世界上首个无化石燃料生产的钢材于8月底被交付给瑞典汽车制造商沃尔沃集团，这款钢材由瑞典钢铁生产商HYBRIT生产，被冠以“绿钢”名号。虽然绿钢生产还是在试验项目的阶段，但是此次交付具有里程碑式意义，是目前为止最接近商业化的尝试。这家瑞典公司也准备在2026年前建成无化石燃料使用的商业示范钢厂。本文会就绿钢的实现路径和背景简要介绍，也尝试结合国内外碳定价的最新进展，对欧盟和中国在钢铁行业的去碳化努力进行比较和分析。

绿钢的生产：减排过程与实现路径

钢铁生产的碳排放来自哪里？传统钢铁生产流程中最大的碳排放来自于钢铁生产过程中。以高炉炼钢为例，铁矿石原料的处理和煤炭炼焦都需要化石燃料提供热能，将铁从铁矿石中还原出来的过程也需要使用化石能源以及石灰石，这些碳基燃料和辅助料的燃烧会产生二氧化碳。如果是电炉炼钢，就涉及到大量使用电力所带来的间接排放。最后一小部分排放则是来自于钢厂内的厂用电以及用于生产的运输车辆所消耗的化石燃料产生的碳排放。

绿钢的实现依赖于可再生电力和氢。首先绿钢并没有明确的定义，而是对环保钢材产品的一个宽泛称呼，因为绿色这一形容词本身的意义也随着时代而变迁，目前，绿钢的概念更接近于“零碳钢”。根据HYBRIT公司的工艺流程（图1），绿钢在炼钢过程是不使用化石燃料而生产的钢材，从铁矿石颗粒的生产用生物燃料替代化石燃料，到铁矿石颗粒炼钢流程使用氢作为还原剂和燃料，这些氢又是来自于可再生能源制备比如太阳能或风能，那么整个生产过程可以说是无化石燃料使用的钢铁生产，所以被冠以绿钢之名。

图1：HYBRIT公司绿钢生产示意图

来源：https://www.hybritdevelopment.se/en/research-project-1/

如果是钢铁厂内用电和燃油可以用可再生电力来替代，可以说在整个钢铁厂这一核算范围内就是零碳钢（CO2-free primary steelmaking），当然应该是进阶版的绿钢。如果链条再拉长到生命周期，实现完全零碳的钢材生产还有很长一段路要走，因为会涉及到矿石的开采、运输、后期废弃物处理等相当多的环节。

钢铁产业实现零碳也是需要技术路线图来指引的。我们用冶金技术公司Primetals给出的技术路线做参考（图2）：首先要将煤基的燃料与还原剂向氢基转变，通过改用绿氢并结合废钢这一炼钢技术路线升级，与高炉炼钢路线相比将带来75%的减排量，剩余的排放实际上是来自于直接还原和电弧炉路线（DR-EAF）炼钢所使用的电力背后的间接排放，取决于电网的碳排放系数。最终真正实现零碳钢要将电力、热力和运输过程都逐步实现无化石能源使用。

图2：绿钢技术路线过程

来源：https://www.primetals.com/news-media/metals-magazine/issue-02-2020/the-winding-road-toward-zero-carbon-iron备注：电力排放计算采用经合组织（OECD）欧洲国家电网排放系数平均值0.452 kgCO2/kWh。如果用瑞典的排放系数0.023 kgCO2/kWh，减排量更大。

绿钢是零碳工业的先锋，是欧盟实现净零排放的重要一环

氢对于钢铁行业来讲是格外有吸引力的，因为它不仅是能做成炼钢燃料，还是还原剂，用氢炼钢可以在供热的同时将铁从铁矿石中还原出来。绿钢更深层次的意义是在实践零碳工业（net-zero industry ）的想法，并逐步完成商业化进程，如果能从钢铁行业开始形成对氢的需要，并扩大到其它氢燃料应用领域，也会避免因为“先有鸡还是先有蛋”的情景下讨论氢的未来^[1]。从可再生电力和电动汽车与公共交通的发展速度中看出来，电力和交通领域是容易减排的部门，也是开始最早的部门。而工业部门推进减排起步较晚，且越来越艰难或者说成本越来越高。在工业部门去碳化过程中，钢铁行业首先引入并实践绿钢这一概念，作为工业部门的第一个尝试，是具有里程碑意义的。

在欧盟2050气候中和这一长期气候目标之下，钢材的制造从碳基向以氢基的转型是势在必行的，这也是为什么许多欧盟国家在推进绿钢。欧盟钢铁行业碳排放占工业部门排放的四分之一左右，钢铁行业去碳化将作为欧洲实现它所倡导的气候中和的一个重要支撑。除了北欧国家，德国和法国也都在积极的布局绿钢项目。欧盟在今年7月份提出的碳边境调整机制（CBAM）法案草案中，覆盖的行业里就包括钢铁^[2]。欧盟进口钢材在2026年后就要求在CBAM机制下要购买证书，根据出口到欧盟钢材的碳含量与欧盟内钢材相比较，目的是防止所谓的欧盟钢铁行业的碳泄漏以及境外的高碳钢铁的流入。对于钢铁生产大国，特别是出口到欧盟占比最高的俄罗斯、土耳其和中国会带来不可预期的影响，这些国家虽然都表示抵制，但也要在如何应对欧盟CBAM机制这一背景以及国内长期气候变化目标的前提下，研究国内的钢铁行业如何去碳化问题。

中国钢铁的去碳化路径清晰，但需面对国内外挑战

中国的吨钢排放还处于相当高的水平，每吨钢排放在2~3吨二氧化碳排放这一水平，欧盟吨钢碳排放强度是不到1的（图3），原因是炼钢工艺的差异。欧盟电炉钢的占比约四成，美国约占七成，世界平均水平是近30%。国内用电炉的比例较低，2019年国内电炉钢的产量占比也就仅仅10%，因为电炉使用的话就需要很多回收的废钢。中国目前的情况大概有七成的钢铁冶炼都是来自于传统的高炉，直接利用铁矿石来炼钢。

从1995年到2015年这二十年间，产能增加最多的是中国和印度，这也导致全球平均的钢铁生产碳强度并没有降低，反而明显升高。吨钢碳排放高与炼钢工艺、原料处理、能源使用效率等都有关系。

图3：世界钢材生产的碳排放强度比较（左）和世界粗钢产量（1995-2005）（右）

来源：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22245-6

在2060碳中和情景下，中国钢铁行业达成碳中和路径还是有比较清晰的行业整体减排路线的（图4）。从减少对于钢材的需求开始到能效提高，就会涉及到技术路线的转化。增加电炉炼钢的比例，与之相关的就是增加废钢的利用比例。除此之外的减排缺口可能有两个路线：1.通过氢气还原直接炼钢去制造绿钢；2.一是使用化石燃料炼钢的生产则辅以碳捕集利用以及封存（CCUS）^[3]。后者如果借用蓝氢的概念，就是化石燃料炼钢，但是末端的碳排放依赖于使用CCUS技术，就称之为“蓝钢”。

图4: 中国钢铁行业碳中和转型路径（麦肯锡）

如果说碳达峰和碳中和目标是钢铁行业去碳化的内驱力，那欧盟的碳边境调整机制将会是一个能加速中国等国钢铁行业脱碳进程的外在驱动力。而且是通过实施跨境碳定价这种模式来迫使国内工业领域降低碳强度。目前纳入中国碳排放权交易市场就只有电力部门，未来扩展至钢铁行业也并不遥远。生态环境部的领导今年在多个场合都表示在十四五内会加快将其纳入到全国碳市场^[4]，钢铁行业会成为中欧碳定价体系的一个交汇点和角力场。

结语

北欧的绿钢产品已经交付，虽然目前只是项目级别的小规模试验性生产，但是却开启了整个工业部门的零碳化之路，欧美的其他几家有气候雄心的钢铁制造商也在追赶。欧盟的气候中和目标与美国的净零排放目标都会加速零碳工业产品的商业化进程。

最后要指出，钢铁的零碳化不要忘记使用端的减量，这是对于钢材的需求，也是钢铁生产的起点，是钢铁行业零碳化这一链条的前提。涉及到了在建筑或建设项目设计方面，如何通过低碳化设计减少钢材的使用，多应用替代的材料比如合金和碳纤维等技术手段和产品。除了成本之外，可能这些替代产品的生产也将要面临零碳化的进程，所以工业部门的零碳化之路中各子部门碳排放可能会呈现此消彼长的态势。虽然看起来任务复杂而艰巨，工业部门脱碳也受市场需求、成本收益与气候雄心等多重因素影响。目前工业碳排放占比最大的钢铁部门迈出了第一步，未来可期。

注释：

[1] Green Steel: A Multi-Billion Dollar Opportunity, by Thomas Koch Blank. 2020 RMI. Link:  https://rmi.org/green-steel-a-multi-billion-dollar-opportunity/

[2] 欧盟新提案出炉，碳关税实施框架逐渐明朗。袁雅婷，2021年7月，磐之石环境与能源研究中心。链接：http://www.reei.org.cn/blog/870

[3] 国内钢铁行业碳中和路径。申学峰，2021年7月，远东资信。链接：https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202107191504809909_1.pdf?1626716790000.pdf

[4] 钢铁、水泥等行业“十四五”将纳入碳排放权交易市场。2021年1月14日，中国新闻网。链接：https://www.chinanews.com/cj/2021/01-14/9387122.shtml

作者：林佳乔

校对：赵昂

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