鋼鐵行業(yè)脫碳途徑對能源的影響
在本文分析中,探討了鋼鐵行業(yè)潛在深度脫碳情況下的能耗和二氧化碳排放水平。盡管從鐵礦石生產(chǎn)出成品鋼材有許多步驟,但本文分析側(cè)重于兩個(gè)主要生產(chǎn)工藝:煤基高碳強(qiáng)度的高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝和低碳強(qiáng)度的電爐生產(chǎn)工藝。后者通常利用廢鋼煉鋼。
此外,在鋼鐵生產(chǎn)中使用氫氣并不一定會直接導(dǎo)致鋼鐵行業(yè)的脫碳。2018年,基于化石燃料裂解生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的99%,其中76%來自天然氣,23%來自煤炭。剩下的1%是通過電解過程產(chǎn)生的。與用可再生能源進(jìn)行水電解生產(chǎn)氫氣相比,通過天然氣的重整生產(chǎn)的氫氣具有較大的
碳足跡。目前,通過天然氣的重整是生產(chǎn)氫氣的主要方法,幾乎所有電解生產(chǎn)的氫氣都是氯工業(yè)中氯堿生產(chǎn)的副產(chǎn)品。在未來幾年,由可再生能源驅(qū)動(dòng)的電解氫氣將是鋼鐵行業(yè)脫碳的關(guān)鍵。
四個(gè)國家(地區(qū))特征
本文研究了《2021年國際能源展望》中的四個(gè)國家(地區(qū)):中國,日本,韓國和經(jīng)合組織歐洲國家。選擇這些地區(qū),要么是因?yàn)樗鼈兊匿撹F工業(yè)的規(guī)模、鋼鐵工業(yè)的構(gòu)成,要么是因?yàn)樗鼈冃剂虽撹F生產(chǎn)的脫碳計(jì)劃。
中國:生產(chǎn)了全球一半的粗鋼,并將在任何改變?nèi)蜾撹F生產(chǎn)方式的努力中扮演關(guān)鍵角色。截至2019年,中國的鋼鐵生產(chǎn)嚴(yán)重依賴煤炭,主要通過帶有高爐和轉(zhuǎn)爐的綜合鋼廠生產(chǎn)了近90%的粗鋼。中國的高爐-轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能也相對較新,平均在15年;其鋼鐵生產(chǎn)裝備的使用壽命一般超過40年。然而,只有在大約使用25年后鋼廠才會做出額外投資的決定,更換高爐爐襯,才能達(dá)到40年的使用壽命。這一大修的成本大約是新建高爐成本的一半,并且需要高爐停產(chǎn)很長一段時(shí)間。如果中國的鋼鐵企業(yè)決定停止使用高爐,而不是更換耐火爐襯,向替代技術(shù)的轉(zhuǎn)型可能會更快。
中國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展始于2000年左右。中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,幫助城市地區(qū)建設(shè)了新的基礎(chǔ)設(shè)施和摩天大樓,所有這些都需要大量的鋼材。鋼鐵產(chǎn)品的使用壽命很長,這意味著中國自工業(yè)化時(shí)期開始生產(chǎn)的大部分鋼鐵產(chǎn)品仍被用于重型設(shè)備、橋梁和建筑,只有很少的報(bào)廢鋼鐵可以回收利用。然而,在未來幾年,我們預(yù)計(jì)中國將有越來越多的廢鋼可供回收,這將有助于減少其用煤的粗鋼份額。此外,中國重工業(yè)產(chǎn)業(yè)(包括鋼鐵工業(yè))的脫碳將有助于中國實(shí)現(xiàn)其宣布的凈零碳目標(biāo)。
在本文分析研究的情景中,中國電爐生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量份額將從2020年的約13%增加到2050年的50%。在中國,如此大規(guī)模的鋼鐵生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型將極具挑戰(zhàn)性,需要大量氧氣轉(zhuǎn)爐在正常的報(bào)廢之前退役。另一個(gè)挑戰(zhàn)是擴(kuò)大電爐數(shù)量以及增加生產(chǎn)電解氫和為電爐供電所需的大量太陽能和風(fēng)能的投資。盡管如此,鑒于中國在全球鋼鐵行業(yè)中極大的重要性,中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的情景會對能源格局產(chǎn)生更廣泛的影響。
日本和韓國:兩國都有成熟的鋼鐵工業(yè),主要依靠高爐-轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鋼鐵生產(chǎn)。在本文分析中,兩國鋼鐵工業(yè)的能源消耗方式可以通過電爐生產(chǎn)更多的鋼實(shí)施積極的轉(zhuǎn)型。此外,這兩個(gè)國家都正式承諾要在鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。日本已承諾將其能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾噹в刑疾东@與封存(
CCS)的通過化石燃料生產(chǎn)的氫氣和以及基于可再生能源的氫氣,這使得基于電解氫氣的直接還原鐵成為其整體氫氣目標(biāo)中可能的組成部分。日本的公司已經(jīng)承諾投資一個(gè)強(qiáng)大的氫經(jīng)濟(jì),這也將涉及工業(yè)產(chǎn)業(yè)。同樣,韓國也勾勒出了氫經(jīng)濟(jì)路線圖,以努力遏制溫室氣體排放。對目前的分析很重要的是,以浦項(xiàng)為首的韓國鋼鐵工業(yè)已經(jīng)宣布了建設(shè)氫氣生產(chǎn)能力的計(jì)劃,作為這一努力的一部分。
2019年,日本主要使用高效高爐生產(chǎn)其鋼鐵產(chǎn)品——日本76%的粗鋼是通過高爐-轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)的。然而,日本是一個(gè)成熟的經(jīng)濟(jì)體,其很多基礎(chǔ)設(shè)施將需要在預(yù)測期內(nèi)退役,這意味著廢鋼的供應(yīng)將保持在較高水平,這可能會支持低碳足跡鋼的生產(chǎn)。韓國與日本在鋼鐵技術(shù)和資源獲得方面有相似之處。與日本一樣,韓國主要利用高效高爐生產(chǎn)高水平的鋼鐵產(chǎn)品,2019年韓國生產(chǎn)的粗鋼中有68%來自高爐-轉(zhuǎn)爐工藝。
日本在達(dá)到這些情景中假定的電解生產(chǎn)氫方面面臨挑戰(zhàn)。在本次分析的四個(gè)國家(地區(qū))中,日本的工業(yè)電價(jià)最高,其次是韓國。作為一個(gè)地理上的島國,日本可能會遇到土地資源的限制,無法建設(shè)大規(guī)模的風(fēng)力和太陽能發(fā)電場,以滿足假設(shè)情況下所需的可再生能源。相反,它可能需要大型海上風(fēng)電項(xiàng)目或進(jìn)口中間產(chǎn)品,如熱壓塊鐵或氫氣。像日本一樣,韓國可能也沒有足夠的土地來建立大規(guī)模的可再生能源發(fā)電場。
經(jīng)合組織歐洲國家:在本項(xiàng)分析中的經(jīng)合組織歐洲國家,其成員國如德國鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將政府資金投入到
綠色鋼鐵-低碳足跡的鋼鐵產(chǎn)品中試項(xiàng)目中。安塞樂米塔爾集團(tuán)致力于在德國漢堡鋼廠利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣生產(chǎn)
綠色鋼鐵產(chǎn)品;瑞典公司的HYBRIT項(xiàng)目已經(jīng)向客戶交付了低碳足跡鋼材。
經(jīng)合組織歐洲國家在向低碳鋼鐵生產(chǎn)轉(zhuǎn)型方面處于有利地位,其優(yōu)勢在于:
★風(fēng)能和太陽能項(xiàng)目有足夠的土地資源;
★有充足的廢鋼供應(yīng);
★現(xiàn)有的天然氣管道可以將氫氣輸送給工業(yè)用戶;
★更嚴(yán)的二氧化碳排放政策。
德國政府已經(jīng)承諾為其鋼鐵行業(yè)的脫碳提供資金,其中氫氣的使用是一個(gè)關(guān)鍵組成部分。截至2019年,經(jīng)合組織歐洲國家在本文分析的地區(qū)中,高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)的粗鋼份額為52%。即使有了起步優(yōu)勢,該地區(qū)仍將需要在擴(kuò)大可再生能源產(chǎn)能方面進(jìn)行大量投資,以滿足在假設(shè)對更大份額可再生能源驅(qū)動(dòng)的電爐鋼和電解氫氣生產(chǎn)的需求。
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