1 引言
工業(yè)領(lǐng)域占美國(guó)溫室氣體排放量的近四分之一，位列第三，僅次于交通運(yùn)輸和發(fā)電領(lǐng)域。美國(guó)能源信息署預(yù)測(cè)，隨著電力部門部署更多可再生能源發(fā)電設(shè)施，溫室氣體工業(yè)排放量可能超過發(fā)電排放量。與此同時(shí)，工業(yè)領(lǐng)域也可能將部分工藝流程電氣化。鋼鐵工業(yè)面臨重大挑戰(zhàn)。美國(guó)鋼鐵產(chǎn)量約占金屬總產(chǎn)量的95%，其二氧化碳排放量占美國(guó)工業(yè)總排放量的10%。此外，美國(guó)是全球第四大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，僅次于中國(guó)、印度和日本，但全球僅有4%的鋼鐵產(chǎn)自美國(guó)。盡管美國(guó)在全球鋼鐵產(chǎn)量中占比較小，但美國(guó)必須降低國(guó)內(nèi)生產(chǎn)排放以實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)。受可再生能源基礎(chǔ)設(shè)施材料需求推動(dòng)，預(yù)計(jì)美國(guó)國(guó)內(nèi)鋼鐵需求將增長(zhǎng)，這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了該行業(yè)脫碳的重要性。
在本研究中，模擬了在全經(jīng)濟(jì)范圍凈零排放目標(biāo)背景下美國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的脫碳路徑。大量研究探討鋼鐵生產(chǎn)的脫碳問題，但很少有關(guān)注該行業(yè)在更廣泛能源經(jīng)濟(jì)體系中的脫碳路徑。特別是，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要關(guān)注氫基直接還原鐵的生產(chǎn)，但這些研究在很大程度上沒有考慮電或氫的潛在競(jìng)爭(zhēng)性用途。這一邏輯在Shafiee與Schrag的研究中得到了佐證。該研究指出，氫能在凈零轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用范圍可能遠(yuǎn)沒有傳統(tǒng)觀點(diǎn)設(shè)想的那么廣泛。因此，在推進(jìn)全經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域脫碳的背景下，探索鋼鐵制造業(yè)及其他難減排行業(yè)的深度脫碳路徑至關(guān)重要。全球范圍內(nèi)，大多數(shù)鋼材產(chǎn)自綜合鋼廠，其生產(chǎn)過程包含三個(gè)主要的高排放環(huán)節(jié)：煉焦、煉鐵和煉鋼。具體流程為：煤炭在隔絕氧氣的環(huán)境中經(jīng)高溫加熱制成焦炭，隨后焦炭與鐵礦石、石灰石共同投入高爐冶煉生成鐵水。鐵水經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，與廢鋼混合進(jìn)行精煉。然后，加入氧氣以除去碳和雜質(zhì)，產(chǎn)生鋼水。整個(gè)工藝流程合計(jì)產(chǎn)生約2200kgCO2/t鋼，其中主要由高爐排放。高爐工藝的脫碳尤為困難，因?yàn)槠湟蕾囂荚貙?shí)現(xiàn)鐵礦石的化學(xué)還原反應(yīng)。盡管全球范圍內(nèi)綜合鋼廠是鋼鐵生產(chǎn)的主流工藝路線，但其在美國(guó)鋼鐵產(chǎn)量中的占比僅約30%。在美國(guó)，約70%的鋼鐵產(chǎn)自電弧爐，且有預(yù)測(cè)表明全球范圍內(nèi)最早至2050年，電弧爐鋼占比可達(dá)50%。電弧爐可熔煉廢鋼、直接還原鐵或兩者結(jié)合。直接還原鐵通過將團(tuán)塊鐵礦加入回轉(zhuǎn)窯或豎爐，并添加還原劑進(jìn)行還原反應(yīng)制得。當(dāng)前美國(guó)多數(shù)直接還原鐵裝置以天然氣作為熱源兼還原劑，但也可使用氫氣。直接還原鐵通常與廢鋼按目標(biāo)鋼材純度要求配比入爐，廢鋼本身提供碳源，若需補(bǔ)充碳元素，則向電弧爐添加含碳添加劑。該工藝排放強(qiáng)度主要取決于原料結(jié)構(gòu)及電力碳強(qiáng)度，噸鋼排放范圍達(dá)420-1950kgCO2。相較之下，全廢鋼冶煉不僅能耗更低，其碳排放量也遠(yuǎn)低于大量使用直接還原鐵的冶煉工藝路線。
高爐-轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程工藝中，碳捕集技術(shù)是當(dāng)前廣受研究的脫碳方案。盡管碳捕集技術(shù)尚未在高爐領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，但其在其他工業(yè)領(lǐng)域已取得顯著成效。Tata鋼鐵已在高爐上安裝了碳捕集裝置；而ArcelorMittal正在設(shè)計(jì)建設(shè)一套可捕獲高爐煤氣中50%-70%二氧化碳的碳捕集系統(tǒng)。國(guó)際能源署將高爐煤氣碳捕集技術(shù)的重要性認(rèn)定為“極高”，這對(duì)實(shí)現(xiàn)全球凈零排放目標(biāo)具有關(guān)鍵意義。
以零碳電力驅(qū)動(dòng)的全廢鋼電弧爐冶煉工藝可實(shí)現(xiàn)趨零排放。理論上高質(zhì)廢鋼能減少直接還原鐵需求，但廢鋼資源總量有限，且雜質(zhì)會(huì)在循環(huán)過程中不斷富集。迄今全球僅有兩座工業(yè)級(jí)直接還原鐵冶煉基地應(yīng)用碳捕集技術(shù)。值得注意的是，氫基直接還原鐵技術(shù)正獲得鋼鐵企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注，使用綠氫配合零碳電力的電弧爐冶煉，可將鋼鐵生產(chǎn)排放降至趨零水平。
創(chuàng)新型鋼鐵冶煉技術(shù)不斷涌現(xiàn)。熔融氧化物電解工藝通過向液態(tài)氧化鐵施加電流，直接分解產(chǎn)生液態(tài)鐵與純氧。盡管該技術(shù)尚未通過商業(yè)化規(guī)模驗(yàn)證，但初創(chuàng)企業(yè)Boston Metal計(jì)劃2024年前建成示范工廠，并力爭(zhēng)2026年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。采用零碳電力的熔融氧化物電解煉鋼工藝雖可實(shí)現(xiàn)趨零排放，但Boston Metal的設(shè)計(jì)方案仍需消耗少量天然氣滿足工藝輔助用能。該工藝仍將殘留部分化學(xué)過程排放（約80kgCO2/t鋼）。
本研究通過建模模擬了多組不同技術(shù)成熟度脫碳方案。據(jù)國(guó)際能源署評(píng)估：天然氣基直接還原鐵摻混氫氣方案技術(shù)成熟度為7級(jí)；純氫基直接還原鐵技術(shù)成熟度為5級(jí)；碳捕集型直接還原鐵技術(shù)成熟度達(dá)9級(jí)。熔融氧化物電解與電解沉積等電解冶煉技術(shù)成熟度預(yù)估為4級(jí)。鑒于電解沉積雖與熔融氧化物電解工藝原理不同，但二者均需高昂前期資本投入及巨量電力消耗，在相同模型條件下將呈現(xiàn)相似部署特征，故僅選取熔融氧化物電解作為建模對(duì)象。
學(xué)術(shù)界及政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)專家發(fā)布的諸多報(bào)告深入探討了鋼鐵行業(yè)未來脫碳路徑。美國(guó)能源部已發(fā)布多份工業(yè)脫碳專題報(bào)告，主要強(qiáng)調(diào)：要實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的趨零溫室氣體排放，必須采用多元化解決方案，包括能效提升、氫基直接還原鐵、碳捕集與封存技術(shù)、以及工業(yè)過程電氣化。這些技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用均需以工業(yè)級(jí)示范項(xiàng)目推進(jìn)與技術(shù)突破為前提。
當(dāng)前多數(shù)研究聚焦于單一鋼鐵脫碳技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，但少有研究能在全能源系統(tǒng)框架下對(duì)鋼鐵行業(yè)脫碳路徑進(jìn)行系統(tǒng)性建模。技術(shù)經(jīng)濟(jì)深度分析的代表性案例可見Elsheikh與Eveloy的研究：該團(tuán)隊(duì)基于五類差異化電力特征區(qū)域，對(duì)可再生能源驅(qū)動(dòng)的氫基直接還原鐵進(jìn)行建模。分析表明，相較傳統(tǒng)天然氣基直接還原鐵煉鋼，僅需增加10%成本即可實(shí)現(xiàn)70%的減排效果。Rosner團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析揭示了氫基直接還原鐵與天然氣競(jìng)爭(zhēng)所需的價(jià)格拐點(diǎn)：當(dāng)綠氫價(jià)格降至1.63-1.70美元/千克時(shí)方可實(shí)現(xiàn)成本對(duì)標(biāo)。核心脫碳路徑（電力/氫能/碳捕集）的可行性，本質(zhì)上取決于鋼鐵行業(yè)在終端應(yīng)用領(lǐng)域的資源競(jìng)爭(zhēng)力，這對(duì)于氫能尤為關(guān)鍵：作為普適性脫碳策略的氫能，當(dāng)前面臨綠氫產(chǎn)能不足的制約，其跨部門協(xié)同減排的最優(yōu)應(yīng)用場(chǎng)景仍存在不確定性。
能源系統(tǒng)優(yōu)化模型是模擬未來脫碳路徑的重要工具。該類模型基于技術(shù)參數(shù)（投資運(yùn)營(yíng)成本、排放因子、能耗水平及使用壽命）模擬技術(shù)部署路徑，通過優(yōu)化全經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行。然而，現(xiàn)有模型既未能精準(zhǔn)捕捉鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的工藝細(xì)節(jié)，也難以支撐深度減排目標(biāo)的路徑推演。
本研究采用全經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)優(yōu)化模型Temoa，在美國(guó)整體脫碳政策框架下，模擬美國(guó)鋼鐵行業(yè)的多維脫碳路徑（涵蓋氫基直接還原鐵、碳捕集及熔融氧化物電解技術(shù)）。主要探究以下3種問題：①通脹削減法案條款如何影響鋼鐵脫碳技術(shù)部署的機(jī)制；②何種鋼鐵脫碳技術(shù)有助于最小成本凈零排放能源系統(tǒng)；③量化特定技術(shù)可用性對(duì)鋼鐵行業(yè)全經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)脫碳貢獻(xiàn)率的影響規(guī)律。
2 材料和方法
2.1 模型和數(shù)據(jù)庫(kù)
本研究采用自下而上式、開源能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，能源模型優(yōu)化與分析工具對(duì)美國(guó)能源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。此類模型需輸入涵蓋全能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域技術(shù)的詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，其目標(biāo)函數(shù)致力于最小化能源系統(tǒng)運(yùn)行成本的全生命周期現(xiàn)值。模型核算成本包括能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的燃料成本、投資成本、固定運(yùn)維成本及變動(dòng)運(yùn)維成本。同類建模工具還包括MARKAL/TIMES模型、OSeMOSYS及MESSAGE。
分析采用的數(shù)據(jù)庫(kù)將美國(guó)能源系統(tǒng)劃分為六大領(lǐng)域：發(fā)電、燃料供應(yīng)、交通運(yùn)輸、商業(yè)建筑、住宅建筑及重工業(yè)。模型將美國(guó)本土劃分為九大區(qū)域，時(shí)間跨度覆蓋2020至2050年（以五年為周期階梯遞進(jìn)）。該模型采用近視化優(yōu)化求解策略，即在單周期內(nèi)進(jìn)行成本優(yōu)化時(shí)，不預(yù)判未來年度的約束條件、技術(shù)可行性及成本變動(dòng)。這種近視化求解機(jī)制可實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)更高精度的建模表征。
該數(shù)據(jù)庫(kù)包含整個(gè)能源系統(tǒng)中各項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性表征。模擬了以下制氫途徑：帶碳捕獲和不帶碳捕獲的蒸汽甲烷重整、電解水制氫以及結(jié)合碳捕獲的生物質(zhì)能制氫。對(duì)于大多數(shù)燃料，使用年度能源展望中關(guān)于化石燃料價(jià)格的外生預(yù)測(cè)；但Temoa模型內(nèi)生計(jì)算電力價(jià)格，生物質(zhì)成本則基于供應(yīng)曲線獲得。本研究還模擬了兩種二氧化碳移除技術(shù)。
2.2 鋼鐵行業(yè)建模方案
本研究從美國(guó)能源部發(fā)布的美國(guó)鋼鐵制造業(yè)能源使用與潛在節(jié)能機(jī)會(huì)能效潛力研究報(bào)告中獲取了焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐以及直接還原鐵生產(chǎn)過程的能耗數(shù)據(jù)。依據(jù)全球能源監(jiān)測(cè)的鋼鐵廠追蹤數(shù)據(jù)庫(kù)，描述了現(xiàn)有鋼鐵設(shè)施的年限、產(chǎn)能及其地理位置信息。相關(guān)碳捕獲參數(shù)取自Panja等人的研究，并假設(shè)直接還原鐵工藝的捕獲率為90%，高爐工藝的捕獲率為65%。對(duì)于需要非能源原料的生產(chǎn)工藝，其可變運(yùn)營(yíng)成本中包含了原料成本。除了鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)本身，本研究還表征了焦炭生產(chǎn)過程、鋼水澆鑄以及熱軋和冷軋環(huán)節(jié)的二氧化碳排放與能源消耗。由于Temoa并非全生命周期模型，其系統(tǒng)邊界不包括采礦、運(yùn)輸或更下游的加工環(huán)節(jié)。假設(shè)所有粗鋼均經(jīng)過熱軋?zhí)幚?，且其?0%的熱軋鋼會(huì)進(jìn)行冷軋加工。
本研究從2020年至2050年從普林斯頓大學(xué)的零凈美國(guó)報(bào)告中得到了鋼鐵需求。據(jù)悉，目前不存在區(qū)域或州級(jí)開源的鋼鐵需求數(shù)據(jù)。因此，盡管Temoa模型中其他所有需求均已區(qū)域化，本研究?jī)H對(duì)國(guó)家層面的鋼鐵總需求進(jìn)行建模。實(shí)際操作中，這意味著鋼鐵可以在美國(guó)任何地方生產(chǎn)以滿足全國(guó)總需求。若未來可獲得分區(qū)域數(shù)據(jù)，此建模方案將進(jìn)行相應(yīng)更新?；跉v史平均消費(fèi)量，將廢鋼年消耗量限制在5500萬(wàn)公噸。
2.3 通脹削減法案政策建?？蚣?/p>
通脹削減法案徹底改變了美國(guó)的能源政策格局。其中與本研究最相關(guān)的條款是清潔氫生產(chǎn)稅收抵免和碳捕獲稅收抵免。本研究還模擬了針對(duì)新建可再生能源發(fā)電的生產(chǎn)稅收抵免和投資稅收抵免、針對(duì)現(xiàn)有核能發(fā)電的生產(chǎn)稅收抵免，以及零排放乘用車和商用車的稅收抵免政策。雖然這些政策并非直接針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域，但針對(duì)經(jīng)濟(jì)中某一領(lǐng)域的政策仍可能影響鋼鐵生產(chǎn)。
2.4 情景概覽
本研究模擬了多種情景，以探究不同鋼鐵脫碳技術(shù)路徑的成本與排放影響。首先，建立了一個(gè)現(xiàn)行政策情景，隨后，模擬了多個(gè)覆蓋整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的二氧化碳當(dāng)量?jī)袅闩欧徘榫?。Temoa模型核算了整個(gè)能源系統(tǒng)的二氧化碳排放，以及天然氣系統(tǒng)上游甲烷泄漏所產(chǎn)生的排放。嚴(yán)格區(qū)分“零排放”與“凈零排放”：凈零排放允許存在正排放，只要這些排放能被碳移除技術(shù)所抵消，這些技術(shù)包括碳捕集與封存的生物質(zhì)能或直接空氣捕集。在每一個(gè)凈零排放情景中，設(shè)定強(qiáng)制性約束，要求排放量從2020年水平開始線性遞減，至2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。
第一個(gè)凈零排放情景允許使用所有可行的鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)方案。接下來，測(cè)試了三種情景，限制使用不同的脫碳技術(shù)方案，以探究在特定技術(shù)受限或未能按預(yù)期成熟時(shí)的影響機(jī)制。考察了高爐不允許應(yīng)用碳捕集技術(shù)情景；高爐和直接還原鐵生產(chǎn)均不允許應(yīng)用碳捕集技術(shù)情景；鋼鐵行業(yè)既不允許應(yīng)用碳捕集，也不允許應(yīng)用材料或能源替代情景；不限制可用廢鋼供應(yīng)量情景；以及廢鋼供應(yīng)量受到限制，低于歷史可用量水平情景。最后，通過禁用生物質(zhì)能碳捕集與封存技術(shù)來強(qiáng)制推動(dòng)更直接的脫碳路徑。在此情景下，本研究還規(guī)定在2040年前禁止使用直接空氣捕集，但允許在2045年和2050年有限度地應(yīng)用直接空氣捕集。這是因?yàn)樵诋?dāng)前Temoa模型中，若完全不采用任何二氧化碳移除技術(shù)，整個(gè)能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)凈零排放是不可行的。
3 結(jié)果和討論
3.1 鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)
圖1展示了模擬情景下的鋼鐵產(chǎn)量。在當(dāng)前的政策中，該模型在早期對(duì)部分高爐產(chǎn)能部署了碳捕集技術(shù)。在這種情況下，未配備碳捕集技術(shù)的天然氣基直接還原鐵-電弧爐年產(chǎn)量將擴(kuò)大至400萬(wàn)噸，接近鋼鐵總產(chǎn)量的5%。
在大多數(shù)凈零排放情景中，廢鋼電弧爐和高爐+碳捕集轉(zhuǎn)爐技術(shù)在整個(gè)分析周期內(nèi)主導(dǎo)鋼鐵生產(chǎn)，其他技術(shù)僅貢獻(xiàn)少量產(chǎn)量。該模型還包含限制氫基設(shè)施部署速度的約束條件。因此，氫能將優(yōu)先分配到能創(chuàng)造最大成本優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。而剩余氫能將以較低比例滲透到其他經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。
研究結(jié)果表明，在當(dāng)前成本假設(shè)且所有技術(shù)均可用的條件下，在全經(jīng)濟(jì)體系凈零排放約束下，直接還原鐵并非最具成本效益的選擇。盡管高爐配備碳捕集技術(shù)仍存在殘留排放，模型仍判定該路徑成本最低。在高爐或直接還原鐵無法應(yīng)用碳捕集的情景中，模型將轉(zhuǎn)向熔融氧化物電解和氫基直接還原鐵。除非氫基直接還原鐵成為唯一可用的脫碳選項(xiàng)（即無碳捕集、無熔融氧化物電解），否則模型不會(huì)大規(guī)模采用該技術(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，Temoa模型框架假設(shè)存在中央決策者對(duì)整個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化決策。而現(xiàn)實(shí)中，眾多市場(chǎng)主體將自主制定脫碳策略并參與多元市場(chǎng)，因此鋼鐵企業(yè)可能面臨鼓勵(lì)部署氫基直接還原鐵的金融環(huán)境。圖2展示了按成本構(gòu)成分解的鋼鐵生產(chǎn)成本，量化了驅(qū)動(dòng)脫碳技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)因素。該圖揭示：電力、天然氣、廢鋼及其他可變成本（主要為原料成本）構(gòu)成絕對(duì)主導(dǎo)，其規(guī)模遠(yuǎn)超新建設(shè)施的固定成本與其他投資成本。
在模型的時(shí)間跨度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最低成本的凈零排放情景下，鋼鐵生產(chǎn)成本較現(xiàn)行政策情景高出約7%，相當(dāng)于2020年美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的0.15%。而在成本最高的凈零排放情景中，鋼鐵生產(chǎn)成本比現(xiàn)行政策情景增加約20%。
圖3（a）展示了模型時(shí)間跨度內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)的累計(jì)溫室氣體排放情況。在所有情景中，天然氣燃燒產(chǎn)生的直接排放均占據(jù)最大份額。值得注意的是，超過50%的排放屬于非天然氣類直接排放，具體包括：焦炭燃燒、石灰石/熔劑分解、以及氧氣將碳氧化為二氧化碳的工藝排放。在采用氫能煉鋼的凈零情景中，氫氣本身不產(chǎn)生排放，因其通過零排放電解或生物能碳捕集制氫工藝生產(chǎn)。所有凈零情景下鋼鐵排放均顯著下降，但未能完全歸零。圖3（b）展示了2050年整個(gè)經(jīng)濟(jì)體的排放量，以將鋼鐵排放量置于更廣泛的經(jīng)濟(jì)體中，突顯生物能碳捕集受限，直接空氣捕集情景實(shí)現(xiàn)的直接減排成效。
圖4展示了2050年的氫氣消耗量。氫主要用于重型燃料電池車輛，工業(yè)過程供熱，以及航空，航運(yùn)，商業(yè)和住宅建筑的合成燃料。在生物能源碳捕集和直接空氣捕集部署受限的情況下，該模型產(chǎn)生的氫氣比其他凈零情況下更多，大部分額外的氫氣用于工業(yè)過程加熱或燃燒發(fā)電。
3.2 綠氫直接還原鐵技術(shù)推廣
鑒于氫基直接還原鐵作為鋼鐵生產(chǎn)脫碳關(guān)鍵技術(shù)日益受到關(guān)注，本研究模擬了針對(duì)100%綠氫直接還原鐵工藝制定的綠鋼生產(chǎn)稅收抵免政策。這些模擬設(shè)定每噸鋼材100-400美元不等的抵免額度，分析Temoa模型選擇部署氫基直接還原鐵作為脫碳策略的臨界條件。該稅收激勵(lì)政策在整個(gè)模型周期內(nèi)持續(xù)有效。
當(dāng)每噸100-200美元的綠鋼稅收抵免與通脹削減法案的綠氫稅收抵免疊加時(shí)，氫基直接還原鐵技術(shù)在2025-2039年間實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。然而在此抵免額度下，隨著法案稅收優(yōu)惠到期，氫基直接還原鐵+電弧爐工藝的年產(chǎn)量占比將萎縮至不足5%。該情景設(shè)定存在現(xiàn)實(shí)局限性，鋼鐵企業(yè)通常不會(huì)在設(shè)備經(jīng)濟(jì)使用壽命結(jié)束前廢棄直接還原鐵裝置；若缺乏持續(xù)激勵(lì)政策推動(dòng)零排放氫能應(yīng)用，企業(yè)更可能轉(zhuǎn)而采用蒸汽甲烷重整制氫或天然氣。
通脹削減法案可能通過規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)學(xué)習(xí)降低氫基技術(shù)成本，但若缺乏持續(xù)政策支持或顯著成本削減，這些技術(shù)仍可能失去成本競(jìng)爭(zhēng)力。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)：在通脹削減法案政策之外仍需清潔技術(shù)扶持機(jī)制，且需深入分析該法案的長(zhǎng)期效應(yīng)。當(dāng)稅收抵免額達(dá)到300美元/噸時(shí)，模型開始穩(wěn)定采用氫基直接還原鐵技術(shù)；而只有當(dāng)?shù)置忸~提升至400美元/噸時(shí)，氫基直接還原鐵才成為主導(dǎo)路徑，該額度相當(dāng)于2023年二季度鋼材均價(jià)的60.8%，屬于高額補(bǔ)貼。
4 結(jié)論
氫能作為多行業(yè)脫碳的潛在戰(zhàn)略載體，其應(yīng)用場(chǎng)景包括：驅(qū)動(dòng)燃料電池車輛、制備合成燃料、作為天然氣摻混組分以及燃燒發(fā)電。當(dāng)前制氫過程成本高昂且能耗密集，引發(fā)關(guān)鍵問題：在實(shí)現(xiàn)全經(jīng)濟(jì)體系凈零溫室氣體排放目標(biāo)時(shí)，氫能的最優(yōu)部署領(lǐng)域是什么？經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)建模顯示，氫基直接還原鐵并非優(yōu)先方案，氫能資源將優(yōu)先配置于交通運(yùn)輸部門及工業(yè)過程供熱及鍋爐領(lǐng)域。
為評(píng)估綠鋼生產(chǎn)稅收抵免對(duì)氫基直接還原鐵經(jīng)濟(jì)性推廣的激勵(lì)效能，模擬了基于零排放電力制氫工藝、每噸鋼材100-400美元的補(bǔ)貼方案。當(dāng)?shù)置忸~度為100美元/噸時(shí)，通脹削減法案有效期內(nèi)可驅(qū)動(dòng)模型部署氫基直接還原鐵。此結(jié)論揭示了氫基技術(shù)持續(xù)政策扶持的必要性，以及深化研究通脹削減法案長(zhǎng)期技術(shù)學(xué)習(xí)率影響的迫切需求。
在全經(jīng)濟(jì)體系凈零排放約束條件下，2020至2050年間鋼鐵行業(yè)年溫室氣體排放量下降約60%，這揭示了實(shí)現(xiàn)整體能源經(jīng)濟(jì)凈零目標(biāo)與單一行業(yè)深度脫碳之間的本質(zhì)性矛盾。盡管發(fā)電等部分行業(yè)可實(shí)現(xiàn)完全脫碳，但研究證明：通過碳移除技術(shù)抵消部分鋼鐵排放具有成本優(yōu)勢(shì)。本研究揭示了氫能助力美國(guó)鋼鐵行業(yè)脫碳的實(shí)施條件：基于當(dāng)前參數(shù)設(shè)定，需300美元/噸鋼材以上的生產(chǎn)稅收抵免方可推動(dòng)氫基直接還原鐵大規(guī)模部署。
此外，雖然全經(jīng)濟(jì)模型能夠?yàn)殇撹F行業(yè)脫碳提供系統(tǒng)級(jí)分析，但本研究方法存在若干局限：技術(shù)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化，在全經(jīng)濟(jì)模型中模擬技術(shù)細(xì)節(jié)需進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)以降低計(jì)算需求。盡管技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)來源于行業(yè)和文獻(xiàn)資料，但鋼鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)性會(huì)因地方層級(jí)差異、部署時(shí)間點(diǎn)和工廠規(guī)模而變動(dòng)，而本模型僅聚焦美國(guó)整體層面。關(guān)鍵技術(shù)成本不確定性：熔融氧化物電解及電解制氫技術(shù)成本軌跡存在顯著不確定性，碳捕集與封存成本同樣不確定（尤其缺乏大規(guī)模部署驗(yàn)證）?；诿绹?guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)估算的地質(zhì)封存總量存在精度局限，氣態(tài)封存的長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍不明確。未來研究需對(duì)這些不確定性展開深度探究。
盡管仍需深入研究，但研究結(jié)果對(duì)以下觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)：從整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的角度考量氫氣的替代用途時(shí)，氫基直接還原技術(shù)能為美國(guó)鋼鐵行業(yè)提供最具成本效益的脫碳解決方案。本研究表明，盡管氫基直接還原鐵技術(shù)獲得了大量關(guān)注和資金投入，但除非出現(xiàn)重大技術(shù)突破與成本下降、其他脫碳方案表現(xiàn)不佳、無法實(shí)施或出現(xiàn)變革性技術(shù)實(shí)現(xiàn)其他行業(yè)脫碳從而釋放綠氫資源用于直接還原鐵工藝，否則該技術(shù)可能并非實(shí)現(xiàn)2050年全經(jīng)濟(jì)體系凈零排放的最低成本路徑。研究結(jié)果預(yù)示，除非成本發(fā)生重大變化，否則碳捕集與封存技術(shù)在脫碳綜合煉鋼工藝中將扮演重要角色；若高爐碳捕集因既有工廠布局和配置的困難而被證明不可行，則配備碳捕集的天然氣直接還原鐵也可能發(fā)揮重要作用。僅當(dāng)碳捕集技術(shù)不可用且廢鋼供應(yīng)受限時(shí)，本研究預(yù)測(cè)氫氣在美國(guó)直接還原鐵生產(chǎn)中會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，而這種情況可能限制鋼鐵行業(yè)在實(shí)現(xiàn)美國(guó)本世紀(jì)中葉凈零目標(biāo)中的作用。
