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以氫氣促進鋼鐵業低碳發展

謝汎琪、古慧雯/ 發布日期:2024/06/20/ 瀏覽次數:145

一、前言
鋼鐵為全球第三大需求材料,鋼鐵業占全球排碳量7%,約為工業排碳量的近30%,彭博新能源財經(Bloomberg New Energy Finance, BNEF)預估到2050年,市場將以氫基的低碳鋼為主。目前氫基鋼鐵(Hydrogen-Based Steel)的成本已可被部分市場買家接受,未來將持續擴大低碳鋼商業市場規模並完善相關政策框架。

BNEF發布白皮書說明氫在鋼鐵脫碳的作用,並提出發展低碳鋼鐵的商業行動和政策重點,俾利提前實現具有成本競爭力的氫基低碳鋼鐵。

二、低碳氫基鋼鐵市場概述及發展
鋼鐵的生產方式主要分為初級生產和次級生產。初級生產是以鐵礦為原料,透過高爐-鹼性氧氣轉爐(Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace, BF-BOF)或直接還原鐵-電弧爐(Direct Reduced Iron-Electric Arc Furnace, DRI-EAF)製成鋼鐵。次級生產則是以回收鋼材為原料,透過電弧爐煉製。

根據IEA的數據,以BF-BOF生產每噸鋼鐵需消耗21.4 GJ能量及排放2.2噸二氧化碳當量,是高能源密集度及高排碳量的生產方式。報告中提出鋼鐵產業實現煉鋼減碳的途徑如圖一所示。BNEF預估至2050年,氫基的DRI-EAF低碳鋼產量將占全球鋼鐵產量的42%,約相當於1.5億噸氫氣需求;另外,採用再生能源電力並使用高比例廢鋼作為原料的EAF將占全球鋼鐵產量35%;其餘低碳鋼則將透過BF-BOF配備碳捕獲設備進行生產。

 (一)氫氣在鋼鐵脫碳的作用
1. BF-BOF的氫氣應用
目前BF-BOF生產方式占全球鋼鐵產量的69%,且其產能仍在成長(尤其是在中國和印度)。BF-BOF可利用氫氣取代煤炭提供熱能及作為還原劑,約可降低20%的排碳量。除了氫氣應用之外,BF-BOF工廠亦可搭配碳捕獲設備進行脫碳,或轉換為DRI-EAF生產方式。

2. DRI-EAF的氫氣應用
以氫氣取代煤炭和天然氣作為DRI-EAF中的主要燃料和還原劑,倘若採用綠氫及由再生能源提供EAF動力來源,則可降低近100%的排碳量。但DRI-EAF對鐵礦石的品質要求較高,含鐵量需達65%~66%以上,否則容易腐蝕EAF降低產量。目前在DRI-EAF中使用100%氫氣仍處於早期技術階段,例如由SSAB、LKAB和Vattenfall等企業合資的Hybrit專案,即利用100%氫氣生產小批量低碳鋼,並預計於2025年完成工業規模的示範工廠。

3.氫氣在低品質鐵礦石中的應用
大多數鐵礦石鐵含量低於65%,非高品質鐵礦石。為避免腐蝕EAF,可透過下列技術改善:
(1)在加工前進行礦石選礦,去除低品質礦石中的雜質提高鐵含量。
(2)變更DRI中豎爐(Shaft Furnace)的設計,改採循環式流體化床反應爐(circulating fluidized bed reactors),可降低顆粒尺寸的要求,採用成本更低的鐵礦粉。
(3)在還原階段後(EAF步驟之前)增加電熔爐,使用電熔爐連續熔化直接還原鐵,同時分離鐵與礦物雜質,生產高純度的生鐵,適合在EAF或BOF中轉化為鋼。

(二)低碳氫基鋼鐵成本
高成本為目前氫基煉鋼所面臨的最大挑戰,在歐洲地區採用綠色氫氣的DRI-EAF煉鋼成本,比使用天然氣煉鋼的傳統鋼鐵高出20-60%,而此成本差異主因為綠氫的成本。根據BNEF估計,採用間歇性的風能或太陽能電解製氫,其綠氫生產成本約為每公斤4~12美元。此外,鋼鐵工廠附近的土地面積以及是否有足夠的氫氣運輸和儲存基礎設施等因素,亦可能限制其綠色氫氣供應,影響生產成本。

隨著時間推移,BNEF預計綠色氫氣和潔淨電力的成本將大幅下降,到2050年,綠氫的成本將降至每公斤1美元,氫基低碳鋼鐵的成本可達市場競爭力。

(三)發展低碳鋼鐵的商業行動
1. 獲得低成本的24/7全時無碳能源(Carbon-free Energy, CFE) 
氫基煉鋼需使用低成本的再生能源生產氫氣,並為煉鋼提供動力。但受限於需長期儲能以穩定綠色發電的成本過於昂貴,因此要達成24/7全時潔淨電力的目標具相當程度挑戰性。

目前具備提供24/7全時無碳能源潛力的國家包括巴西、挪威、加拿大、中國,此將影響未來新鋼鐵廠的設置位置。針對綠電可調度電力有限的情況,鋼鐵業者可透過簽署多個太陽能和風能購電協議,整合不同購電協議達成24/7全時無碳能源目標。

實例研究:綠色鋼鐵的氫氣和電力採購
ArcelorMittal’s計畫透過場外採購綠氫生產低碳鋼鐵,除透過簽署MOU採購綠氫之外,亦自行建置100MW的電解槽。另外,SSAB、H2GS和Posco等鋼鐵業者則選擇在再生能源附近生產氫氣,以降低供應鏈風險,並控制原料成本,其中H2GS的工廠將設在瑞典,以利用既有的水力發電資源。H2GS透過長期水力發電購電協議以及市售的陸域風力發電專案,可實現 24/7全時無碳能源34美元/MWh (不包括傳輸成本)。

2. 低碳氫基鋼鐵技術測試
使用100%氫氣直接還原爐尚未有商業規模的驗證,目前既有的DRI-EAF設備最高可在天然氣中混合30%的氫氣,預計從2026年開始,新建的DRI-EAF技術上已可使用高達90-95%的氫氣。

實例研究:河鋼集團(HBIS)
河鋼集團是中國第4大鋼鐵製造商,計畫逐步將鋼鐵生產從排放密集型高爐轉向電弧爐,並使用廢鋼或氫氣直接還原鐵。HBIS最近已啟用一座60萬噸直接還原鐵試點工廠,並計畫在2025年建造一座300萬噸氫基直接還原鐵及電弧爐工廠。

3. 採取新的融資方式
為了降低綠色鋼鐵專案風險,鋼鐵製造商可簽訂長期能源供應契約及長期鋼鐵承購協議,並鼓勵供應商和客戶參與專案投資。除了直接專案融資之外,承購商亦可透過合資企業或收購鋼鐵公司股權為綠色鋼鐵專案提供資金。另外,成熟的鋼鐵製造商可考慮成立綠色鋼鐵子公司,吸引具氣候意識的投資者投資綠色鋼鐵。

三、發展低碳鋼的政策重點
儘管綠色鋼鐵需求不斷成長,但如果沒有足夠的政策支持,低碳鋼將難以與傳統鋼鐵競爭。
1.碳定價政策
根據產品的碳排放強度課徵碳稅,可促使鋼鐵生產商轉向低碳生產方式,激勵排放者尋求成本最低、最有效的脫碳途徑。此外,碳稅收入亦可投資支持淨零技術。例如:歐盟碳邊境調整機制(Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM)規範進口鋼材將受碳價約束,藉以保護歐盟內部綠色產業,並促使生產商轉向低碳生產路線。

2.制定低碳鋼標準和排放報告方法
目前,綠色鋼鐵標準尚未有全球共識,大部分的標準係由私部門和非政府組織制定,如世界鋼鐵協會(the World Steel Association)和全球鋼鐵氣候理事會(the Global Steel Climate Council, GSCC)已提出相關標準制定方法。一致性的低碳鋼區域標準和方法,以及公正的第三方驗證,將有助於簡化企業採購流程,並使定價更為透明。

3.制定綠色鋼鐵公共採購計畫
建築業是鋼鐵產品的最大消費領域,而氫基低碳鋼鐵成本相對較高。由於公共部門為建築服務和商品的主要消費者,因此公共採購氫基低碳鋼鐵有利於推動鋼鐵脫碳,政策制定者可將鋼鐵納入其綠色公共採購計畫,並在綠色鋼材的推動和增量成本間取得平衡。


 

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