清華新聞網(wǎng)6月4日電（通訊員 王奕涵）鋼鐵行業(yè)主要依賴(lài)化石能源作為燃料及鐵礦石還原劑，是典型的難減排行業(yè)。氫基還原鐵技術(shù)使用氫氣作為還原劑，在煉鐵環(huán)節(jié)不造成碳排放，被視為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度減排的關(guān)鍵技術(shù)。為確保氫基還原鐵技術(shù)的脫碳效果，需要保證充足的、基于可再生能源的綠氫供應(yīng)。然而，我國(guó)可再生能源分布極為不均，且通過(guò)管道進(jìn)行氫氣跨區(qū)域運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)尚不成熟。因此，氫基還原鐵技術(shù)的推廣受限于可再生能源分布，需要開(kāi)展高分辨率的空間分析，探究最優(yōu)的氫基還原鐵技術(shù)部署及可再生能源供應(yīng)方案。
為解決上述問(wèn)題，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院溫宗國(guó)教授團(tuán)隊(duì)提出了一系列在不同可再生能源類(lèi)型、不同技術(shù)應(yīng)用規(guī)模情景下的氫基還原鐵技術(shù)部署方案，并詳細(xì)評(píng)估方案的碳減排、生產(chǎn)成本及水資源消耗（圖1），研究揭示了可再生能源分布對(duì)氫基還原鐵技術(shù)部署的限制作用，并強(qiáng)調(diào)了制定合理技術(shù)應(yīng)用規(guī)模的必要性。
圖1.研究框架（包括鋼鐵單元數(shù)據(jù)庫(kù)、可再生能源評(píng)估、可再生能源供應(yīng)-需求模型、氫基還原鐵技術(shù)推廣方案制定、碳減排效果評(píng)估、水耗評(píng)估六個(gè)模塊）
研究團(tuán)隊(duì)建立了鋼鐵生產(chǎn)單元模型，著重分析了現(xiàn)有高爐煉鐵工藝情況，并開(kāi)發(fā)核算方法評(píng)估太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)能源在0.1°×0.1°分辨率，對(duì)基于氫基還原鐵技術(shù)的煉鐵工藝的制氫供應(yīng)潛力。結(jié)果表明，我國(guó)太陽(yáng)能、風(fēng)電的年發(fā)電潛力，以及可用于制氫的生物質(zhì)能的年產(chǎn)生量能夠滿(mǎn)足當(dāng)前全國(guó)氫基還原鐵技術(shù)的制氫需求，但其分布呈現(xiàn)高度的地區(qū)不平衡特性，必須開(kāi)展可再生能源的供需匹配分析以制定氫基還原鐵技術(shù)部署方案。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)定了六種氫基還原鐵技術(shù)的部署情景，包括三種可再生能源供應(yīng)（太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能）以及兩種應(yīng)用規(guī)模（溫和、激進(jìn)）的組合，同時(shí)開(kāi)發(fā)了可再生能源空間供需匹配模型，以確定各情景下需改造的煉鋼單元及需要部署可再生能源的區(qū)域。結(jié)果表明，在溫和的技術(shù)應(yīng)用規(guī)模下，三種可再生能源均可以滿(mǎn)足技術(shù)的氫能需求。然而，若采用激進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用規(guī)模，則不得不依賴(lài)額外的補(bǔ)充能源投入。這些補(bǔ)充能源占系統(tǒng)整體能源需求的1/3到1/2，會(huì)顯著影響氫基還原鐵技術(shù)的碳減排效果、經(jīng)濟(jì)成本與水耗。
圖2.六種氫基還原鐵技術(shù)部署方案的氫能需求量及能源投入構(gòu)成
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了各情景下氫基還原鐵技術(shù)部署方案的碳減排潛力、成本與水耗。對(duì)于碳減排潛力指標(biāo)，太陽(yáng)能-溫和情景和風(fēng)能-溫和情景的減排效益最大。然而，采取激進(jìn)的應(yīng)用規(guī)模會(huì)大幅增加排放水平。相對(duì)地，利用生物質(zhì)能制氫方案的排放更高，這是由于生物質(zhì)能的運(yùn)輸和處理過(guò)程會(huì)造成額外的隱含碳排放。
對(duì)鋼鐵生產(chǎn)成本開(kāi)展評(píng)估，結(jié)果表明，太陽(yáng)能-溫和情景和風(fēng)能-溫和情景的單位成本最低，與當(dāng)前的高爐-轉(zhuǎn)爐煉鋼的成本相當(dāng)。若考慮未來(lái)碳排放權(quán)交易的收益，應(yīng)用氫基還原鐵技術(shù)的收益將更為顯著。然而，由于外購(gòu)電網(wǎng)電價(jià)相較可再生能源發(fā)電更高，太陽(yáng)能-激進(jìn)與風(fēng)能-激進(jìn)情景的鋼鐵生產(chǎn)成本大幅提升。此外，由于生物質(zhì)氣化與蒸汽重整-碳捕集和封存制氫工藝成本較高，使用生物質(zhì)能用于氫基還原鐵技術(shù)的單位成本也較高。
圖3.氫基還原鐵技術(shù)部署方案成本及構(gòu)成
最后，研究團(tuán)隊(duì)探究了部署氫基還原鐵技術(shù)的水資源壓力。結(jié)果表明，氫基還原鐵技術(shù)在激進(jìn)的應(yīng)用規(guī)模下的水耗量遠(yuǎn)高于溫和規(guī)模。這一結(jié)果充分體現(xiàn)了該技術(shù)在節(jié)水-降碳目標(biāo)間的沖突關(guān)系，并會(huì)加劇個(gè)別地區(qū)的水資源沖突問(wèn)題。綜上所述，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的氫基還原鐵技術(shù)推廣目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)低碳、高效益、低水耗的轉(zhuǎn)型模式。
圖4. 氫基還原鐵技術(shù)部署方案的整體水耗情況及單位減碳水耗
相關(guān)研究成果以“不均衡的可再生能源供應(yīng)限制了氫基還原鐵技術(shù)的減碳潛力”（Uneven renewable energy supply constrains the decarbonization effects of excessively deployed hydrogen-based DRI technology）為題，于5月27日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王奕涵和陳晨為論文第一作者，中國(guó)人民大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院副教授陶媛和溫宗國(guó)為論文通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59730-1
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
圖片設(shè)計(jì)：王琦鑫
審核：郭玲
