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为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢

更新时间:2021-11-23 10:16:09点击:

2021年7月16日上午9点,碳排放权交易系统在上海环境能源交易所鸣锣开市。该系统纳入全国超2000家重点碳排放企业单位,覆盖二氧化碳排放量40亿吨,启动后即成为全球覆盖温室气体规模最大的碳排放交易市场,但今年还未覆盖钢铁生产。钢铁行业作为全国重要的高碳排放行业之一,2021年的限产要求已经拉开了钢铁行业达成“双碳”目标的序幕,钢铁生产在不远的未来纳入碳排放交易市场将毋庸置疑。Mysteel黑色产业研究服务部认为:1.钢铁行业由于试点代表性稍弱、核算方法相对复杂等原因今年无望纳入碳排放市场,但预计“十四五”期间钢铁行业会遵循总量从宽、分配从严的原则逐步纳入碳排放权交易系统;2.碳排放配额机制会给高排放低效率的企业越来越大的约束力,压缩相关钢厂利润空间,推动企业工艺转型:优胜劣汰,适者生存;3.钢铁企业要高度重视“双碳”政策的决心和力度,加速淘汰落后产能,积极寻求绿色低碳生产道路,以免在未来碳排放权和限产等多因素影响下遭受巨大损失。

为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢(图1)

一、钢铁行业为何没有率先纳入碳排放权交易市场?

Mysteel黑色产业研究服务部认为,钢铁行业相比发电行业,试点代表性稍弱,核算方法相对复杂。目前,发电行业是首个也是唯一纳入全国碳排放市场的行业,相比钢铁行业来看,首选发电行业因其碳排放量大,更具备试点代表性。发电行业长期占到我国年碳排放总量的40%至50%,以2021年1月至5月中国主要行业碳排放总量为例,今年1-5月我国主要行业二氧化碳排放量45.6亿吨,其中,发电行业今年1-5月碳排放量为20亿吨,占比44%,高居第一;工业碳排放总量为18亿吨,占比39%,而工业中钢铁行业碳排放量仅占全国总量的15%。

为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢(图2)

另外,钢铁行业生产产品的非同质性导致配额设定比发电行业更具有难度和挑战性。如何准确科学地分配给各钢铁企业相应的配额是钢铁行业碳市场建设的重中之重。发电行业的碳排放主要是火力发电时燃烧化石燃料所排放的温室气体,生产产品为电力,相对单一且具有同质性,因此可以通过采集和监测发电行业的火力发电量进行估量测算,较为容易的设定行业基准线,逐步淘汰高排放低效率的发电企业。然而钢铁行业的终端产品不尽相同,具有非同质性的特点,如采用基准线方法则需要建立在大量企业生产活动排放数据与产品的基础上,核算方法制定较为复杂。若采用基于企业历史排放数据的历史法,虽然计算简单、核算方法制定相对容易,但是会造成积极减排的企业由于历史排放数据低从而被分配更少的配额,高排低效的企业反而从中获利被分配更多配额。因此,历史法存在一定程度上损害碳排放权交易市场公平性的弊端,很可能导致“劣币驱逐良币”、“鞭打快牛”等不良现象。所以,如何制定更科学合理的配额分配准则是目前钢铁行业纳入碳排放市场前需要攻克的一大难点。

为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢(图3)

2020年,全球钢铁行业总产量达到18.6亿吨,上千亿美元。钢铁的强度与重量比高,生产成本相对较低,是建筑和汽车等许多行业的宝贵材料。然而,在气候危机的背景下,由于依赖碳密集型化石燃料(主要是煤炭),该行业受到越来越多的审查。全球钢铁产量约占全球碳排放总量的8%,对煤炭的渴求继续推动着挖掘。每生产一吨采用传统综合工艺方法生产的液态钢,就会燃烧770公斤煤和焦炭,向大气中释放1.8吨二氧化碳,这意味着钢铁行业实际上比钢铁行业更生产二氧化碳。

二、钢铁行业何时纳入碳排放权交易体系?纳入后会是未来中国钢铁行业的“紧箍咒”?

Mysteel黑色产业研究服务部认为,钢铁行业碳市场的建立符合国家提出的绿色低碳发展目标,是钢铁行业高质量发展的重要途径。在探讨之前我们提醒大家要高度重视国家为保证完成二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,力争2060年前实现碳中和(“30·60”目标)的决心和力度。

近年来,世界各国政府一直在寻找实现2015年《巴黎气候协定》目标的方法,因此,该行业脱碳的政治压力也在加大。

但压力不仅仅是政府。碳价格等日益加剧的财政压力,以及环境、社会和治理的普及率和可信度的提高,在希望将资金投入道德境界的年轻、更环保的一代投资者中,这既增加了这种压力,也提供了越来越有力的激励措施,使该行业脱碳。

短期内,钢铁行业碳排放市场仍处于试点到全国的探索阶段,预计在“十四五”期间钢铁行业将会纳入碳排放权交易体系,并处于一个总量从宽、分配从严的动态调整阶段。从中长期来看,碳排放配额总量必将不断收缩调整以推动钢铁行业低碳转型,实现我国“30·60”的绿色发展目标。其中,钢铁行业碳排放配额将会设定免费发放和有偿拍卖两种方式。免费发放体现相关部门在宏观上对钢铁行业碳排放的总体把控,有偿交易体现微观上企业和相关单位通过市场机制一定程度上调整自身碳排放量。我们预计,钢铁行业纳入碳排放市场后,免费发放配额量会愈加严格,配额有偿拍卖价格随着稀缺性的增加而不断水涨船高。目前,从碳排放权交易系统上线至7月28日来看,累计成交量达492万吨,累计成交额2.5亿元,每日均价从首日51元/吨上涨到57元/吨随后下降至52元/吨,开市以来的平均价格在54元/吨左右。对此,上海市节能减排中心副总工程师齐康表示,由于全国电力供需总体偏紧,真正的卖盘很少,配额价格上涨预期是比较强的。根据全国碳排放权交易市场试点来看,通常在企业履约到期日前两个月交易量增长较快,配额价格也会相应水涨船高。但是碳排放配额机制会给未完成履约的企业带来多大的成本压力或消极影响呢?从2018年各试点省市的情况来看,处罚机制有所不同:天津市要求未遵约企业限期改正且3年内不享受优惠政策;广东、上海等地仅处罚5-10万元不等;重庆地区需清缴期届满前一个月配额平均价格的3倍。随着碳排放权交易管理暂行条例被列为设立上位法的工作重点,届时相关条例将为碳市场提供更强有力的指导,也将发挥更强的约束力。因此,我国未来钢铁行业在确保完成“30·60”目标情况下必将受到碳排放权配额机制这一“紧箍咒”的约束,进而实现整个行业企业优胜劣汰,适者生存。

为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢(图4)

在此背景下,一些小型的"绿色钢铁"项目开始在欧洲和其他地区出现。其中之一是Primetals技术公司在奥地利多纳维茨的沃斯塔平钢铁厂进行的氢基细矿减少(HYFOR)试点项目。

三、戴上紧箍的钢铁行业:敢问路在何方?

Mysteel黑色产业研究服务部认为:首先,我国钢铁行业总体上管理规范性较好并且现代化水平较高,对生产活动数据和碳排放数据的采集和监测体系较为完备,具备纳入碳排放市场的良好基础。但需要相关部门进一步更科学地进行顶层设计,包括核算方法、分配体系、价格机制、风险防控以及监管体系等。近日,生态环境部要求河北、吉林、浙江、山东、广东、重庆和陕西作为试点地区在今年年底前发布建设项目碳排放环境影响评价相关文件,研究制定建设项目碳排放量核算方法和环境影响报告书编制规范,基本建立重点行业建设项目碳排放环境影响评价的工作机制。2022年6月底前,基本摸清重点行业碳排放水平和减排潜力,探索形成建设项目污染物和碳排放协同管控评价技术方法,打通污染源与碳排放管理统筹融合路径,从源头实现减污降碳协同作用。因此,需要从相关部门到行业再到个体应自上而下地明确为实现“30·60”而制定的减排目标以及规划路线,做到协调统一。

第二,钢铁企业应积极主动响应国家号召,淘汰高排放落后产能,发展低碳绿色工艺,早日实现“双碳”目标。目前我国钢铁行业长流程生产工艺约占全国粗钢生产的90%,而短流程生产工艺占比仅10%左右。从生产活动碳排放总系数来看,高炉-转炉工艺所排放二氧化碳是电炉工艺的3倍以上。因此,尽快淘汰不达标的高排放落后产能,加快提升电炉短流程占比,是钢铁企业工艺转型路径之一。相关钢铁企业应保持高度的战略眼光,不应低估我国对确保“30·60”目标实现的决心和力度:未来钢铁行业不仅要被念“紧箍咒”,很可能再绑一条越捆越紧的限产“捆仙绳”。因此,有关钢铁企业要清醒评估企业自身在“十四五”期间的战略规划和转型能力,以免在未来相关政策出台后可能蒙受巨大经济损失。

经过多年的开发和两个月的初步测试,HYFOR于6月开始运营,此后,其创新的铁矿石精矿直接减排工艺吸引了业内许多人的注意,这是世界上首创的此类工艺。HYFOR的氢气为100%提供动力,可将排放量减少90%,试点计划至少在未来两年内投入使用。

为碳买单:未来中国钢铁行业的“紧箍咒”钢铁未来:用氢气制造绿色钢(图5)

精彩回顾:

"全球75%的钢铁生产能源来自碳,其余来自天然气和电力。我们唯一可以改变的是去除煤炭,"Primetals技术公司生态解决方案主管亚历山大·弗莱尚德尔博士告诉欧洲工业。

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“然而,我们还需要从铁矿石中去除氧气,这给我们留下了三种选择。我们可以燃烧碳,释放二氧化碳。我们可以使用氢气,氢释放水。或者第三种选择是使用电子,将铁矿石转化为直接电解的钢,而这种技术还处于起步阶段。”

弗莱尚德尔博士认为,能源效率或工艺优化是该行业脱碳的第一阶段。

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使用现有资产实现脱碳的机会很多。它们应该被利用,否则它们最终会成为搁浅的资产。您可以优化烧结厂、颗粒厂和高炉。你可以注入气体,从天然气开始,也可以注入氢气。您可以实施其他能效解决方案,如废热回收,从渣渣中回收热量。大多数客户仍未实施此类解决方案。

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弗莱尚德尔博士说,其原因通常是投资回报率。“大多数客户希望在一两年内得到回报。这些解决方案需要五到六年的时间才能有回报。尽管如此,将来还是强制性的。”

废钢回收也将在一定程度上减少排放。他补充说,问题在于可用性。

问题是,生产率高于可刮库存。如果我们展望2050年,我们估计将有大约9亿吨废料需要回收利用,但我们将生产超过20亿吨的钢铁。因此,我们仍要缩小10亿吨以上的缺口,以消除来自铁矿石的原始饲料。

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虽然能源效率和循环经济举措的进步在钢铁绿化中起着重要作用,但它们只能做这么多工作——最多减少30%左右的碳足迹。碳捕获和储存(CCS)看起来也肯定会在该行业减少排放的努力中发挥重要作用,从而允许将部分碳封存起来。

然而,随着全球需求的上升,将炼钢量降至净零将需要技术的根本转变。这就是海福的用武之地。Donawitz的试点工作重点是继续开发HYFOR技术,使其准备扩大为第一个工业原型,预计今年年底将作出决定。

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弗莱尚德尔博士说,HYFOR与绿色钢铁同行的分离,是它赖以养活的。

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“我们直接以铁矿石罚款和超精矿为原料,等等。我们可以避免受益-颗粒切片步骤-并直接饲料矿石罚款。它取消了投资颗粒化工厂的要求,而颗粒化工厂是一项沉重的负担资产。”

“另一件事是运营成本。在进食前,您可以避免对颗粒进行加热和冷却的化石燃料需求。通过使用铁矿石罚款和超罚款,您可以轻松地完全、更快地减少这些矿石颗粒,保持较低的降低温度和工艺压力意味着更多的能源效率。”

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这是弗莱尚德尔博士所说的"转型阶段"的一部分,这是钢铁在过程优化后脱碳的下一步。他预计,未来将有更多的电弧炉和更少的高炉,这些电弧炉将用废料和直接减铁来喂养。

"现在重要的是让未来能够逐渐从天然气转向氢气的工厂,"他指出,俄罗斯最近有一个项目,Primetals在2月份参与了该项目。

它位于俄罗斯库尔斯克州的热列兹诺戈尔斯克,由米哈伊洛夫斯基HBI公司经营,是世界上最大的热钢(HBI)工厂。那里的生产将从使用天然气开始,但"只要有可能"就会转向氢气。

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不过,他警告称,尽管有许多有希望的迹象显示,最大的工业排放国之一正开始,但全球还有很长的路要走。在欧盟,欧盟委员会正在研究如何利用碳定价作为降低碳排放的工具。此外,来自欧洲投资基金和复苏基金的支持也可以在欧洲部分发挥作用。

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然而,欧洲的钢铁产量仅占全球钢铁产量的8%左右,这个数字更有可能下降,而不是增加。他说,一些主要的钢铁生产国还有很长的路要走,他举了印度为例。

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2019 年,印度的钢铁产量为 1.11 亿吨,预计 2030 年将达到 3 亿吨。

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他说,问题在于"印度没有政策。它没有碳税,也不打算在未来几年内这样做。印度仍在试运行新的高炉,因为印度知道这些高炉会持续50到60年左右。印度的中期解决方案可能是碳捕获和储存。

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尽管如此,弗莱尚德尔博士说,HYFOR将继续向前发展。

"看到一家使用低质量铁矿石饲料的直接减排厂,在电力冶炼厂生产热金属和矿渣,然后通过行业认证,用于水泥行业,以推动循环经济。这将有助于我们逐步前进。我们需要使用绿色氢气和碳捕获储存和利用,我们需要用可再生能源为电弧炉供电。这将让我们在未来接近零碳足迹,因为我们期待2050年。”

Tips:

亚历山大·弗莱尚德尔博士是可持续钢铁生产的知名专家,涵盖脱碳、废气清洁、能源效率、副产品管理和废水处理。他拥有奥地利格拉茨理工大学的博士学位,拥有约100项专利。2013年,他被授予西门子年度发明家。

来源:Industry Europe、氢启未来网

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