清華新聞網(wǎng)6月4日電（通訊員 王奕涵）鋼鐵行業(yè)主要依賴化石能源作為燃料及鐵礦石還原劑，是典型的難減排行業(yè)。氫基還原鐵技術使用氫氣作為還原劑，在煉鐵環(huán)節(jié)不造成碳排放，被視為實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度減排的關鍵技術。為確保氫基還原鐵技術的脫碳效果，需要保證充足的、基于可再生能源的綠氫供應。然而，我國可再生能源分布極為不均，且通過管道進行氫氣跨區(qū)域運輸?shù)募夹g尚不成熟。因此，氫基還原鐵技術的推廣受限于可再生能源分布，需要開展高分辨率的空間分析，探究最優(yōu)的氫基還原鐵技術部署及可再生能源供應方案。
為解決上述問題，清華大學環(huán)境學院溫宗國教授團隊提出了一系列在不同可再生能源類型、不同技術應用規(guī)模情景下的氫基還原鐵技術部署方案，并詳細評估方案的碳減排、生產(chǎn)成本及水資源消耗（圖1），研究揭示了可再生能源分布對氫基還原鐵技術部署的限制作用，并強調了制定合理技術應用規(guī)模的必要性。
圖1.研究框架（包括鋼鐵單元數(shù)據(jù)庫、可再生能源評估、可再生能源供應-需求模型、氫基還原鐵技術推廣方案制定、碳減排效果評估、水耗評估六個模塊）
研究團隊建立了鋼鐵生產(chǎn)單元模型，著重分析了現(xiàn)有高爐煉鐵工藝情況，并開發(fā)核算方法評估太陽能、風能和生物質能源在0.1°×0.1°分辨率，對基于氫基還原鐵技術的煉鐵工藝的制氫供應潛力。結果表明，我國太陽能、風電的年發(fā)電潛力，以及可用于制氫的生物質能的年產(chǎn)生量能夠滿足當前全國氫基還原鐵技術的制氫需求，但其分布呈現(xiàn)高度的地區(qū)不平衡特性，必須開展可再生能源的供需匹配分析以制定氫基還原鐵技術部署方案。
研究團隊設定了六種氫基還原鐵技術的部署情景，包括三種可再生能源供應（太陽能、風能、生物質能）以及兩種應用規(guī)模（溫和、激進）的組合，同時開發(fā)了可再生能源空間供需匹配模型，以確定各情景下需改造的煉鋼單元及需要部署可再生能源的區(qū)域。結果表明，在溫和的技術應用規(guī)模下，三種可再生能源均可以滿足技術的氫能需求。然而，若采用激進的技術應用規(guī)模，則不得不依賴額外的補充能源投入。這些補充能源占系統(tǒng)整體能源需求的1/3到1/2，會顯著影響氫基還原鐵技術的碳減排效果、經(jīng)濟成本與水耗。
圖2.六種氫基還原鐵技術部署方案的氫能需求量及能源投入構成
研究團隊評估了各情景下氫基還原鐵技術部署方案的碳減排潛力、成本與水耗。對于碳減排潛力指標，太陽能-溫和情景和風能-溫和情景的減排效益最大。然而，采取激進的應用規(guī)模會大幅增加排放水平。相對地，利用生物質能制氫方案的排放更高，這是由于生物質能的運輸和處理過程會造成額外的隱含碳排放。
對鋼鐵生產(chǎn)成本開展評估，結果表明，太陽能-溫和情景和風能-溫和情景的單位成本最低，與當前的高爐-轉爐煉鋼的成本相當。若考慮未來碳排放權交易的收益，應用氫基還原鐵技術的收益將更為顯著。然而，由于外購電網(wǎng)電價相較可再生能源發(fā)電更高，太陽能-激進與風能-激進情景的鋼鐵生產(chǎn)成本大幅提升。此外，由于生物質氣化與蒸汽重整-碳捕集和封存制氫工藝成本較高，使用生物質能用于氫基還原鐵技術的單位成本也較高。
圖3.氫基還原鐵技術部署方案成本及構成
最后，研究團隊探究了部署氫基還原鐵技術的水資源壓力。結果表明，氫基還原鐵技術在激進的應用規(guī)模下的水耗量遠高于溫和規(guī)模。這一結果充分體現(xiàn)了該技術在節(jié)水-降碳目標間的沖突關系，并會加劇個別地區(qū)的水資源沖突問題。綜上所述，應當設置合理的氫基還原鐵技術推廣目標，以實現(xiàn)低碳、高效益、低水耗的轉型模式。
圖4. 氫基還原鐵技術部署方案的整體水耗情況及單位減碳水耗
相關研究成果以“不均衡的可再生能源供應限制了氫基還原鐵技術的減碳潛力”（Uneven renewable energy supply constrains the decarbonization effects of excessively deployed hydrogen-based DRI technology）為題，于5月27日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學環(huán)境學院2022屆博士畢業(yè)生王奕涵和陳晨為論文第一作者，中國人民大學生態(tài)環(huán)境學院副教授陶媛和溫宗國為論文通訊作者。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59730-1
供稿：環(huán)境學院
編輯：李華山
審核：郭玲
