可再生能源供应不均制约氢基直接还原铁技术过度部署的脱碳效应

为解决钢铁行业高碳排放难题，研究人员针对氢基直接还原铁(H2-DRI)技术在中国钢铁行业的部署开展高分辨率空间匹配研究。通过建立570个钢铁单元数据库和1km×1km可再生能源潜力评估模型，发现52.6%-55.8%的钢铁厂因可再生能源分布不均无法实现绿色氢能供应。研究表明：适度规模部署可使吨钢碳排放降至0.15-0.91t CO2，而激进规模将导致排放激增6倍以上。该研究为全球重工业脱碳路径提供了关键空间规划依据。

　　

钢铁行业贡献了全球7%的碳排放，其脱碳进程直接关系到《巴黎协定》1.5℃目标的实现。传统高炉-转炉(BF-BOF)工艺在中国占比高达90%，而氢基直接还原铁(H₂-DRI)技术被视为最具潜力的替代方案。然而，这项技术的环境效益高度依赖绿色氢能供应，而中国可再生能源与钢铁产能的空间错配问题长期被忽视。更棘手的是，现有研究往往假设氢能可无限获取，忽略了过度依赖化石燃料补给的潜在风险。

香港大学联合清华大学的研究团队在《Nature Communications》发表的重要研究，首次通过公里级分辨率揭示了可再生能源供应对H₂-DRI技术脱碳效果的空间约束。研究团队建立了包含570个钢铁单元的全国数据库，结合1km×1km网格的可再生能源潜力评估，开发了能源供需匹配优化模型。通过对比适度规模(年产钢1.496亿吨)和激进规模(4.08亿吨)两种情景，综合评估了太阳能、风能和生物质能三种路径的碳排放、经济成本和水资源消耗。

关键技术方法包括：1)整合多源数据建立中国钢铁单元地理信息系统；2)基于ERA5气象数据和土地适用性评估，计算1km分辨率下太阳能、风能的理论发电潜力；3)采用线性规划模型优化可再生能源分配路径；4)全生命周期评估涵盖设备制造、氢能生产、钢铁冶炼等环节的碳排放和水足迹。

钢铁单元与可再生能源的空间分布
研究显示中国钢铁产能高度集中于河北(25.6%)、江苏(10.7%)等省份，而西北、西南地区拥有全国63%的太阳能和49%的风能潜力。这种空间错配导致主要产钢省份的可再生能源仅能满足2.6%(太阳能)-12.5%(风能)的氢能需求。

H₂-DRI技术部署方案
适度规模下，太阳能可支持138个钢厂改造，风能支持178个，生物质能支持115个。但激进规模需要补充化石能源：太阳能和风能情景需采购805.93GWh电网电力，生物质能情景需1148万吨煤制氢。河北钢厂因可再生能源匮乏成为主要依赖区。

不同规模的碳减排效果
风能-适度情景的吨钢排放最低(0.15t CO₂)，仅为传统工艺的6.6%。但激进规模下排放激增：风能-激进情景升至0.96t CO₂，增幅达540%。生物质能路径因生物质收集运输的间接排放，其碳减排效益显著低于风光能源。

经济成本与水压力
在363元/吨碳价下，风光能源路径可降低12-14%的吨钢成本。但太阳能路径的水耗高达7.30m³/吨钢，是风能的5倍。河北实施激进改造将使工业用水激增175%，凸显水-碳权衡难题。

研究结论指出，中国现有钢铁单元中仅35%具备充足的绿色氢能供应条件。过度追求H₂-DRI部署规模反而会削弱脱碳效果，建议优先在山西(太阳能)、江苏(风能)等资源匹配度高的区域实施改造。该研究提出的空间规划框架，为全球重工业低碳转型提供了方法论范式，特别强调需建立动态更新的碳定价机制和跨区域氢能输送体系。这些发现对制定行业政策具有直接指导价值，避免因技术路径选择不当导致的锁定效应。