结合碳管理技术的氢基炼钢效率驱动经济分析

《Applied Energy》：An efficiency driving economic analysis for hydrogen-based steel making integrated with carbon management technologies

　　桑托什·谢卡瓦特|维迪奥塔玛·贾因
拉贾斯坦中央大学，阿杰梅尔，305817，拉贾斯坦邦，印度

摘要
实现钢铁制造过程的脱碳是当前最为紧迫的挑战之一。印度钢铁行业对其经济增长起着重要作用，但其产生的二氧化碳排放量约占全球总量的7–9%。以氢气为还原剂的直接铁还原-电弧炉工艺（H2-DRI-EAF）为一种具有前景的低碳替代方案，可将钢铁的剩余碳强度从约2.2吨二氧化碳/吨降低至仅0.05吨二氧化碳/吨。然而，由于质子交换膜电解槽的效率在工厂运行过程中并非恒定——技术进步会提升其效率，而电池组逐渐老化则会降低效率——因此该方案的长期经济可行性尚未得到证实。为解决这一问题，本文提出了一套统一的常微分方程系统，将电解槽效率视为随时间变化的状态变量，并将其与氢气生产、钢铁产量、碳捕获与封存（CCS）、碳捕获与利用（CCU）以及10年内的累计利润动态关联起来，同时引入指数型学习成本模型，最终通过龙格-库塔RK45方法求解。研究结果表明，该集成系统在0.89年内即可实现盈亏平衡，到第10年时累计利润可达2.7990万亿卢比，同时可生产69.37百万吨钢铁，并捕获3295千吨二氧化碳。其中，电解槽的耐用性是影响经济效益的最关键因素，而总碳捕获比例的重要性远高于碳捕获是在封存还是利用环节进行。

引言
钢铁工业是国家经济增长的重要推动力，但同时也是工业领域二氧化碳排放的主要来源之一。因此，该行业面临着双重挑战：在保持经济竞争力的同时减少环境影响[1]、[2]。尽管全球对钢铁的需求持续增长，但该行业仍占全球二氧化碳排放量的7–9%[3]、[4]，被视为最难实现脱碳的工业领域之一。在目前正在研究的多种脱碳路径中，以氢气为还原剂的直接铁还原-电弧炉工艺（H2-DRI-EAF）被视为一条最具前景的路线[5]、[6]。该工艺用氢气替代焦炭作为主要还原剂，能够将钢铁的剩余碳强度从约2.2吨二氧化碳/吨降至约0.05吨二氧化碳/吨[7]。目前，该工艺的技术可行性已得到较好验证：帕蒂松和米尔高[5]证明了氢气作为直接还原剂的热力学可行性，苏扎菲略等人[6]则在实验室规模上验证了氢气等离子体还原技术。更关键的问题在于，在投资者和政策制定者要求的大规模投资之前，该工艺是否能在多年时间内保持盈利。

为解决这一问题，本文将电解槽效率视为随时间变化的变量，而非固定数值。因为质子交换膜电解槽会同时经历两种过程：其一是由于制造技术成熟和工艺理解加深带来的技术改进；其二则是由于可再生能源供应不稳定导致的膜层变薄、催化剂溶解以及双极板腐蚀等电化学降解现象[8]、[9]。如果像几乎所有现有的技术经济研究那样将效率视为固定值[4]、[7]，就会打破电力消耗、氢气产量、钢铁生产、碳捕获与利润之间的时间关联关系。将效率视为固定值可能会导致投资决策出现严重偏差，尤其是在需要更换电池组的较长时间范围内。此外，当碳捕获与封存（CCS）和碳捕获与利用（CCU）也被纳入该系统时，问题会变得更加复杂。这些技术的成本会因技术进步而下降，其收益则与钢铁产量相关，而且它们的经济贡献还通过共同的生产链与电解槽性能相互关联。目前尚缺乏一个能够同时涵盖这些动态关系的统一框架。

本文正是为填补这一空白而提出的，它建立了一套统一的常微分方程系统，将电解槽效率视为一个状态变量，该变量会根据性能提升和退化机制在模拟过程中不断变化。因此，效率的变化会持续影响整个十年间的氢气生产、钢铁生产、碳捕获量以及利润水平。该框架通过龙格-库塔RK45方法进行数值求解。在所有测试场景下，该集成系统均具有较高的盈利能力，且在不到一年的时间内即可实现盈亏平衡。其中，电解槽的耐用性是影响经济效益的最关键因素，其作用远远大于碳定价。对于盈利能力而言，总碳捕获比例的重要性远高于碳捕获是在CCS还是CCU环节进行。

先前的研究已在统一的动态框架下对这些技术进行了深入探讨。加利茨卡娅和日达涅夫[10]指出，在风能驱动的电解条件下，钢铁生产的成本比传统方式高出20%，但他们预计，通过10–20%的定向补贴，到2040年这一差距可缩小至5%。博尔德里尼等人[11]研究了欧洲的煤炭基钢铁生产行业，发现若用28%的低碳生产方式替代传统生产方式，可直接减少25%的二氧化碳排放，间接排放则可减少85%。德夫林等人[12]则分析了全球范围内最适合发展绿色钢铁产业的地区。在碳捕获方面，李等人[13]发现，将CCS与氢基钢铁生产相结合，到2050年可将CCS的成本降低64%，而吴等人[14]则证实，在新兴市场应用中，CCU的成本呈明显下降趋势。马莱特和帕尔[15]以及NITI Aayog[3]也强调，政府政策对于推动绿色氢气和CCUS的规模化应用至关重要。尽管在这一领域的研究日益增多，但目前仍缺乏一个能够同时涵盖氢气生产、钢铁产量、碳捕获与利润的动态电解槽效率模型。本文正是为弥补这一缺陷而开展的。

本文提出的框架具有以下几项重要贡献。首先，将电解槽效率视为随时间变化的变量，而非固定参数，这一处理方式使得10年内的利润相比静态效率假设高出14.3%，这一差异足以影响投资决策。其次，电池组退化和技术进步的作用会相互抵消，从而形成一种非单调且真正依赖具体路径的效率变化趋势，这种趋势无法仅通过单一机制来预测。第三，在决定系统盈利能力时，总碳捕获比例比CCS与CCU之间的分配方式更为重要。

第一节介绍了本研究的研究背景、目标及贡献。第二节回顾了相关文献，以便将本研究置于现有研究体系之中。第三节建立了基于常微分方程的技术经济模型，包括动态效率公式、成本结构以及双路径碳捕获框架。第四节展示了数值结果并进行了分析，第五节则进行了参数敏感性分析。最后，第六节总结了主要研究发现，并提出了未来研究的方向。

最新进展
在现有的氢气生产技术中，质子交换膜电解技术因其高电流密度、对可变可再生能源输入的快速响应能力以及稳定的高纯度氢气产出，已成为工业应用的首选技术[16]。文献[9]、[17]、[18]表明，随着成本下降和效率提升，质子交换膜电解技术将在需要大量氢气的工业领域的脱碳进程中发挥重要作用。

模型描述
该模型由五层结构组成，每一层都依次对下一层产生因果影响：效率→氢气产量→钢铁生产→剩余二氧化碳→利润。这种有序的结构被称为因果链。随时间变化的电解槽效率决定了氢气产量，进而影响钢铁生产。钢铁生产过程中产生的剩余二氧化碳则进入CCS和CCU流程，所有这些环节最终共同决定系统的利润水平，且这一利润水平取决于具体的运行路径。由于各层之间存在因果关联，……

结果与讨论
本节探讨了动态电解槽效率如何改变基于氢气的钢铁制造工艺的技术经济表现。讨论内容围绕三个核心发现展开：效率变化趋势及其对生产过程的影响；碳捕获作为利润稳定因素而非利润驱动因素的作用；以及整个系统的整体盈利能力。所有结果都是在表1所示的基准参数下，通过对常微分方程系统进行10年模拟后得到的。

敏感性分析
仅在基准参数下证明系统的盈利能力是不够的，投资者还需要了解在更恶劣的条件下，比如效率退化速度更快、技术进步速度更慢，或者CCS与CCU的分配方式与基准假设有所不同时，这些研究结果是否依然成立。在5.1节中，我们分别研究了效率提升速率、电池组退化速率以及总碳捕获比例对利润的影响，发现是这三个技术参数决定了利润水平，而非CCS与CCU之间的分配方式。

结论
本研究探讨了在现实运营条件下，结合CCS和CCU的氢基钢铁制造工艺是否具有可持续的盈利能力。本文所建立的基于常微分方程的动态框架将电解槽效率视为一个状态变量，从而能够捕捉到各环节之间的时间关联性。研究结果表明，该系统在所有测试条件下都具有良好的盈利能力：工厂在0.89年内即可收回成本，到第10年时累计利润可达2.7990万亿卢比，同时可生产69.37百万吨钢铁，并捕获3295千吨二氧化碳。

致谢
第一作者衷心感谢印度科学和技术部科技司通过WISE博士后奖学金项目提供的资金支持（项目编号：WISE-PDF/PM-97/2023(G)）。作者们还感谢拉贾斯坦中央大学数据科学与分析系为这项研究提供的研究环境和计算资源。