推动的。 阿曼绿色钢铁公司是钢铁行业的新晋企业，计划从头开始建设一座氢基钢铁厂。 挪威和芬兰也在做类似的事情。 法国专注于绿色铁生产。 Van计划在荷兰建设一座绿色钢铁工厂，生产特种钢铁产品（线材）。 位于瑞典北部的H2绿色钢铁工厂是目前欧洲最先进的绿色钢铁项目。
最后，乌克兰可能成为推动该行业变革的国家。 随着战争的继续，政治家和金融家开始关注短期融资问题。 但慢慢地，他们也开始考虑长期的重建工作。 世界银行估计，乌克兰的重建将花费超过4000亿美元。 乌克兰正在寻求高达 400 亿美元的资金来资助格林马歇尔计划的第一部分，以重建其经济。 以钢铁产业为重点，建设5000万吨绿色钢铁产业。
绿色钢铁转型可能引发供应链变革
随着企业开始推动变革，他们也可能改变钢铁行业的商业模式。 目前，大多数钢厂负责整个炼钢过程。 几乎每个生产基地都会将铁矿石加工成钢铁。
将铁矿石转化为铁的第一步是迄今为止能源和碳密集程度最高的，约占煤基炼钢排放量的 80%。 未来，这一过程可能会从能源和氢成本较高的地区转移到成本较低的地区。 例如，澳大利亚、中东和美国可能在氢气生产方面具有竞争优势。 铁生产可能会集中在这些地区，然后以热压块铁（HBI）的形式运往欧洲等成本较高的地区。 或者，可以将其转移到欧洲各地绿色能源电价较低的地区，例如挪威和瑞典北部，那里有充足的可用空间和大型水力发电，可以作为绿色钢铁生产的基本负荷。 在这方面，瑞典博登市出现了建造最先进的绿色钢铁厂的计划也就不足为奇了。
HBI 是直接还原铁的紧凑形式（使用氢代替煤直接将铁矿石转化为铁）。 它们被设计成可以长距离运输，因此可以很容易地熔化并变成钢铁。 第二步可以在电弧炉中完成，只要电弧炉使用太阳能电池板、风力涡轮机、水力发电站或核电站等低碳能源，电弧炉就能进一步实现炼钢过程的电气化和绿色化。
虽然炼钢在很大程度上是一项综合业务，但供应链可能会向更多的全球纯铁生产中心和专注于将铁转化为不同质量的钢的最后一步的本地工厂发展。
