印度钢铁行业氢基直接还原技术的技经评估：与天然气直接还原法的比较分析及政策支持措施

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Techno-economic assessment of hydrogen-based direct reduction for India’s steel sector: comparative analysis with natural gas DRI and policy enablers

　　•已建立用于评估氢基直接还原工艺可行性的技术经济框架。•针对印度100万吨/年的氢基直接还原工厂，开发了ASPEN PLUS模型。•研究了可再生能源电力、碳价格、负荷率以及绿色钢铁对相关产业的影响。•在当前条件下，50–60美元/吨的碳价格可使项目净现值呈正值。•在当前市场环境下，每吨40–50美元的绿色钢铁溢价也能带来正的净现值。

引言
全球面临着温室气体持续排放所带来的挑战，这些排放预计会加剧全球变暖，有研究显示本世纪全球平均气温可能比工业化前水平上升1.5℃[1]。2024年全球与能源相关的二氧化碳排放量约为37.8吉吨，这凸显了实现净零排放目标所需付出的巨大努力[2]。钢铁行业仍是碳排放最严重的行业之一，每年排放约2.6吉吨二氧化碳，约占全球能源系统总排放量的7%[3]。在传统钢铁制造过程中，每生产一吨粗钢平均会排放2.18吨二氧化碳，同时能耗约为21吉焦/吨。目前钢铁生产中可再生能源的占比还不到2%，各方正在努力进一步提升这一比例[4]。

普遍认为，钢铁行业的脱碳需要采取战略性措施，既要提升工艺效率，也要实现燃料替代。通过采用先进的炉子技术及余热回收等手段提升能效，有望迅速降低能源强度[5]。通过电弧炉提高废钢利用率，还能减少对原铁矿石的依赖，进一步降低排放[5]。从以煤炭为燃料的旋转窑直接还原工艺转向以天然气为燃料的直接还原工艺，是一种可行的过渡方案——在发展中国家如印度，这种转型可在充分利用现有竖炉基础设施的前提下，将二氧化碳排放量降低近50–70%[6]。

从长远来看，以氢气为原料的直接还原工艺是一条近乎零碳排放的路径，若使用可再生能源供电，其全生命周期内的二氧化碳排放量可低于每吨钢铁0.1吨[7]。此外，通过碳捕获、利用与封存技术，还可进一步减少高炉-转炉工艺及过渡性直接还原工艺中的剩余排放[8]。在竖炉中用氢气替代煤炭，是实现钢铁生产净零排放目标的重要一步[9]。如果氢气是通过可再生能源驱动的电解法生产的，且工艺过程中的热能也全部由电能提供，那么二氧化碳排放量就能大幅降低。此外，氢气还原氧化铁还能产出不含溶解碳的超纯铁，这与传统生铁有着明显区别[10]、[11]。MIDREX-H2和HYBRIT等全球性项目进一步证明了这一技术路线的可行性[12]、[13]、[14]。

然而，要在商业规模上推广氢基钢铁生产，仍存在诸多经济障碍：
•尽管预计成本会下降，但绿色氢气的生产仍需高额初始投资[15]。
•可再生能源电力的成本较高且供应具有间歇性，因此要实现具有竞争力的氢气生产，就需要较高的负荷率[8]。
•需要发展混合型电力购买协议及储能技术，以确保稳定的可再生能源供应[16]、[17]。
•碳定价、绿色钢铁溢价以及资本支出补贴等政策工具，对于弥补成本差距至关重要[18]、[19]。欧盟的RED III计划、创新基金以及欧盟氢能银行等举措，都体现了政策指令与金融工具如何加速氢基直接还原技术的应用[20]、[21]。

印度是全球第二大钢铁生产国，到2050年其钢铁产量预计将占全球总量的20%左右[22]。印度的钢铁生产主要以煤炭为燃料的旋转窑直接还原工艺为主，占比约为80%，因此印度的钢铁行业也是全球碳排放最严重的行业之一[23]、[24]。以煤炭为燃料的钢铁厂的碳排放强度往往超过2.5吨二氧化碳/吨钢铁，而全球平均水平约为1.8吨二氧化碳/吨钢铁[8]。印度的铁矿石和非炼焦煤主要集中在这五个邦：奥里萨邦、恰蒂斯加尔邦、贾坎德邦、卡纳塔克邦和西孟加拉邦，这些地区的资本成本较低，且该地区拥有印度86%的海绵铁生产能力[25]、[26]。

印度钢铁部2024年的发展路线图提出了实现绿色转型的路径，包括提升能效、整合可再生能源，以及逐步引入氢基技术[25]。近期出台的绿色钢铁分类标准明确了二氧化碳强度的阈值，并建立了“绿色程度”评级体系，有助于开展相关基准测试与认证工作。印度国家绿色氢能计划以及新能源和可再生能源部2024年的指导方针，为在直接还原工艺和高炉中应用氢气提供了支持，同时还拨款约5000万美元用于推动相关项目的规模化发展及技术可行性研究[27]。印度的IRADe等智库指出，由于印度以煤炭为燃料的直接还原工艺占据主导地位，且国内天然气供应不足，因此有必要采用混合型可再生能源电力购买协议，以确保电解槽的高效运行[6]。

意识到这一挑战，印度推出了国家绿色氢能计划以及氢基直接还原工艺的试点项目，同时还开展了全天候可再生能源电力拍卖，旨在确保稳定的可再生能源供应，从而在2070年前实现净零排放目标[16]、[27]。本文正是针对印度钢铁行业开展氢基直接还原工艺的技术经济评估，通过模拟在印度经济环境下的100万吨/年规模工厂，将该工艺与以天然气为燃料的直接还原工艺进行对比分析。

背景
普遍认为，要实现钢铁行业的深度脱碳，就需要摆脱对煤炭依赖的高炉-转炉工艺，转向以天然气为燃料的直接还原-电弧炉工艺，或是以氢气为驱动的工艺路线，同时还需提高废钢利用率，并采用碳捕获、利用与封存技术。世界钢铁协会2024年的可持续发展指标报告[5]中明确了相关绩效指标，充分体现了这些新技术在钢铁行业中的作用日益重要。

方法论：工艺建模
本研究采用了Thomassen等人[46]提出的技术经济框架，该框架有助于计算产能为100万吨/年的直接还原工厂的年度能源消耗及材料需求。本研究中所分析的工厂规模，与目前正在考虑建设的商业化工厂规模相当。此前在新西兰也曾开展过类似规模的氢基直接还原铁工厂的技术经济研究[40]。

方法论：经济分析
在对氢基直接还原工艺进行技术经济评估时，所使用的关键经济参数均基于标准的成本工程与财务评估方法。评估过程包括估算资本支出与运营支出，随后再结合各种财务假设，计算净现值、平准化生产成本等指标。氢基直接还原工艺的总资本成本，是通过汇总所有相关成本得出的。

结果与讨论
针对100万吨/年氢基直接还原工艺的净现值进行敏感性分析后，发现有三个主要的经济影响因素：资本支出、运营支出，以及直接还原铁的价格，如图1所示。该分析展示了这些参数的百分比变化对项目净现值的影响程度。其中，直接还原铁的价格对项目的可行性影响最为显著——如果直接还原铁的价格上涨25%，项目的净现值有望提高5亿美元。

局限性与未来工作
本研究是在印度特定的经济环境下，对天然气基直接还原工艺与氢基直接还原工艺进行的过程级技术经济评估，不过未来仍有一些局限性需要解决。目前的分析范围仅限于直接还原铁的生产环节，未涵盖后续的钢铁制造环节（如电弧炉炼钢），而这些环节可能会因废钢供应情况的不同而影响整体经济性与碳排放水平。此外，该分析假设系统处于稳态运行状态，没有考虑氢气储存或电网备用机制，而这些因素实际上可能会对工艺运行产生影响。

结论
本研究基于Aspen Plus软件构建了技术经济评估框架，用于评估氢基直接还原工艺在印度钢铁行业中的可行性，并将其与天然气基直接还原工艺以及以煤炭为燃料的直接还原工艺进行了对比。研究结果表明，在低碳电力支持的条件下，氢基直接还原工艺在技术上具备可行性，且对印度钢铁行业的深度脱碳具有重要战略意义，有望大幅降低二氧化碳排放量。不过，目前……

免责声明
本文中作者所表达的观点并不一定代表印度政府或其任何机构的立场。本文观点仅为作者个人意见，不代表壳牌公司或其附属公司的官方政策或立场。主要作者HK在印度理工学院罗帕尔分校攻读博士学位期间完成了此项研究，其分析结果基于公开资料。

生成式AI使用声明
在撰写本文时，作者使用了Copilot这一人工智能辅助工具来编辑文本并提升语言表达的清晰度。在使用该工具之后，作者对内容进行了必要的审核与修改，并对最终发表的文章内容承担全部责任。

作者贡献说明
Haris Kamal：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法设计、研究实施、形式化分析、数据整理、概念构建。Lene Hviid：写作——审稿与编辑、监督、方法设计、概念构建。Rutger Ijzermans：写作——审稿与编辑、监督。Asad H. Sahir：写作——审稿与编辑、监督、方法设计、概念构建。

资金支持
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者HK和AHS想要感谢Dhiraj K. Mahajan教授，是他向他们介绍了印度石油和天然气监管委员会的相关工作及其发布的报告。此外，作者HK和AHS还要感谢Cristina Nenu博士，她分享了在该领域的经验与见解。

Haris Kamal|Lene Hviid|Rutger Ijzermans|Asad H. Sahir