当前环境压力下，必须限制大气温度升高，其中，必须大幅减少CO2排放量。众所周知，全球钢铁行业是CO2的主要排放来源，每年排放近30亿吨CO2，约占CO2总排放量的7%-8%。不过，钢铁生产具有相当大的脱碳潜力，尤其是在炼钢工序。钢铁行业几乎在世界主要国家都具有战略重要性，可以采用确定和可行的解决方案来减少CO2排放，而且有明确的技术保障。政府可以通过征税、收费、补贴和法律等手段来鼓励钢铁行业减少CO2排放。
从传统炼钢向现代炼钢路径转型
截至目前，钢铁行业已经在脱碳领域取得了重大进展，这是因为该行业已将投资从传统的高炉-转炉长流程炼钢工艺转向目前首选的电弧炉短流程炼钢工艺，由此达到显著脱碳，工厂变得更紧凑、更清洁、能耗更低。虽然电弧炉设施主要使用废钢进行炼钢，但还必须在炉内添加额外的铁元素，如直接还原铁（DRI）、海绵铁或热压块铁（HBI）。在电弧炉生产中，作为废钢的替代原材料，DRI是通过使用CO或H2或两者的混合物还原铁矿石制备而成。从传统意义上讲，DRI是用合成气生产的，这种合成气由天然气生成，主要由CO和H2的混合物组成。DRI也可以由纯氢制备，纯氢不仅是一种比CO更强的还原剂，还提供了更好的还原反应动力学。业界普遍认为，使用纯氢生产DRI，可以提高产量。
减碳环保业绩显著
21世纪的炼钢工艺正在赢得环保战的胜利。电弧炉炼钢为CO2减排奠定了良好基础，目前在建钢厂项目大部分都是电弧炉炼钢厂，与此同时，高炉或转炉新产能方面的投资寥寥无几，不仅如此，这些设备逐步配备清洁技术。随着钢铁行业从高炉和转炉逐步向电弧炉的演变，炼钢工艺的碳排放量正从2.25吨CO2/吨粗钢降低到1.5吨CO2/吨粗钢以下，降幅达30%。
一直以来，钢铁行业使用煤和焦炭作为燃料来进行加热，以CO为还原气体，作为钢铁生产中的强化补充剂，在炼钢工艺中，每消耗1个碳原子，就会产生1 个CO2分子，因此，1吨煤或焦炭几乎产生4吨CO2。伴随着生产技术的发展，从高炉-转炉到电弧炉，从2011年到2020年的十年间，
每生产1吨粗钢，平均排放约1.85吨CO2。
业界的这种脱碳努力已经持续了一段时间，在许多实际应用中，煤燃料已逐渐被天然气和电力所取代。绿色炼钢的下一步是在混合气中引入H2。可以预见的是，钢铁行业很快将使用H2进行电弧炉炼钢，这将使电弧炉进一步减少碳排放成为可能。氢基电弧炉炼钢吨钢CO2排放量几乎为零。
在配套基础设施的支持下发展H2炼钢工艺
因此，从长远来看，绿色炼钢工艺势必将采用H2这一重要物质，这是因为H2不仅可以产生绿色电力，还可以取代焦炭和煤炭等燃料。氢基炼钢可以显著降低碳排放。高炉-转炉转变为电弧炉后的碳排放量可减少约30%，而与传统的高炉-转炉炼钢工艺相比，氢基炼钢可以减少约90%的CO2排放。不过，要想达到这一水平，钢铁制造商还需要以低成本大量生产绿氢。这就需要足够的绿色电力来制造H2，然后使用绿氢直接还原铁矿石从而制备DRI，同时需要绿氢作为燃料促进无碳DRI和废钢在电弧炉中熔融。
不过，目前配套的基础设施还没有完全到位，仍在推进中。以瑞典HYBRIT项目为例来讲，该项目分多阶段启动，目前已经启动了绿色钢铁生产的中试工厂。2021年8月中旬，HYBRIT项目正式向沃尔沃汽车发运了第一批商品级绿色钢材，主要用于汽车制造。值得关注的是，德国梅赛德斯-奔驰汽车也有意成为HYBRIT项目的第二家汽车制造商客户，随着该项目的不断推进，会有更多客户选择绿色钢材。
以可行的价格获得H2
H2既能提供热能，又能取代煤炭和天然气，只产生少量的水蒸气，而不产生破坏气候的CO2。使用H2代替焦炭和煤炭炼钢的好处是众所周知的，但在制备H2方面还有一些阻碍，从而对炼钢工艺产生一定影响。目前最大的挑战就是：制备足够的H2，以一种环保的方式制备H2，利用可再生能源制备H2，根据钢材的市场价格制备H2，吸引客户投资绿色H2、采购绿色钢材。目前可以预见的目标是，力争到2025年实现1.5美元/ kg的H2价格。这一价格目标将使氢基炼钢工艺匹敌传统的化石燃料炼钢。
水的电解是靠电力进行的，到目前为止，电力是作为大规模电解水制氢成本的最重要决定因素，此外，降低电解槽资本支出的投资也很重要，特别是减少碱性电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽的资本支出。目前，PEM尚处于技术生命周期的初期阶段，还在围绕材料优化、更有效地使用铂族贵金属催化剂和先进的部件设计进行技术创新。
目前，挪威氢能技术公司Nel正在挪威建造碱性电解槽，在美国建造PEM电解槽。在挪威，该公司正在大幅扩大产能，待一座电解槽容量40兆瓦的新工厂建成之后，将很快扩大到500兆瓦，然后随着后续的扩建，最终将达到2000兆瓦。在美国，该公司正在将其PEM系统的电解槽容量扩大到50兆瓦，并计划随着需求的增加而进行扩产。毋庸置疑，碱电解是一项更成熟的技术，大多数技术创新都已经被消化吸收。尽管如此，碱电解法主要在大宗采购和设备简化方面降低了成本。相比之下，电解槽容量技术较新，有很大的技术创新空间。
电解槽制造商经常将资本成本分析与传统的蒸汽甲烷重整进行比较，以评估扩大实施的时机。为了让这一生产过程更具竞争力，电解水的资本成本应为500美元/千瓦，预期目标以300美元/千瓦为最佳。Nel公司表示，技术创新将压低PEM电解的资本支出。
NEL将电解槽电池组的尺寸和容量扩大了20倍，从而提高了单电池组的能量容量，实现可靠高效制氢。该公司还在致力于减少其PEM电解设备的资本支出，将手工制造的、含有铂族金属的膜电极组件逐步替换为批量生产的、滚动式制造的膜电极组件。
运营方面的充分考虑将推动成本并创造机会。目前钢铁行业正在努力了解工厂在间歇运行期间的资本支出和运营成本，这是因为可再生能源是间歇性的。另外一个不可回避的问题是，H2储存何时会变得更具成本效益？车用燃料、化工中间体、天然气管道等替代性H2输出端将发挥什么作用？有一件事是肯定的，随着未来几年的发展，这些问题将得到妥善解决。当钢铁行业做好充足准备时，为了扩大H2发电规模，资本支出和运营支出都将降至最低，并与电力供应系统紧密集成，以期实现最低成本。（罗晔）
