我國鋼鐵行業(yè)清潔能源發(fā)展現(xiàn)狀及建議

史君杰 何培育 熊超

作者單位：冶金工業(yè)規(guī)劃研究院

2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。鋼鐵工業(yè)是能源消耗和碳排放的大戶。在當前“雙碳”政策和能耗“雙控”政策約束下，發(fā)展清潔能源對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰碳中和至關(guān)重要，是鋼鐵行業(yè)應(yīng)對能耗“雙控”的重要措施，未來鋼鐵行業(yè)清潔能源應(yīng)用存在巨大發(fā)展空間。但當前鋼鐵行業(yè)清潔能源發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，鋼鐵行業(yè)清潔能源應(yīng)用方向應(yīng)重點考慮大力發(fā)展分布式可再生能源、構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的創(chuàng)新體系、積極推進綠電交易、鼓勵開展氫能利用、推動綠色微電網(wǎng)、源網(wǎng)荷儲等諸多創(chuàng)新技術(shù)全面應(yīng)用等。

一、我國鋼鐵行業(yè)能源消耗現(xiàn)狀

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是國之基石。長期以來，鋼鐵工業(yè)為國家建設(shè)提供了重要的原材料保障，有力支撐了相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動了我國工業(yè)化、現(xiàn)代化進程，促進了民生改善和社會發(fā)展。鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排方面取得了巨大進步，“十三五”期間噸鋼綜合能耗（折標準煤）由572千克下降到546千克，下降率4.54%，超額完成了既定的節(jié)能目標。但鋼鐵工業(yè)同時也是能源消耗和碳排放的大戶。2021年鋼鐵行業(yè)能源消費總量5.65億噸標準煤，約占全國10.8%；碳排放量貢獻占全球鋼鐵碳排總量的60%以上，是我國碳排放量最高的制造業(yè)行業(yè)。

目前我國電弧爐短流程煉鋼工藝生產(chǎn)的粗鋼產(chǎn)量僅占總產(chǎn)量10%左右，遠低于美國68%、歐盟40%、日本24%的發(fā)展水平；廢鋼比約20%，有較大提升空間。我國鋼鐵工業(yè)能源結(jié)構(gòu)高碳化，按照折標準煤計算，煤、焦炭占能源投入近90%，電力（按當量值計算）消耗占比約6%。鋼鐵企業(yè)均為當?shù)赜秒姶髴簦袠I(yè)年電量消費約4800億千瓦時，在工業(yè)用電中占比接近9%，但全行業(yè)綠電（光電、風電）占總電能消耗中比例不超過1%。我國鋼鐵工業(yè)正處在數(shù)量時期的減量階段、高質(zhì)量時期的重組階段和中間過渡的強化環(huán)保階段三期疊加階段，“十四五”前期正在向高質(zhì)量時期低碳階段推進，未來將以低碳統(tǒng)領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展全面提升，鋼鐵行業(yè)清潔能源應(yīng)用存在巨大發(fā)展空間。

二、鋼鐵行業(yè)清潔能源發(fā)展政策背景及必要性

（一）碳達峰、碳中和政策要求

《中共中央 國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，2025年，非化石能源消費比重達到20%左右；2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上；2060年，清潔低碳安全高效的能源體系全面建立，非化石能源消費比重達到80%以上。國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》提出，推動工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展，促進工業(yè)能源消費低碳化，推動化石能源清潔高效利用，提高可再生能源應(yīng)用比重，加強電力需求側(cè)管理，提升工業(yè)電氣化水平。推動鋼鐵行業(yè)碳達峰，促進鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和清潔能源替代。

（二）能源消耗總量與強度雙控

實行能源消費強度和總量雙控是落實生態(tài)文明建設(shè)要求、促進節(jié)能降耗、推動高質(zhì)量發(fā)展的一項重要制度性安排?！笆濉币詠?，各地區(qū)各部門認真落實黨中央、國務(wù)院決策部署，能耗雙控工作取得積極成效，但也存在能源消費總量管理缺乏彈性、能耗雙控差別化管理措施偏少等問題。

為進一步完善能耗雙控制度，2021年9月，國家發(fā)展改革委印發(fā)的《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》（以下簡稱《方案》）提出，到2025年，能耗雙控制度更加健全，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高。到2030年，能耗雙控制度進一步完善，能耗強度繼續(xù)大幅下降，能源消費總量得到合理控制，能源結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。到2035年，能源資源優(yōu)化配置、全面節(jié)約制度更加成熟和定型，有力支撐碳排放達峰后穩(wěn)中有降目標實現(xiàn)?！斗桨浮愤€提出鼓勵地方增加可再生能源消費。根據(jù)各省（自治區(qū)、直轄市）可再生能源電力消納和綠色電力證書交易等情況，對超額完成激勵性可再生能源電力消納責任權(quán)重的地區(qū)，超出最低可再生能源電力消納責任權(quán)重的消納量不納入該地區(qū)年度和五年規(guī)劃當期能源消費總量考核。

（三）鋼鐵行業(yè)發(fā)展清潔能源必要性

1.發(fā)展清潔能源對鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)碳達峰碳中和至關(guān)重要?！吨泄仓醒?國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》兩份重要文件均明確提出要實施工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動和能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動。而清潔能源在利用過程中基本不產(chǎn)生碳排放，鋼鐵企業(yè)應(yīng)用清潔能源將從源頭直接改變企業(yè)用能結(jié)構(gòu)，發(fā)展新能源對鋼鐵行業(yè)雙碳工作至關(guān)重要，是鋼鐵行業(yè)要實現(xiàn)碳中和的必要途徑。

■花開知春｜李艷明/攝

2.發(fā)展清潔能源是鋼鐵行業(yè)應(yīng)對能耗“雙控”的重要措施。2021年12月，中央經(jīng)濟工作會議提出，要科學考核，新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制，創(chuàng)造條件盡早實現(xiàn)能耗“雙控”向碳排放總量和強度“雙控”轉(zhuǎn)變。鋼鐵行業(yè)一直被嚴格按照“兩高”行業(yè)對待，自身用能量大，面臨能耗“雙控”壓力也巨大，發(fā)展新能源將是應(yīng)對能耗“雙控”的重要舉措之一。

3.鋼鐵行業(yè)清潔能源不斷推廣，但總體利用水平仍較低。在當前雙碳背景下，鋼鐵企業(yè)更加重視清潔能源的開發(fā)利用，但鋼鐵企業(yè)主要能源消耗為煤與焦炭，用能結(jié)構(gòu)中電力僅占約6%，而電力消耗中綠電（光電、風電）比例現(xiàn)狀不超過1%。而氫冶金項目目前都在試驗階段，氫冶金規(guī)?；瘧?yīng)用尚早。鋼鐵行業(yè)清潔能源總體利用水平仍較低。

三、鋼鐵行業(yè)清潔能源應(yīng)用進展

（一）太陽能

1.應(yīng)用現(xiàn)狀。鋼鐵企業(yè)可利用廠房的屋頂面積廣泛，企業(yè)用電負荷大新能源消納能力強，有著良好的光伏安裝條件，同時光伏與火力發(fā)電單位容量投資已持平。在雙碳要求與環(huán)保壓力持續(xù)加大的態(tài)勢下，鋼鐵企業(yè)安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以降低用電成本，減少環(huán)境污染，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)競爭力。鋼鐵企業(yè)分布式光伏發(fā)電項目的運營方式主要分為統(tǒng)購統(tǒng)銷、合同能源管理、自發(fā)自用三種模式。

2.典型案例。天津榮程40MWp漁光互補分布式光伏發(fā)電項目，2021年9月建設(shè)，該項目采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)方式，投產(chǎn)后年發(fā)電量4841萬千瓦時，年降碳約4.3萬噸，為國內(nèi)鋼鐵行業(yè)首個采用漁光互補方式實施的綠色新能源項目。

（二）風能

1.應(yīng)用現(xiàn)狀?！笆奈濉遍_局之年，沿海城市、西北地區(qū)等風力資源豐富的地區(qū)均出臺了一系列風力發(fā)電的支持政策。鋼鐵企業(yè)開發(fā)風電對地域與環(huán)境有較高要求，對于風力條件較好的鋼鐵企業(yè)，發(fā)展風電是推動自身實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要舉措和必然選擇，對保障能源供應(yīng)安全，促進能源綠色轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有非常重要的意義。

2.典型應(yīng)用案例。鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司在其港口碼頭附近安裝建設(shè)11臺風力發(fā)電機組，裝機容量達15750千瓦，年發(fā)電量約3000萬千瓦時，年降碳約2.3萬噸。寶鋼湛江、柳鋼、鹽城聯(lián)鑫、黑龍江建龍、寧夏建龍等鋼鐵企業(yè)都已經(jīng)計劃建設(shè)海上風電或陣地式風電基地。

（三）生物質(zhì)能

1.應(yīng)用現(xiàn)狀。近年來，生物質(zhì)能逐漸在鋼鐵企業(yè)開始應(yīng)用。生物質(zhì)能是碳中性能源，除了利用其燃燒性能作為燃料利用，還可以利用其還原功能作為還原劑用于鋼鐵冶煉。若將生物質(zhì)能應(yīng)用于煉鐵過程，則生物炭可參與鐵礦的還原過程，奪取爐料中的氧，碳的化學功能可得到充分利用。國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)紛紛在高爐噴吹生物質(zhì)原料、焦炭配煤中添加生物質(zhì)原料等方面開展了實踐，還有鋼鐵企業(yè)計劃建設(shè)秸稈發(fā)電等生物質(zhì)能發(fā)電工程。

2.典型案例。結(jié)合鋼鐵企業(yè)豐富的余熱資源，寶鋼股份開發(fā)出一種協(xié)同處置城市廢棄物制備生物質(zhì)能的生產(chǎn)工藝。寶鋼股份計劃利用閑置的回轉(zhuǎn)窯將有機廢棄物氣化制備高品質(zhì)合成氣及生物炭，采用的技術(shù)原理為連續(xù)三段式反應(yīng)，第一段有機廢物熱解，第二段氧化，第三段還原。合成氣可就近供應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)，代替現(xiàn)有燃氣。黑龍江建龍擬新建1套25兆瓦秸稈發(fā)電機組，年發(fā)電量約2億千瓦時，同時，建龍集團積極與北京科技大學、東北大學等科研院所合作，加快生物質(zhì)炭在燒結(jié)、焦化、煉鐵等工序的技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。

（四）氫能

1.應(yīng)用現(xiàn)狀。

（1）氫能冶金。氫能冶煉是鋼鐵生產(chǎn)實現(xiàn)無化石冶煉，達到零碳排放的重要技術(shù)，被認為是鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展、深度脫碳的有效路徑之一。氫冶金主要包括富氫還原高爐和氣基直接還原豎爐、富氫熔融還原等工藝。其中，前者仍以焦炭作為主要還原劑，但相比傳統(tǒng)高爐煉鐵，碳減排幅度可達20%—30%；后者非高爐煉鐵采用富氫氣體或氫氣作為還原劑，將鐵礦石轉(zhuǎn)化為直接還原鐵或熔融鐵水，再通過電爐冶煉，噸鋼二氧化碳排放量可減少50%以上甚至零排放。氫冶金在國外探索應(yīng)用較早，在氫氣制備方面基本全部采用電解水的方法制備，因此，大多與上游電力公司開展合作，以控制耗電成本。

（2）氫能重卡。氫能卡車能夠?qū)崿F(xiàn)零排放運輸，相比電動重卡車，氫能重卡在續(xù)航里程、雙重供電模式、重載啟動等方面都具有較大的實用優(yōu)勢。鋼鐵行業(yè)本身對礦、煤、焦、鋼等貨物有大量的運輸需求，同時，焦煉過程產(chǎn)生了大量的富氫氣體。因此，近年來部分國內(nèi)鋼鐵企業(yè)聯(lián)合合作伙伴打造加氫網(wǎng)絡(luò)，在氫能重卡運輸領(lǐng)域展開了深入布局，運用自身豐富的氫氣源，同時具備應(yīng)用市場，打造氫燃料電池汽車運營、推廣的運營管理平臺，創(chuàng)造出車輛、加氫站協(xié)同發(fā)展新模式。

2.應(yīng)用案例。

中國寶武在八鋼進行富氫碳循環(huán)氧氣高爐工藝實驗，通過超高富氧甚至全氧冶煉，在脫除煤氣中的二氧化碳后，獲得高還原性煤氣，實現(xiàn)煤氣自循環(huán)利用。同時，在高爐煤氣中加注氫氣，進一步降低二氧化碳排放，最終實現(xiàn)減碳30%以上。同時，寶鋼湛江鋼鐵于2021年9月開工建設(shè)1座100萬噸、具備全氫工藝試驗條件的氫基豎爐，未來逐步采用可再生能源發(fā)電——高效水電解生產(chǎn)的綠色氫氣煉鐵，目標是氫氣比例達到100%。

（五）綠電交易

綠色電力交易是在現(xiàn)有中長期交易框架下，設(shè)立的綠色電力交易品種，積極引導有綠色電力需求的用戶直接與發(fā)電企業(yè)開展交易，綠色電力在電力市場交易和電網(wǎng)調(diào)度運行中優(yōu)先組織、優(yōu)先安排、優(yōu)先執(zhí)行、優(yōu)先結(jié)算，通過相關(guān)政策措施激勵用電側(cè)購買綠色電力的積極性。

2021年9月7日，綠電交易試點啟動會在北京和廣州同步召開。當日啟動的首次綠色電力交易，共17個省259家市場主體參與，首批綠電成交量為79.35億千瓦時，減少標煤燃燒243.6萬噸，減排二氧化碳607.18萬噸，綠電的使用者可以直接減少排碳量，同時減少未來潛在的碳成本。目前國內(nèi)部分地區(qū)已經(jīng)開展綠電交易試點，鋼鐵企業(yè)也正在積極開展綠電交易工作。

四、鋼鐵行業(yè)清潔能源應(yīng)用的問題及挑戰(zhàn)

（一）綠電交易機制不完善

一方面，我國電力市場供需雙方不平衡，跨區(qū)域綠電交易難題亟待破解。國內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)具備購買綠電的意愿，但由于綠電交易機制尚未健全，企業(yè)無購買途徑。另一方面，綠電市場與外部市場銜接不足，綠電交易市場與碳交易市場缺乏有效銜接，存在重復計算綠電環(huán)境價值的問題，統(tǒng)一的電-碳市場計算標準尚未形成，電-碳價格形成機制、碳成本傳導機制等核心問題尚待解決。

（二）安全性與供電可靠性存在風險

清潔能源發(fā)電容易受到環(huán)境、天氣以及光照條件的影響，具有間歇性、隨機性和周期性等特點，而清潔能源發(fā)電的不連續(xù)性與鋼鐵連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)制之間存在矛盾，導致其接入電網(wǎng)時會對鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)的安全性和供電可靠性造成威脅。

（三）氫能利用缺乏相應(yīng)規(guī)范

國內(nèi)缺乏與氫冶金配套的專項規(guī)劃、政策體系、標準體系、安全規(guī)范等相關(guān)頂層設(shè)計。我國氫能產(chǎn)業(yè)還處于產(chǎn)品市場導入期，未形成規(guī)模化發(fā)展，在制氫、儲運及氫能應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)，涉及領(lǐng)域多，企業(yè)協(xié)同、產(chǎn)業(yè)集群式發(fā)展仍需時日。

（四）分布式電站工程施工、運行風險

分布式光伏發(fā)電相關(guān)企業(yè)的安全管理規(guī)范不完善，從業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)難以滿足安全運行管理的要求，安全事故時有發(fā)生。當前很多鋼鐵企業(yè)采用BAPV安裝形式，即在原有廠房建筑上，附加安裝太陽能光伏系統(tǒng)。太陽能的安裝，不能考慮屋面系統(tǒng)的技術(shù)特點和功能要求，往往會給屋面工程造成巨大的安全隱患，同時影響建筑屋面的正常使用功能和使用壽命。

五、推進鋼鐵行業(yè)清潔能源發(fā)展的建議

（一）大力發(fā)展分布式可再生能源

鋼鐵企業(yè)擁有大面積可用于光伏發(fā)電的屋頂，同時鋼鐵企業(yè)是用電大戶，十分有利于建設(shè)分布式光伏電站。工業(yè)領(lǐng)域“十四五”綠色發(fā)展規(guī)劃，明確支持鋼鐵行業(yè)等工業(yè)提高屋頂太陽能發(fā)電能力。推薦采用光伏建筑一體化（BIPV）安裝形式，在建筑屋面施工時直接在屋面安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)支架配件、光伏發(fā)電組件單元板和其他電氣設(shè)備。BIPV在建筑美學、建筑采光、安全性能、安裝方便、壽命長、綠色環(huán)保等方面均有諸多優(yōu)勢。分布式光伏電站所發(fā)電力自發(fā)自用，用于企業(yè)日常生產(chǎn)，體現(xiàn)節(jié)能降碳理念。

由于風力發(fā)電對周邊建筑物有安全距離要求，對于用地資源有限且布局較為緊湊的眾多國內(nèi)鋼廠而言，在企業(yè)內(nèi)部建設(shè)風電機組存在一定限制，可考慮結(jié)合企業(yè)區(qū)位優(yōu)勢及富余資產(chǎn)與新能源進行耦合集成。鋼鐵行業(yè)自身有港口及碼頭的企業(yè)可考慮在空閑區(qū)域建設(shè)分布式風力發(fā)電機組，沿海沿江鋼鐵企業(yè)可探索與電力集團合資建設(shè)海上風力發(fā)電廠，從而實現(xiàn)低碳煉鋼。而處于風力資源豐富的西北地區(qū)鋼鐵企業(yè)亦可探索內(nèi)陸風力分布式發(fā)電廠，采用直供或售電模式，參與風力發(fā)電市場。

（二）構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的創(chuàng)新體系

在傳統(tǒng)鋼鐵用能流程基礎(chǔ)上，構(gòu)建多能互補與儲能相結(jié)合的能源體系，實現(xiàn)不同種類能源和燃料的相互補充與綜合利用，既包括不同種類能源的互補，也包括同一類能源不同種類燃料之間的互補。通過創(chuàng)新化學能釋放與利用理論，發(fā)展基于多能互補的分布式能源系統(tǒng)，有機結(jié)合多層次不同品位化學過程與動力循環(huán)，實現(xiàn)燃料化學能源與物理能的綜合梯級利用。構(gòu)建多能互補與儲能系統(tǒng)相結(jié)合的能源體系，能源利用效率將會得到大幅提升，可再生能源也得以最佳利用。

（三）積極推進綠電交易

綠電交易充分體現(xiàn)了綠色電能的附加價值，是用能企業(yè)推進節(jié)能降碳的重要手段。鼓勵和引導鋼鐵企業(yè)通過綠色電力直接交易、購買綠色電力交易證書等方式積極消納清潔能源，確保企業(yè)可再生能源電力消納責任權(quán)重高于本區(qū)域最低消納責任權(quán)重。

（四）鼓勵開展氫能利用

開展氫冶金研究應(yīng)用。氫冶金是傳統(tǒng)鋼鐵冶金工藝技術(shù)綠色低碳變革的重要探索方向，鼓勵氫冶金技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，深入研究分布式綠色能源利用、氫氣制備與存儲、氫冶金、CO脫除等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，形成以氫能為核心的新型鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝。氫能行業(yè)是剛處于起步階段的行業(yè)，鋼鐵企業(yè)為其提供了更多的落地應(yīng)用機會，有著良好的示范效應(yīng)和應(yīng)用前景。

構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。鋼鐵企業(yè)可依托自身副產(chǎn)氫資源優(yōu)勢，充分融入城市氫能源發(fā)展，通過鋼化聯(lián)產(chǎn)項目，加氫站和重卡運輸“柴改氫”、家庭熱電聯(lián)產(chǎn)和氫能社會等應(yīng)用場景商業(yè)示范，打造“制氫-儲氫-運氫-用氫”氫能全產(chǎn)業(yè)園區(qū)，形成氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用解決方案示范，成為氫能技術(shù)和成果轉(zhuǎn)化的推動者，共同推動氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的構(gòu)建。

（五）綠色微電網(wǎng)、源網(wǎng)荷儲等諸多創(chuàng)新技術(shù)全面應(yīng)用

推動分布式能源技術(shù)與鋼鐵行業(yè)深度融合，加大智能微電網(wǎng)高效集成、儲能技術(shù)和裝備等在鋼鐵行業(yè)的研發(fā)應(yīng)用。鋼鐵企業(yè)或園區(qū)通過優(yōu)化整合本地電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)資源，以先進技術(shù)突破和體制機制創(chuàng)新為支撐，實現(xiàn)分布式可再生能源、余能余熱利用、能源信息化管控等系統(tǒng)集成，建立多元融合、供需互動、高效配置的能源生產(chǎn)與消費模式。