鋼鐵行業(yè)是碳密集型行業(yè)，2020年鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放約占全球二氧化碳排放量的7%。鋼鐵行業(yè)的大部分二氧化碳排放來自高爐中鐵礦石的還原，高爐使用焦炭通過能源和碳的化學反應還原鐵礦石。直接還原鐵-電爐工藝流程的碳強度低于傳統(tǒng)的高爐-轉(zhuǎn)爐工藝，通過使用可再生能源為電爐提供動力，碳強度有可能進一步降低。在直接還原鐵生產(chǎn)過程中使用氫氣作為唯一的還原劑已經(jīng)在小范圍內(nèi)得到了驗證，而使用可再生能源生產(chǎn)電解氫氣（通過用電將水分解成氧氣和氫氣的過程產(chǎn)生的氫氣）將在任何鋼鐵生產(chǎn)脫碳的努力中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

一、四個國家（地區(qū)）特征

本文研究了《2021年國際能源展望》中的四個國家（地區(qū)）：中國， 日本， 韓國和經(jīng)合組織 歐洲國家。選擇這些地區(qū)，要么是因為它們的鋼鐵工業(yè)的規(guī)模、鋼鐵工業(yè)的構(gòu)成，要么是因為它們宣布了鋼鐵生產(chǎn)的脫碳計劃。

中國：生產(chǎn)了全球一半的粗鋼，并將在任何改變?nèi)蜾撹F生產(chǎn)方式的努力中扮演關(guān)鍵角色。截至2019年，中國的鋼鐵生產(chǎn)嚴重依賴煤炭，主要通過帶有高爐和轉(zhuǎn)爐的綜合鋼廠生產(chǎn)了近90%的粗鋼。中國的高爐-轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能也相對較新，平均在15年；其鋼鐵生產(chǎn)裝備的使用壽命一般超過40年。然而，只有在大約使用25年后鋼廠才會做出額外投資的決定，更換高爐爐襯，才能達到40年的使用壽命。這一大修的成本大約是新建高爐成本的一半，并且需要高爐停產(chǎn)很長一段時間。如果中國的鋼鐵企業(yè)決定停止使用高爐，而不是更換耐火爐襯，向替代技術(shù)的轉(zhuǎn)型可能會更快。

中國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展始于2000年左右。中國鋼鐵工業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，幫助城市地區(qū)建設(shè)了新的基礎(chǔ)設(shè)施和摩天大樓，所有這些都需要大量的鋼材。鋼鐵產(chǎn)品的使用壽命很長，這意味著中國自工業(yè)化時期開始生產(chǎn)的大部分鋼鐵產(chǎn)品仍被用于重型設(shè)備、橋梁和建筑，只有很少的報廢鋼鐵可以回收利用。然而，在未來幾年，我們預計中國將有越來越多的廢鋼可供回收，這將有助于減少其用煤的粗鋼份額。此外，中國重工業(yè)產(chǎn)業(yè)（包括鋼鐵工業(yè)）的脫碳將有助于中國實現(xiàn)其宣布的凈零碳目標。

在本文分析研究的情景中，中國電爐生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量份額將從2020年的約13%增加到2050年的50%。在中國，如此大規(guī)模的鋼鐵生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型將極具挑戰(zhàn)性，需要大量氧氣轉(zhuǎn)爐在正常的報廢之前退役。另一個挑戰(zhàn)是擴大電爐數(shù)量以及增加生產(chǎn)電解氫和為電爐供電所需的大量太陽能和風能的投資。盡管如此，鑒于中國在全球鋼鐵行業(yè)中極大的重要性，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的情景會對能源格局產(chǎn)生更廣泛的影響。

日本和韓國：兩國都有成熟的鋼鐵工業(yè)，主要依靠高爐-轉(zhuǎn)爐進行鋼鐵生產(chǎn)。在本文分析中，兩國鋼鐵工業(yè)的能源消耗方式可以通過電爐生產(chǎn)更多的鋼實施積極的轉(zhuǎn)型。此外，這兩個國家都正式承諾要在鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)脫碳目標。日本已承諾將其能源經(jīng)濟轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾噹в刑疾东@與封存（CCS）的通過化石燃料生產(chǎn)的氫氣和以及基于可再生能源的氫氣，這使得基于電解氫氣的直接還原鐵成為其整體氫氣目標中可能的組成部分。日本的公司已經(jīng)承諾投資一個強大的氫經(jīng)濟，這也將涉及工業(yè)產(chǎn)業(yè)。同樣，韓國也勾勒出了氫經(jīng)濟路線圖，以努力遏制溫室氣體排放。對目前的分析很重要的是，以浦項為首的韓國鋼鐵工業(yè)已經(jīng)宣布了建設(shè)氫氣生產(chǎn)能力的計劃，作為這一努力的一部分。

2019年，日本主要使用高效高爐生產(chǎn)其鋼鐵產(chǎn)品——日本76%的粗鋼是通過高爐-轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)的。然而，日本是一個成熟的經(jīng)濟體，其很多基礎(chǔ)設(shè)施將需要在預測期內(nèi)退役，這意味著廢鋼的供應將保持在較高水平，這可能會支持低碳足跡鋼的生產(chǎn)。韓國與日本在鋼鐵技術(shù)和資源獲得方面有相似之處。與日本一樣，韓國主要利用高效高爐生產(chǎn)高水平的鋼鐵產(chǎn)品，2019年韓國生產(chǎn)的粗鋼中有68%來自高爐-轉(zhuǎn)爐工藝。

日本在達到這些情景中假定的電解生產(chǎn)氫方面面臨挑戰(zhàn)。在本次分析的四個國家（地區(qū)）中，日本的工業(yè)電價最高，其次是韓國。作為一個地理上的島國，日本可能會遇到土地資源的限制，無法建設(shè)大規(guī)模的風力和太陽能發(fā)電場，以滿足假設(shè)情況下所需的可再生能源。相反，它可能需要大型海上風電項目或進口中間產(chǎn)品，如熱壓塊鐵或氫氣。像日本一樣，韓國可能也沒有足夠的土地來建立大規(guī)模的可再生能源發(fā)電場。

經(jīng)合組織歐洲國家：在本項分析中的經(jīng)合組織歐洲國家，其成員國如德國鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將政府資金投入到綠色鋼鐵-低碳足跡的鋼鐵產(chǎn)品中試項目中。安塞樂米塔爾集團致力于在德國漢堡鋼廠利用可再生能源生產(chǎn)的氫氣生產(chǎn)綠色鋼鐵產(chǎn)品；瑞典公司的HYBRIT項目已經(jīng)向客戶交付了低碳足跡鋼材。

經(jīng)合組織歐洲國家在向低碳鋼鐵生產(chǎn)轉(zhuǎn)型方面處于有利地位，其優(yōu)勢在于：

★風能和太陽能項目有足夠的土地資源；

★有充足的廢鋼供應；

★現(xiàn)有的天然氣管道可以將氫氣輸送給工業(yè)用戶；

★更嚴的二氧化碳排放政策。

德國政府已經(jīng)承諾為其鋼鐵行業(yè)的脫碳提供資金，其中氫氣的使用是一個關(guān)鍵組成部分。截至2019年，經(jīng)合組織歐洲國家在本文分析的地區(qū)中，高爐-轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)的粗鋼份額為52%。即使有了起步優(yōu)勢，該地區(qū)仍將需要在擴大可再生能源產(chǎn)能方面進行大量投資，以滿足在假設(shè)對更大份額可再生能源驅(qū)動的電爐鋼和電解氫氣生產(chǎn)的需求。

二、鋼鐵工業(yè)能源消耗

在本文研究的所有區(qū)域，無論是EAC情景還是DAC情景，2020年至2050年（即IEO2021的預測期），煤炭使用量普遍下降，而鋼鐵行業(yè)的電力使用量增加。煤炭和電力消耗的這些變化是由于在兩種替代情景下電爐鋼產(chǎn)量增加的假定條件下發(fā)生。在這些情景下，天然氣消耗增加將超過參考情景，因為電爐鋼產(chǎn)量增加意味著需要用更多的直接還原鐵，以補償轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量下滑。此外，根據(jù)EAC情景更早實現(xiàn) （到2030年）可再生能源生產(chǎn)的氫氣成本與基于化石燃料生產(chǎn)的氫氣成本一致的更大膽假設(shè)，而天然氣消費趨勢略低于DAC情景，電力消費略高于DAC。發(fā)生這種變化是因為我們假設(shè)可再生能源生產(chǎn)的氫氣成本更早達到化石燃料成本，這意味著氫氣產(chǎn)量和可再生能源發(fā)電量增加，并導致利用重整天然氣生產(chǎn)的直接還原鐵減少。

在另一種情景下，中國鋼鐵行業(yè)的整體能源強度下降，這是由轉(zhuǎn)向能源強度較低的電爐生產(chǎn)推動的。然而，這種能源強度下降受到直接還原鐵產(chǎn)量增長所需的天然氣增長緩慢的限制。日本、韓國和經(jīng)合組織歐洲國家總體能源強度的相對變化大于中國，因為其電爐鋼和轉(zhuǎn)爐鋼份額變化更大。

鋼鐵工業(yè)作為一個碳密集型產(chǎn)業(yè)，采用廢鋼的電爐生產(chǎn)流程比采用高爐-轉(zhuǎn)爐流程的碳強度和能源強度低得多。鋼鐵目前已經(jīng)是世界上回收利用最多的材料，進一步降低鋼鐵行業(yè)碳強度的努力必須包括更多的廢鋼回收利用。但是廢鋼回收是有限度的。廢鋼回收的有限性和廢鋼冶煉的鋼材潔凈度的關(guān)注，使得采用其他低碳強度工藝生產(chǎn)高純度粗鋼成為必要選擇。

為了實現(xiàn)這些目標，在本文分析中，重點關(guān)注使用可再生能源提高電爐鋼產(chǎn)量，并使用由可再生能源供電的電解氫還原生產(chǎn)直接還原鐵補充廢鋼原料不足。通過以下方式量化了四個國家（地區(qū)）鋼鐵行業(yè)不同的二氧化碳減排潛力：

★增加電爐爐料中使用的直接還原鐵比例；

★增加直接還原鐵生產(chǎn)中使用的可再生能源生產(chǎn)的氫氣用量；

★增加用于電爐冶煉的可再生能源使用。

對四個國家（地區(qū)）研究的情景展示了各個地區(qū)鋼鐵行業(yè)所需新增可再生能源的數(shù)量存在差異，且其取決于所在區(qū)域的電力構(gòu)成。例如，從《國際能源展望2021》給出的參考情景來看，到2050年，韓國碳強度降低22%需要新增25%的可再生能源發(fā)電量，而在經(jīng)合組織中的歐洲國家，碳強度降低30%以上只需要增加9%的可再生能源發(fā)電量。

盡管沒有詳細說明氫氣的生產(chǎn)、運輸、儲存或分配，但這些情景說明了相對于參考情景的結(jié)果，鋼鐵行業(yè)部分脫碳存在區(qū)域性差異。與參考情景相比，到2050年，中國粗鋼生產(chǎn)的碳強度下降14%，日本下降24%，韓國下降22%，經(jīng)合組織歐洲國家下降31%。但碳強度的降低意味著要求對四個國家（地區(qū)）鋼鐵生產(chǎn)過程控制以及對可再生能源發(fā)電進行投資。

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