深度觀察

　　氫能——鑄造企業(yè)的未來之路？

　　隨著“碳達(dá)峰”與“碳中和”（“雙碳”）戰(zhàn)略的持續(xù)深入，"雙碳"目標(biāo)對(duì)鑄造業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但也為鑄造行業(yè)帶來了環(huán)保技術(shù)和理念革新的契機(jī)，以減少碳排放，并逐漸過渡到更為可持續(xù)的生產(chǎn)方式，這有助于應(yīng)對(duì)氣候變化，同時(shí)可能提升企業(yè)的效益和競(jìng)爭力。近年來，氫能作為一種清潔、可再生的能源備受關(guān)注。氫氣燃燒只產(chǎn)生水，不會(huì)排放二氧化碳等溫室氣體。因此，氫能被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化和減少對(duì)化石燃料的依賴的關(guān)鍵。

　　1氫的不同“顏色”

　　要先了解氫能，我們不妨從其“顏色”開始入手。我們看到有關(guān)氫能的新聞資訊的時(shí)候，往往伴隨著“黑氫”“綠氫”、“藍(lán)氫”等“五顏六色”的氫能，那么他們究竟是什么呢？讓我們一探究竟。

　　“黑氫”是指通過傳統(tǒng)的、不環(huán)保的方法生產(chǎn)的氫氣。這些方法通常涉及使用化石燃料（如煤炭、天然氣或原油）來提取氫氣。化石燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳和其他溫室氣體，生產(chǎn)黑氫的過程通常伴隨著大量的碳排放，不符合“雙碳”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展的要求，因此黑氫是不可持續(xù)的能源。

　　“棕氫”是指通過使用（褐）煤作為原料來生產(chǎn)的氫氣。與黑氫一樣，這種生產(chǎn)方法也涉及高碳排放。棕氫的生產(chǎn)通常涉及將煤炭燃燒或氣化，然后捕獲并分離產(chǎn)生的氫氣。雖然相較傳統(tǒng)方法更為高效，但同樣不被認(rèn)為是可持續(xù)的氫能來源。

　　“灰氫”是指由天然氣水蒸氣重整制氫，將天然氣（甲烷）壓縮、脫硫后與一定壓強(qiáng)的水蒸氣在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)通過催化反應(yīng)制氫。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，通過天然氣水蒸氣重整制氫，生產(chǎn)1噸氫氣,會(huì)釋放大約10噸二氧化碳。目前，全球產(chǎn)量最多的氫就是“灰氫”。

　　“藍(lán)氫”的前序生產(chǎn)工藝與“灰氫”類似，即通過天然氣制氫。但在生產(chǎn)過程中采取了碳捕獲和儲(chǔ)存（CCS）技術(shù)。CCS技術(shù)可以捕獲產(chǎn)生的二氧化碳，將其儲(chǔ)存在地下，從而減少碳排放。藍(lán)氫被認(rèn)為是一種中間類型的氫，因?yàn)樗�在減少碳排放方面比傳統(tǒng)的灰氫更有效，但仍然依賴于化石燃料。

　　“綠氫”是指通過使用可再生能源（如太陽能或風(fēng)能）來電解水，產(chǎn)生氫氣的方法。這是一種零排放的氫，因?yàn)樗�不涉及化石燃料，只產(chǎn)生水蒸氣。綠氫被認(rèn)為是最環(huán)保和可持續(xù)的氫類型，因?yàn)樗�完全符合碳減排和氣候變化應(yīng)對(duì)的要求。

　　“藍(lán)綠氫”是結(jié)合了藍(lán)氫和綠氫的特點(diǎn)。它是通過使用可再生能源來生產(chǎn)氫氣，但同時(shí)采用碳捕獲和儲(chǔ)存技術(shù)來降低碳排放。藍(lán)綠氫的碳排放水平介于藍(lán)氫和綠氫之間，因此被認(rèn)為是一種漸進(jìn)型的選擇。

　　“黃氫”是指通過公共電網(wǎng)的電力供應(yīng)，電解水生產(chǎn)氫氣。電力能源來源于化石燃料的燃燒即為“黃氫”；能源來源于核能即為“紫氫”。

　　“紫氫”是通過核能源（核裂變或核聚變）來生產(chǎn)氫氣的方式。它是一種潛在的清潔能源，因?yàn)楹朔磻?yīng)不產(chǎn)生溫室氣體排放。盡管核能源在某些國家中被用于氫生產(chǎn)，但安全和核廢料處理等問題仍然是紫氫的挑戰(zhàn)。

　　“橙氫”是通過使用微生物或生物反應(yīng)來生產(chǎn)氫氣的方式。這包括生物發(fā)酵或生物甲烷制氫。生物制氫通常使用有機(jī)廢棄物，如農(nóng)業(yè)廢棄物或污水污泥，來產(chǎn)生氫氣。

　　了解完各“色”的氫能，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)氫能并不能等同于綠色能源。各國在氫能發(fā)展路徑的“顏色”選擇上也呈現(xiàn)出截然不同的態(tài)度。

　　2部分國家氫能發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

　　自2019年始，世界絕大多數(shù)經(jīng)濟(jì)體均發(fā)布了最新的氫能戰(zhàn)略，以期在氫能這一全新的能源賽道尋求突破。

　　中國：政策支持，未來可期

　　援引《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）的內(nèi)容，我國是世界上最大的制氫國，年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，其中，達(dá)到工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約1200萬噸。可再生能源裝機(jī)量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢(shì)，已初步掌握氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。

　　但總體看，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，相較于國際先進(jìn)水平，仍存在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強(qiáng)、技術(shù)裝備水平不高，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性制度滯后，產(chǎn)業(yè)發(fā)展形態(tài)和發(fā)展路徑尚需進(jìn)一步探索等問題和挑戰(zhàn)。同時(shí)，一些地方盲目跟風(fēng)、同質(zhì)化競(jìng)爭、低水平建設(shè)的苗頭有所顯現(xiàn)。面對(duì)新形勢(shì)、新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，亟需加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌謀劃，進(jìn)一步提升氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，不斷拓展市場(chǎng)應(yīng)用新空間，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

　　根據(jù)《規(guī)劃》目標(biāo)顯示，到2025年，形成較為完善的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展制度政策環(huán)境，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力顯著提高，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝，初步建立較為完整的供應(yīng)鏈和產(chǎn)業(yè)體系。氫能示范應(yīng)用取得明顯成效，清潔能源制氫及氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)取得較大進(jìn)展，市場(chǎng)競(jìng)爭力大幅提升，初步建立以工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應(yīng)體系。燃料電池車輛保有量約5萬輛，部署建設(shè)一批加氫站。可再生能源制氫量達(dá)到10-20萬噸/年，成為新增氫能消費(fèi)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排100-200萬噸/年。

　　再經(jīng)過5年的發(fā)展，到2030年，形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，產(chǎn)業(yè)布局合理有序，可再生能源制氫廣泛應(yīng)用，有力支撐碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

　　到2035年，形成氫能產(chǎn)業(yè)體系，構(gòu)建涵蓋交通、儲(chǔ)能、工業(yè)等領(lǐng)域的多元?dú)淠軕?yīng)用生態(tài)。可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比重明顯提升，對(duì)能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展起到重要支撐作用。

　　美國：以“灰氫”路徑為主。

　　自20世紀(jì)70年代以來，美國一直在推動(dòng)氫能源技術(shù)的發(fā)展。作為全球最大的能源消費(fèi)國，美國政府高度重視氫能源的研發(fā)與應(yīng)用。近年來，美國在氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、政策扶持和科研投入方面均走在世界前列。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，美國氫能源市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到500億美元，到2050年將達(dá)到2.5萬億美元。

　　為推動(dòng)氫能源行業(yè)的發(fā)展，美國政府出臺(tái)了一系列支持政策。首先，聯(lián)邦政府為氫能源的研發(fā)與制造提供了豐厚的資金支持。此外，各州政府也積極參與到氫能源的發(fā)展中，如加利福尼亞州為氫燃料電池汽車提供了購車補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠。賓夕法尼亞州則在可再生能源生產(chǎn)及消費(fèi)方面給予了企業(yè)稅收減免等優(yōu)惠政策。這些政策有力地促進(jìn)了氫能源的快速發(fā)展。

　　目前，美國的氫能源行業(yè)已進(jìn)入快速成長期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，美國共有270個(gè)正在運(yùn)營的氫氣生產(chǎn)設(shè)施，另有130個(gè)在建或規(guī)劃中。這些設(shè)施主要分布在加利福尼亞、紐約、賓夕法尼亞等州。此外，美國有超過25家專注于氫能源研發(fā)與制造的上市公司，其中包括多家全球領(lǐng)先的氫能源技術(shù)企業(yè)。

　　然而，水電解技術(shù)正在快速發(fā)展，預(yù)計(jì)未來將逐漸成為主流制備方式。在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面，美國已在多個(gè)城市建立了氫氣儲(chǔ)存和配送網(wǎng)絡(luò)，以確保氫能源的穩(wěn)定供應(yīng)。

　　法國：以“紫氫”路徑為主

　　自法國總統(tǒng)馬克龍第二個(gè)任期開始，就一直關(guān)注法國核能的發(fā)展，包括維護(hù)和延長既有核電站的運(yùn)行壽命，以及新建核反應(yīng)堆。在歐洲可再生能源指令（RedIII）最終批準(zhǔn)上，以法國為代表的部分歐盟國家，支持推動(dòng)核能生產(chǎn)氫（“紫氫”）的“脫碳”途徑。法國政府也有意并積極推動(dòng)法國電力公司完全國有化，以期推動(dòng)“紫氫”能源的發(fā)展。

　　德國：以“綠氫”路徑為主

　　2019年9月，德國聯(lián)邦政府出臺(tái)了“氣候保護(hù)計(jì)劃2030”，以期達(dá)成2030年溫室氣體排放比1990年減少55%的目標(biāo)，文中提到了氫能對(duì)發(fā)展氣候友好型經(jīng)濟(jì)的重要性，并宣布將發(fā)布?xì)淠軕?zhàn)略；2020年6月，德國聯(lián)邦內(nèi)閣經(jīng)過長達(dá)半年的醞釀后，批準(zhǔn)并出臺(tái)了具有里程碑意義的《國家氫能戰(zhàn)略》（以下簡稱“戰(zhàn)略”）。

　　綠氫將成為未來投資的重點(diǎn)。德國政府在戰(zhàn)略中認(rèn)定，只有在可再生能源基礎(chǔ)上制取的氫（“綠氫”）才是長期可持續(xù)的，對(duì)于德國的核心工業(yè)（例如鋼鐵和化學(xué)工業(yè)）以及交通運(yùn)輸部門達(dá)成脫碳目標(biāo)至關(guān)重要。戰(zhàn)略提到，在未來的十年內(nèi)世界上將會(huì)形成一個(gè)全球和歐洲氫能市場(chǎng)。在這個(gè)市場(chǎng)上除了綠氫，也將交易碳中和氫（例如“藍(lán)氫”）。所以，德國聯(lián)邦政府在氫能發(fā)展方面的主要方向就是發(fā)展氫能技術(shù)，利用“綠氫”，支持“綠氫”順利的市場(chǎng)推廣，以及創(chuàng)造相應(yīng)的價(jià)值鏈。

　　戰(zhàn)略明確表示，德國將以共有的氫能路線圖作為指南針，致力于將本國打造為全球市場(chǎng)上“綠氫”技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)者。

　　3鑄造企業(yè)的能源選項(xiàng)——?dú)淠?/p>

　　能源問題始終是鑄造行業(yè)繞不開的話題，能源成本、環(huán)保政策和能源結(jié)構(gòu)對(duì)鑄造企業(yè)生產(chǎn)造成了重要影響。“極致能效、超低排放、產(chǎn)能置換”日漸成為對(duì)我國鑄造企業(yè)的基本要求。氫能的發(fā)展或許能夠?yàn)殍T造企業(yè)打開提質(zhì)增效、節(jié)能減排的一扇窗。一、使用氫氣作為還原劑。在進(jìn)行鋼鐵冶煉作業(yè)時(shí)，氫氣能夠直接作為還原劑，具有高效反應(yīng)、環(huán)保安全、產(chǎn)物無毒、靈活性高、不添加雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。二、使用氫氣作為燃料。氫氣取代天然氣，用于燃?xì)馐饺蹮挔t的加熱燃料。三、使用氫能作為電力供應(yīng)。運(yùn)用氫能直接為工廠電弧爐、感應(yīng)爐、感應(yīng)加熱設(shè)備等電力設(shè)施設(shè)備供電。

　　在歐洲，鑄造行業(yè)已經(jīng)嘗試開始使用氫能作為鑄件生產(chǎn)的能源。一方面，氫能的使用與歐洲日趨收緊的環(huán)境政策有關(guān)；另一方面，自俄烏戰(zhàn)爭爆發(fā)以來造成的歐洲能源危機(jī)，深刻地改變了地緣政治和能源格局，部分歐盟國家加快了新能源開發(fā)利用的腳步。

　　根據(jù)2018年對(duì)歐洲鑄造企業(yè)的調(diào)查顯示，在鑄件生產(chǎn)中，僅21%的鑄件是由電爐熔煉，54%是由天然氣熔爐熔煉，25%為焦炭熔煉。在“歐洲綠色協(xié)議”（GreatDeal）、“減碳55%”（Fitfor55）和“REPowerEU”能源計(jì)劃等一系列歐盟能源政策的發(fā)布后，歐洲各界普遍將鑄造行業(yè)視作“脫碳”的“杠桿”行業(yè)之一。根據(jù)歐盟發(fā)布的各工業(yè)部門“脫碳”規(guī)劃，其中針對(duì)鑄造行業(yè)的熔爐電氣化解決方案，要求鑄造企業(yè)加大對(duì)工業(yè)爐的投資，熔爐電氣化的前提是能源來自于可再生能源。部分歐洲國家，如德國，已經(jīng)開始限制以天然氣為燃料的熔爐的使用，以減少對(duì)化石能源的依賴，可替代的能源包括綠色燃料、生物甲烷或“綠氫”。

　　4金屬行業(yè)氫能應(yīng)用的案例

　　作為氫能家族中的明星，“綠氫”以0污染、0碳排放，備受追崇。然而，根據(jù)德國航空航天中心2020年公布的數(shù)據(jù)顯示，全世界每年消耗的氫，只有5%是綠氫。大多數(shù)氫是以“灰氫”的形式生產(chǎn)。

　　作為面向未來的能源，“綠氫”在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用也處于起步階段。但是，近年來，新成果新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，已經(jīng)具備了一定規(guī)模。

　　一、德國鋼鐵巨頭薩爾茨吉特公司（SalzgitterAG）擬建造一座歐洲最大的綠氫工廠，以支撐其SALCOS®項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。在SalzgitterAG的SalzgitterFlachstahl工廠現(xiàn)場(chǎng)建造一座100MW電解廠，將采用HydrogenPro公司的堿性電解水制氫技術(shù)。計(jì)劃從2026年起，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)9,000噸綠氫，用于綠鋼生產(chǎn)。標(biāo)志著SALCOS®項(xiàng)目氫能工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的開端。

　　SALCOS®項(xiàng)目將分為三個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。第一階段將在2026年前完成，包括煉鋼廠、電弧爐（此前已完成前兩項(xiàng)）和一座綠氫工廠。在2033年年底前，要實(shí)現(xiàn)無CO2排放煉鋼，提前于政府的強(qiáng)制要求日期。

　　二、中國寶武鋼鐵集團(tuán)作為全球最大的鋼鐵公司，2022年就公布了其碳減排目標(biāo)的兩條技術(shù)路徑，即富氫碳循環(huán)氧氣高爐HyCROF和氫還原電熔煉工藝HyRES。

　　目前HyCROF工藝在已分離二氧化碳未得到處理的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)30%左右的減碳能力。寶武同時(shí)也正在積極布局綠電資源，力爭通過更多技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)約70%的工藝減碳，并結(jié)合CCUS（碳捕獲、利用與封存）技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)高爐冶煉流程的碳中和。

　　氫還原電熔煉工藝HyRESP，是一種將氫和電高效協(xié)同、資源適應(yīng)性更廣的氫冶金工藝。“以礦石為原料的氫冶金將日益重要，是面向未來的鋼鐵碳中和終極方案，也是寶武碳中和路線圖中的重要技術(shù)方向。

　　三、德國、法國、盧森堡三國共同發(fā)起格蘭德地區(qū)氫能倡議，共投資35億歐元，使該地區(qū)的氫能項(xiàng)目能夠項(xiàng)目聯(lián)系，協(xié)同增效，從長期來看，目的是在該區(qū)域建立氫能經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)園。該項(xiàng)目位于德國薩爾州，擬計(jì)劃從2027年起，每年生產(chǎn)350萬噸“綠鋼”，電爐等設(shè)備設(shè)施的改造也將于2027年完成。

　　5鑄造與氫能的綠色未來

　　盡管，氫能在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用成效已經(jīng)初見端倪，但是，在其兄弟行業(yè)鑄造業(yè)的應(yīng)用仍是一片藍(lán)海。氫能在鋼鐵業(yè)的有益實(shí)踐為鑄造廠的氫能應(yīng)用提供了參考借鑒。我們可以大膽地想象，也許就在未來，一座座儲(chǔ)氫罐、一片片光伏板、一個(gè)個(gè)風(fēng)電塔將成為鑄造廠配套的標(biāo)配，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合風(fēng)、光等可再生能源參與電網(wǎng)削峰平谷、調(diào)峰調(diào)頻，持續(xù)為鑄造廠提供源源不斷的綠色電力；運(yùn)用可再生能源產(chǎn)生的電力，電解水產(chǎn)生氫氣，為熔煉提供源源不斷的燃料。到那個(gè)時(shí)候，鑄造業(yè)必然會(huì)摘掉“高能耗、高排放、高污染”的標(biāo)簽。

　　我們共同期待著“雙碳”目標(biāo)下，氫能的技術(shù)革新，成為綠色環(huán)保、安全高效、經(jīng)濟(jì)適用的新能源，讓鑄造業(yè)這一賡續(xù)千年的古老行業(yè)煥發(fā)綠色青春，讓綠色成為鑄造業(yè)的“底色”！