美国科研新进展：低碳氢助力钢铁和氨生产的经济性分析

本文通过分析多种制氢路线，为钢铁和氨生产的脱碳提供经济可行性方案，助力工业可持续发展。

　　### 低碳氢在钢铁和氨生产中的研究进展
在全球努力实现净零经济的背景下，减少工业排放成为关键任务。工业领域的温室气体（GHG）排放占比可观，其中钢铁和氨生产是重要的排放源。钢铁生产约占全球 GHG 排放的 7% - 9%，2021 年美国钢铁生产的排放占比达 10%；氨生产虽占全球 GHG 排放约 2%，但也是不可忽视的部分。

研究背景

为了降低这些排放，可再生电力、氢气和碳捕获与封存（CCS）成为关键技术方向。利用可再生能源驱动电解水制氢，进而应用于钢铁和氨生产，被视为极具潜力的脱碳途径。一方面，可再生技术成本在过去二十年显著下降，全球加权平均总安装成本在 2010 - 2021 年间，公用事业规模太阳能光伏（PV）和陆上风能项目分别降低了 82% 和 35%。另一方面，美国《通货膨胀削减法案》（IRA）为可再生、清洁氢生产和 CCS 项目提供了重要的税收抵免，推动了这一领域的发展。

研究方法

本研究综合运用多种方法，构建了一个全面的数学建模框架。该框架整合了美国能源部（DOE）多个国家实验室的工具，涵盖可再生能源和氢气系统、氢气运输、终端使用、整合及生命周期评估（LCA）等多个模块。

在技术经济分析（TEA）方面，研究考虑了多种氢气生产路线，包括基于化石燃料的路线（如蒸汽甲烷重整（SMR）有无 CCS、自热重整（ATR）有 CCS）、电网供电电解（有无现场可再生能源）以及离网可再生驱动电解。针对不同路线，研究详细分析了其成本和排放情况。

研究选取了美国五个具有不同资源特点的地区，即印第安纳州、西得克萨斯州、爱荷华州、密西西比州和明尼苏达州，对这些地区的氢气生产进行了深入研究。

研究结果

在成本方面，研究表明，在当前技术成本下，有 IRA 激励时，离网可再生驱动的电解氢生产在多个地区可与基于化石燃料的制氢路线竞争。以 2035 年为例，在得克萨斯州和明尼苏达州，即使没有激励措施，离网电解氢生产也可能在成本上与化石燃料路线相媲美。

从不同生产路线的成本比较来看，对于氢气生产，在没有税收激励的情况下，得克萨斯州和明尼苏达州凭借丰富的可再生资源、较低的电解槽成本和地质储氢优势，在可再生驱动制氢方面表现出较强竞争力。离网生产路线成本普遍低于电网供电的生产路线，这是因为现场可再生能源的电力成本低于预估的电网零售电价。对于钢铁生产，尽管得克萨斯州氢气生产成本低，但由于铁矿石运输成本高，其钢铁生产成本并非最低。而在有最大 IRA 激励时，所有地区采用离网电解制氢路线都能实现与 SMR 无 CCS 时相当的钢铁生产成本。对于氨生产，所有地区在当前技术和最大激励下，离网电解制氢路线与 SMR 和 ATR 有 CCS 的路线相比都具有竞争力，得克萨斯州和明尼苏达州在 2035 年即使没有激励，该路线也能直接与化石燃料路线竞争。

在排放方面，研究对氢气、钢铁和氨生产的生命周期排放进行了分析。SMR 和 ATR 有 CCS 以及所有电解制氢方法的生命周期排放都远低于 SMR。不过，离网生产路线由于太阳能 PV 容量较高，导致间接排放增加，其范围 3 和总体排放略高于并网生产路线，但两者差异较小，且都能实现较低排放。

研究讨论

研究发现，电解制氢要与 SMR 竞争，需要满足多个关键条件。一是氢气系统的存储和运输成本要低，理想情况下，选址应具备丰富的可再生资源和可用的地质储氢设施。二是如果项目缺乏廉价储氢选择，采用压力罐存储时，可通过改进终端使用工艺的灵活性来减少对存储容量的需求，例如钢铁生产可采用 MIDREX Flex 技术实现间歇性批量操作，氨生产可使用适合低温低压操作的催化剂和先进过程控制技术。三是钢铁厂选址靠近低成本铁矿石来源至关重要，因为铁矿石运输成本在钢铁生产成本中占比较大；而氨生产的成本主要取决于氢气成本，对非氢气原料的 proximity 相对不敏感。

同时，本研究也存在一定的局限性。研究结果高度依赖假设的财务参数，未来电网电价零售价格存在很大不确定性。此外，研究对盐穴和衬砌岩洞存储成本的估计可能与实际情况存在偏差，碳封存成本也有类似问题。研究采用的参数优化方法在子系统容量优化方面存在一定局限性，且仅考虑了美国五个地区，未对全球其他地区进行全面分析。

研究展望

尽管存在挑战，但本研究为钢铁和氨生产的脱碳提供了重要的参考。未来，随着技术的进一步发展和成本的降低，可再生驱动的电解制氢有望在工业领域发挥更大的作用。进一步研究可针对本研究的局限性展开，如更准确地预测未来电网电价、深入分析不同地区的地质存储成本、优化子系统容量配置等。此外，拓展研究范围至全球其他地区，结合各地的资源特点和政策环境，将为工业脱碳提供更全面的解决方案，推动全球可持续发展目标的实现。