我国钢铁行业清洁能源发展现状及建议

史君杰 何培育 熊超

作者单位：冶金工业规划研究院

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。钢铁工业是能源消耗和碳排放的大户。在当前“双碳”政策和能耗“双控”政策约束下，发展清洁能源对钢铁行业实现碳达峰碳中和至关重要，是钢铁行业应对能耗“双控”的重要措施，未来钢铁行业清洁能源应用存在巨大发展空间。但当前钢铁行业清洁能源发展仍面临诸多挑战，钢铁行业清洁能源应用方向应重点考虑大力发展分布式可再生能源、构建多能互补与储能相结合的创新体系、积极推进绿电交易、鼓励开展氢能利用、推动绿色微电网、源网荷储等诸多创新技术全面应用等。

一、我国钢铁行业能源消耗现状

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国之基石。长期以来，钢铁工业为国家建设提供了重要的原材料保障，有力支撑了相关产业发展，推动了我国工业化、现代化进程，促进了民生改善和社会发展。钢铁工业节能减排方面取得了巨大进步，“十三五”期间吨钢综合能耗（折标准煤）由572千克下降到546千克，下降率4.54%，超额完成了既定的节能目标。但钢铁工业同时也是能源消耗和碳排放的大户。2021年钢铁行业能源消费总量5.65亿吨标准煤，约占全国10.8%；碳排放量贡献占全球钢铁碳排总量的60%以上，是我国碳排放量最高的制造业行业。

目前我国电弧炉短流程炼钢工艺生产的粗钢产量仅占总产量10%左右，远低于美国68%、欧盟40%、日本24%的发展水平；废钢比约20%，有较大提升空间。我国钢铁工业能源结构高碳化，按照折标准煤计算，煤、焦炭占能源投入近90%，电力（按当量值计算）消耗占比约6%。钢铁企业均为当地用电大户，全行业年电量消费约4800亿千瓦时，在工业用电中占比接近9%，但全行业绿电（光电、风电）占总电能消耗中比例不超过1%。我国钢铁工业正处在数量时期的减量阶段、高质量时期的重组阶段和中间过渡的强化环保阶段三期叠加阶段，“十四五”前期正在向高质量时期低碳阶段推进，未来将以低碳统领高质量发展全面提升，钢铁行业清洁能源应用存在巨大发展空间。

二、钢铁行业清洁能源发展政策背景及必要性

（一）碳达峰、碳中和政策要求

《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出，2025年，非化石能源消费比重达到20%左右；2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上；2060年，清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，非化石能源消费比重达到80%以上。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出，推动工业领域绿色低碳发展，促进工业能源消费低碳化，推动化石能源清洁高效利用，提高可再生能源应用比重，加强电力需求侧管理，提升工业电气化水平。推动钢铁行业碳达峰，促进钢铁行业结构优化和清洁能源替代。

（二）能源消耗总量与强度双控

实行能源消费强度和总量双控是落实生态文明建设要求、促进节能降耗、推动高质量发展的一项重要制度性安排。“十三五”以来，各地区各部门认真落实党中央、国务院决策部署，能耗双控工作取得积极成效，但也存在能源消费总量管理缺乏弹性、能耗双控差别化管理措施偏少等问题。

为进一步完善能耗双控制度，2021年9月，国家发展改革委印发的《完善能源消费强度和总量双控制度方案》（以下简称《方案》）提出，到2025年，能耗双控制度更加健全，能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高。到2030年，能耗双控制度进一步完善，能耗强度继续大幅下降，能源消费总量得到合理控制，能源结构更加优化。到2035年，能源资源优化配置、全面节约制度更加成熟和定型，有力支撑碳排放达峰后稳中有降目标实现。《方案》还提出鼓励地方增加可再生能源消费。根据各省（自治区、直辖市）可再生能源电力消纳和绿色电力证书交易等情况，对超额完成激励性可再生能源电力消纳责任权重的地区，超出最低可再生能源电力消纳责任权重的消纳量不纳入该地区年度和五年规划当期能源消费总量考核。

（三）钢铁行业发展清洁能源必要性

1.发展清洁能源对钢铁行业实现碳达峰碳中和至关重要。《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》两份重要文件均明确提出要实施工业领域碳达峰行动和能源绿色低碳转型行动。而清洁能源在利用过程中基本不产生碳排放，钢铁企业应用清洁能源将从源头直接改变企业用能结构，发展新能源对钢铁行业双碳工作至关重要，是钢铁行业要实现碳中和的必要途径。

■花开知春｜李艳明/摄

2.发展清洁能源是钢铁行业应对能耗“双控”的重要措施。2021年12月，中央经济工作会议提出，要科学考核，新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变。钢铁行业一直被严格按照“两高”行业对待，自身用能量大，面临能耗“双控”压力也巨大，发展新能源将是应对能耗“双控”的重要举措之一。

3.钢铁行业清洁能源不断推广，但总体利用水平仍较低。在当前双碳背景下，钢铁企业更加重视清洁能源的开发利用，但钢铁企业主要能源消耗为煤与焦炭，用能结构中电力仅占约6%，而电力消耗中绿电（光电、风电）比例现状不超过1%。而氢冶金项目目前都在试验阶段，氢冶金规模化应用尚早。钢铁行业清洁能源总体利用水平仍较低。

三、钢铁行业清洁能源应用进展

（一）太阳能

1.应用现状。钢铁企业可利用厂房的屋顶面积广泛，企业用电负荷大新能源消纳能力强，有着良好的光伏安装条件，同时光伏与火力发电单位容量投资已持平。在双碳要求与环保压力持续加大的态势下，钢铁企业安装分布式光伏发电系统可以降低用电成本，减少环境污染，优化能源结构，提高企业竞争力。钢铁企业分布式光伏发电项目的运营方式主要分为统购统销、合同能源管理、自发自用三种模式。

2.典型案例。天津荣程40MWp渔光互补分布式光伏发电项目，2021年9月建设，该项目采用“自发自用，余电上网”的并网方式，投产后年发电量4841万千瓦时，年降碳约4.3万吨，为国内钢铁行业首个采用渔光互补方式实施的绿色新能源项目。

（二）风能

1.应用现状。“十四五”开局之年，沿海城市、西北地区等风力资源丰富的地区均出台了一系列风力发电的支持政策。钢铁企业开发风电对地域与环境有较高要求，对于风力条件较好的钢铁企业，发展风电是推动自身实现碳达峰、碳中和目标的重要举措和必然选择，对保障能源供应安全，促进能源绿色转型，实现企业高质量发展具有非常重要的意义。

2.典型应用案例。鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司在其港口码头附近安装建设11台风力发电机组，装机容量达15750千瓦，年发电量约3000万千瓦时，年降碳约2.3万吨。宝钢湛江、柳钢、盐城联鑫、黑龙江建龙、宁夏建龙等钢铁企业都已经计划建设海上风电或阵地式风电基地。

（三）生物质能

1.应用现状。近年来，生物质能逐渐在钢铁企业开始应用。生物质能是碳中性能源，除了利用其燃烧性能作为燃料利用，还可以利用其还原功能作为还原剂用于钢铁冶炼。若将生物质能应用于炼铁过程，则生物炭可参与铁矿的还原过程，夺取炉料中的氧，碳的化学功能可得到充分利用。国内外钢铁企业纷纷在高炉喷吹生物质原料、焦炭配煤中添加生物质原料等方面开展了实践，还有钢铁企业计划建设秸秆发电等生物质能发电工程。

2.典型案例。结合钢铁企业丰富的余热资源，宝钢股份开发出一种协同处置城市废弃物制备生物质能的生产工艺。宝钢股份计划利用闲置的回转窑将有机废弃物气化制备高品质合成气及生物炭，采用的技术原理为连续三段式反应，第一段有机废物热解，第二段氧化，第三段还原。合成气可就近供应生产系统，代替现有燃气。黑龙江建龙拟新建1套25兆瓦秸秆发电机组，年发电量约2亿千瓦时，同时，建龙集团积极与北京科技大学、东北大学等科研院所合作，加快生物质炭在烧结、焦化、炼铁等工序的技术研发应用。

（四）氢能

1.应用现状。

（1）氢能冶金。氢能冶炼是钢铁生产实现无化石冶炼，达到零碳排放的重要技术，被认为是钢铁工业绿色发展、深度脱碳的有效路径之一。氢冶金主要包括富氢还原高炉和气基直接还原竖炉、富氢熔融还原等工艺。其中，前者仍以焦炭作为主要还原剂，但相比传统高炉炼铁，碳减排幅度可达20%—30%；后者非高炉炼铁采用富氢气体或氢气作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁或熔融铁水，再通过电炉冶炼，吨钢二氧化碳排放量可减少50%以上甚至零排放。氢冶金在国外探索应用较早，在氢气制备方面基本全部采用电解水的方法制备，因此，大多与上游电力公司开展合作，以控制耗电成本。

（2）氢能重卡。氢能卡车能够实现零排放运输，相比电动重卡车，氢能重卡在续航里程、双重供电模式、重载启动等方面都具有较大的实用优势。钢铁行业本身对矿、煤、焦、钢等货物有大量的运输需求，同时，焦炼过程产生了大量的富氢气体。因此，近年来部分国内钢铁企业联合合作伙伴打造加氢网络，在氢能重卡运输领域展开了深入布局，运用自身丰富的氢气源，同时具备应用市场，打造氢燃料电池汽车运营、推广的运营管理平台，创造出车辆、加氢站协同发展新模式。

2.应用案例。

中国宝武在八钢进行富氢碳循环氧气高炉工艺实验，通过超高富氧甚至全氧冶炼，在脱除煤气中的二氧化碳后，获得高还原性煤气，实现煤气自循环利用。同时，在高炉煤气中加注氢气，进一步降低二氧化碳排放，最终实现减碳30%以上。同时，宝钢湛江钢铁于2021年9月开工建设1座100万吨、具备全氢工艺试验条件的氢基竖炉，未来逐步采用可再生能源发电——高效水电解生产的绿色氢气炼铁，目标是氢气比例达到100%。

（五）绿电交易

绿色电力交易是在现有中长期交易框架下，设立的绿色电力交易品种，积极引导有绿色电力需求的用户直接与发电企业开展交易，绿色电力在电力市场交易和电网调度运行中优先组织、优先安排、优先执行、优先结算，通过相关政策措施激励用电侧购买绿色电力的积极性。

2021年9月7日，绿电交易试点启动会在北京和广州同步召开。当日启动的首次绿色电力交易，共17个省259家市场主体参与，首批绿电成交量为79.35亿千瓦时，减少标煤燃烧243.6万吨，减排二氧化碳607.18万吨，绿电的使用者可以直接减少排碳量，同时减少未来潜在的碳成本。目前国内部分地区已经开展绿电交易试点，钢铁企业也正在积极开展绿电交易工作。

四、钢铁行业清洁能源应用的问题及挑战

（一）绿电交易机制不完善

一方面，我国电力市场供需双方不平衡，跨区域绿电交易难题亟待破解。国内很多钢铁企业具备购买绿电的意愿，但由于绿电交易机制尚未健全，企业无购买途径。另一方面，绿电市场与外部市场衔接不足，绿电交易市场与碳交易市场缺乏有效衔接，存在重复计算绿电环境价值的问题，统一的电-碳市场计算标准尚未形成，电-碳价格形成机制、碳成本传导机制等核心问题尚待解决。

（二）安全性与供电可靠性存在风险

清洁能源发电容易受到环境、天气以及光照条件的影响，具有间歇性、随机性和周期性等特点，而清洁能源发电的不连续性与钢铁连续生产作业制之间存在矛盾，导致其接入电网时会对钢铁企业电网的安全性和供电可靠性造成威胁。

（三）氢能利用缺乏相应规范

国内缺乏与氢冶金配套的专项规划、政策体系、标准体系、安全规范等相关顶层设计。我国氢能产业还处于产品市场导入期，未形成规模化发展，在制氢、储运及氢能应用等各个环节，涉及领域多，企业协同、产业集群式发展仍需时日。

（四）分布式电站工程施工、运行风险

分布式光伏发电相关企业的安全管理规范不完善，从业人员的专业素质难以满足安全运行管理的要求，安全事故时有发生。当前很多钢铁企业采用BAPV安装形式，即在原有厂房建筑上，附加安装太阳能光伏系统。太阳能的安装，不能考虑屋面系统的技术特点和功能要求，往往会给屋面工程造成巨大的安全隐患，同时影响建筑屋面的正常使用功能和使用寿命。

五、推进钢铁行业清洁能源发展的建议

（一）大力发展分布式可再生能源

钢铁企业拥有大面积可用于光伏发电的屋顶，同时钢铁企业是用电大户，十分有利于建设分布式光伏电站。工业领域“十四五”绿色发展规划，明确支持钢铁行业等工业提高屋顶太阳能发电能力。推荐采用光伏建筑一体化（BIPV）安装形式，在建筑屋面施工时直接在屋面安装光伏发电系统支架配件、光伏发电组件单元板和其他电气设备。BIPV在建筑美学、建筑采光、安全性能、安装方便、寿命长、绿色环保等方面均有诸多优势。分布式光伏电站所发电力自发自用，用于企业日常生产，体现节能降碳理念。

由于风力发电对周边建筑物有安全距离要求，对于用地资源有限且布局较为紧凑的众多国内钢厂而言，在企业内部建设风电机组存在一定限制，可考虑结合企业区位优势及富余资产与新能源进行耦合集成。钢铁行业自身有港口及码头的企业可考虑在空闲区域建设分布式风力发电机组，沿海沿江钢铁企业可探索与电力集团合资建设海上风力发电厂，从而实现低碳炼钢。而处于风力资源丰富的西北地区钢铁企业亦可探索内陆风力分布式发电厂，采用直供或售电模式，参与风力发电市场。

（二）构建多能互补与储能相结合的创新体系

在传统钢铁用能流程基础上，构建多能互补与储能相结合的能源体系，实现不同种类能源和燃料的相互补充与综合利用，既包括不同种类能源的互补，也包括同一类能源不同种类燃料之间的互补。通过创新化学能释放与利用理论，发展基于多能互补的分布式能源系统，有机结合多层次不同品位化学过程与动力循环，实现燃料化学能源与物理能的综合梯级利用。构建多能互补与储能系统相结合的能源体系，能源利用效率将会得到大幅提升，可再生能源也得以最佳利用。

（三）积极推进绿电交易

绿电交易充分体现了绿色电能的附加价值，是用能企业推进节能降碳的重要手段。鼓励和引导钢铁企业通过绿色电力直接交易、购买绿色电力交易证书等方式积极消纳清洁能源，确保企业可再生能源电力消纳责任权重高于本区域最低消纳责任权重。

（四）鼓励开展氢能利用

开展氢冶金研究应用。氢冶金是传统钢铁冶金工艺技术绿色低碳变革的重要探索方向，鼓励氢冶金技术创新与产业化应用，深入研究分布式绿色能源利用、氢气制备与存储、氢冶金、CO脱除等领域的关键技术，形成以氢能为核心的新型钢铁冶金生产工艺。氢能行业是刚处于起步阶段的行业，钢铁企业为其提供了更多的落地应用机会，有着良好的示范效应和应用前景。

构建氢能产业生态圈。钢铁企业可依托自身副产氢资源优势，充分融入城市氢能源发展，通过钢化联产项目，加氢站和重卡运输“柴改氢”、家庭热电联产和氢能社会等应用场景商业示范，打造“制氢-储氢-运氢-用氢”氢能全产业园区，形成氢能产业规模化应用解决方案示范，成为氢能技术和成果转化的推动者，共同推动氢能产业生态圈的构建。

（五）绿色微电网、源网荷储等诸多创新技术全面应用

推动分布式能源技术与钢铁行业深度融合，加大智能微电网高效集成、储能技术和装备等在钢铁行业的研发应用。钢铁企业或园区通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源，以先进技术突破和体制机制创新为支撑，实现分布式可再生能源、余能余热利用、能源信息化管控等系统集成，建立多元融合、供需互动、高效配置的能源生产与消费模式。