使用电热储能技术生产钢铁的技术经济分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Technoeconomic analysis of steel production with electric thermal energy storage

　　

钢铁工业是一个重要的制造业部门，也是美国乃至全球最大的能源消费者之一。氢直接还原铁矿石（H₂DRI）被认为是一种有前景的工艺，可提升国内钢铁产量。该工艺需要氢气入口温度高达950°C，以驱动铁矿石球团的吸热还原反应。本研究探讨了采用电热储能（ETES）技术进行氢气加热的H₂DRI工厂的技术经济性能，并与传统的天然气加热器、氢气燃烧加热器和电热氢气加热器进行比较。研究人员开发了一个工厂技术经济分析框架，并应用于多个案例研究，涵盖不同的氢气价格、电网电价曲线和融资情景。研究发现，钢铁的平准化生产成本（LCOE）范围为775–950美元/公吨，大部分在基准钢价941美元/公吨之内。基于ETES的氢气加热与天然气加热器相当，且比氢气燃烧加热器和电热氢气加热器更便宜。主要成本驱动因素是铁矿石和氢气原料，其次是氢气压缩和加热资本。本研究还识别出若干见解和建议的未来方向。

论文解读

**研究背景、存在问题及研究动机**
钢铁工业是美国乃至全球最大的能源消费部门之一，其能源强度高，主要源于传统炼钢所需的高温和低能效。当前主流高炉工艺依赖焦炭，且加氢还原程度有限，因为氢气还原铁氧化物是吸热反应，需要额外热输入。氢直接还原铁矿石（H₂DRI）被视为有前景的替代路径，但需将氢气加热至950°C，而现有技术（天然气加热、氢气燃烧加热、电热加热）存在成本高、受电价波动影响大、炉内温度分布不均等问题。为克服这些挑战，研究人员提出使用电热储能（ETES）系统，其可在电价低时储能、高时放热，从而缓冲电价波动并提供均匀高温热。本研究旨在评估ETES技术在H₂DRI钢铁生产中的技术经济性能，并与传统加热方式对比，为工业部署提供依据。论文发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。

**主要关键技术方法**
研究人员开发了集成技术经济分析（TEA）框架，包含以下关键方法：
1. **粒子型ETES（P-ETES）模型**：采用对数平均温差（LMTD）法设计移动粒子床换热器（MPBHX），基于稳态分析计算氢气出口温度和换热器尺寸，并使用CoolProp库计算氢气热物性。
2. **耐火砖型ETES（R-ETES）模型**：建立一维瞬态数值模型，耦合气相和固相能量方程，采用Crank-Nicolson时间积分格式求解，确定系统尺寸和成本函数。
3. **混合整数线性规划（MILP）优化**：以最小化平准化热成本（LCOH）为目标，优化ETES的储能容量和充放电调度，输入为年度小时级电网电价（来自Cambium数据库，地点为明尼苏达州MISO North和德克萨斯州ERCOT）。
4. **财务分析**：使用ProFAST工具基于GAAP准则计算钢铁平准化生产成本（LCOP），涵盖三种融资情景（基准、首次同类FOAK、第N次同类NOAK）。
样本来源：电网电价取自Cambium数据库（2030、2035、2040年），氢气价格设为$1/kg、$2/kg、$4/kg，铁矿石价格基于2024年Q1数据取$200/公吨。

**研究结果**
**4.1 ETES尺寸优化**
针对基准案例，MILP优化得出P-ETES的粒子加热器功率为170 MW，储能容量为1.789 GWh；R-ETES的储能容量为392 MWh（明尼苏达）和313 MWh（德克萨斯）。年度荷电状态（SOC）分析显示，P-ETES的SOC分布更广（P10-P90为0.8265），而R-ETES因需维持最低SOC以提供所需温度，SOC>95%的时间超过10%。R-ETES的充电-放电周期以日循环为主，P-ETES则多天循环。

**4.2 技术经济评价**
- **氢气加热技术LCOH比较**：在氢气价格$4/kg时，P-ETES的LCOH最低（1.03￠/kW_th），其次为R-ETES（1.18￠/kW_th）和天然气加热器（1.54￠/kW_th），电热加热器（4.43￠/kW_th）和氢气燃烧加热器（>10￠/kW_th）显著更高。氢气价格降至$1/kg时，氢气燃烧加热器LCOH降至3.64￠/kW_th，仍高于ETES。
- **钢铁LCOP比较**：基准案例下，天然气加热器LCOP最低（$807.88/mt），R-ETES（$807.89/mt）和P-ETES（$808.44/mt）紧随其后，电热加热器（$816.01/mt）和氢气燃烧加热器（$832.05/mt）更高。铁矿石和氢气原料成本占LCOP的70%以上，资本支出贡献约$25/mt。
- **不同电网电价曲线影响**：采用MISO North和ERCOT 2030/2035/2040年曲线，LCOP变化<1$/mt，表明ETES对电价波动不敏感。但若将电价下限设为$0.01/kW_he，P-ETES的LCOH增幅更大（从1.03增至2.18￠/kW_th），R-ETES从1.18增至1.81￠/kW_th。
- **融资情景影响**：FOAK情景下LCOP升至约$925/mt，NOAK降至约$778/mt，表明技术成熟度显著影响经济性。
- **敏感性分析**：对R-ETES案例进行–25%/+50%范围敏感性分析，铁矿石和氢气价格是最大成本驱动因素（使LCOP变动达20%），其次为氢气压缩和加热系统资本。

**讨论与结论**
讨论部分指出，铁矿石和氢气价格波动相关于最终钢价，而氢气压缩和加热技术紧随其后影响LCOP，因此ETES系统值得进一步研究。与前期研究相比，本研究的LCOP预测低于Reznicek等（2023）的结果，主要归因于较低的DR原料价格和ETES带来的氢气预热成本降低。与Rosner等（2021）相比，LCOP较高，源于原料成本假设差异。研究结论表明，采用ETES的H₂DRI工厂LCOP在钢价基准范围内，具有商业可行性。

**结论部分翻译**
研究人员利用涵盖所有主要组件的建模框架，评估了采用不同氢气加热技术的H₂DRI钢铁厂的技术经济性能。由于氢气是钢价的主要成本驱动因素，详细研究了不同氢气加热技术的影响。研究发现，通过燃烧氢气对进入竖炉的氢气进行预热，会使钢铁LCOP在氢气价格$4/kg时增加约$25/mt；即使在氢气价格$1/kg时，LCOP仍比两种ETES技术高出约$5/mt，凸显了使用最昂贵原料进行预热的经济影响。采用ETES技术进行氢气加热与使用天然气相当（或可忽略地更贵），基准情景下钢铁LCOP约为$808/mt。虽然本研究中建模的ETES技术目前处于TRL 7–9，但需进一步研究其高温氢气工况下材料的兼容性。由于资本对LCOP的贡献约为$25/mt，需要先进的工程设计和高性能ETES实验验证，以确保可靠性并细化成本估算。在评估融资方案时，研究人员发现首次同类（FOAK）经济性能与第N次同类（NOAK）之间存在较大差距。基于FOAK的ETES工厂LCOP预测约为$925/mt，仍低于市场价（$941/mt），但利润空间较小；而NOAK的LCOP预测约为$778/mt，显著低于市场价。钢铁LCOP预测落在其市场售价范围内，初步评估了其商业可行性。基于此工作，建议进一步研究：H₂DRI-EAF炼钢与新兴热化学制氢技术的集成；基于实际数据的现有钢厂改造案例研究；ETES系统在氢气作为热交换流体（HTF）的实验验证；以及工厂工艺流程的优化，如耦合长时储能和现场发电。