張鵬成，徐 箭，孫元章，柯德平，廖思陽

（武漢大學電氣與自動化學院，湖北省 武漢市 430072）

0 引言

工業(yè)作為國民經濟的主導產業(yè)，其蓬勃發(fā)展極大地促進了國家經濟增長。但數(shù)據顯示，中國工業(yè)領域能源消耗占全國能源能耗的66%［1］，鋼鐵碳排放量占全球鋼鐵行業(yè)碳排放總量的60%以上［2］，工業(yè)低碳發(fā)展對于促進中國“碳達峰、碳中和”的目標實現(xiàn)，以及緩解全球氣候變化具有重要作用。

中央財經委員會第九次會議指出，要構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)［3］，工業(yè)作為用電大戶有望促進新能源消納，借助新能源實現(xiàn)工業(yè)低碳轉型的發(fā)展路徑受到廣泛關注。文獻［4］論證了借助高耗能工業(yè)負荷實現(xiàn)新能源本地消納的可能性。文獻［5-7］探討了風電與電解鋁工業(yè)負荷耦合后微電網的頻率問題、負荷的控制問題等，為高耗能負荷高比例消納新能源提供了參考。然而，有相當一部分碳排放無法通過直接的清潔電力替代消除，如鋼鐵工業(yè)中高爐環(huán)節(jié)的碳排放就無法通過電能替代消除。研究表明，電能替代僅能減少工業(yè)生產低品位熱能所造成的20%左右的碳排放，其余80%來源于原料與生產高品位熱能的碳排放則無法通過電能替代實現(xiàn)脫碳［8］，而氫能是解決這一問題的有效方案。

研究表明，利用園區(qū)內大面積閑置空地和建筑屋頂建設分布式光伏［9］，可以間接助力電力側減碳；采用氫基熔融還原或氫基豎爐取代傳統(tǒng)高爐，用氫加熱取代碳加熱，可以實現(xiàn)生產側減碳［10］；引入氫能重型卡車（簡稱重卡）取代園區(qū)燃油重卡，配置氫能存儲和加注設施，可以滿足多途徑氫能利用并實現(xiàn)終端用能側減碳?；诖?，國內外在新能源、氫能耦合工業(yè)能源系統(tǒng)方面進行了大量的探索。國內泰山鋼鐵集團引入加氫站和氫能運輸車輛［11］；蘭州新區(qū)和寶豐能源布局光伏電解水制氫［12-13］，電氫耦合程度逐步加深，電氫能源系統(tǒng)涉及面愈發(fā)寬泛［14-16］。國外在氫基還原鐵、氫燃料電池車等方面也有大量研究，并取得了一定進展［17-18］。然而，以上研究和示范工程僅針對某一技術或某一環(huán)節(jié)論證技術可行性，未對新能源和氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)進行整體分析，且未對工業(yè)能源系統(tǒng)重構過程中的節(jié)能環(huán)保效益、經濟可行性及耦合系統(tǒng)利益點進行評價。

基于此，本文以鋼鐵工業(yè)園區(qū)為例，構建了氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)方案，對比了鋼鐵園區(qū)拓展氫能產業(yè)鏈前后的物質流變化。同時，以國內某大型鋼鐵工業(yè)園區(qū)為例，從節(jié)能環(huán)保和經濟性2 個維度論證方案的可行性，探討系統(tǒng)減排效果和收益情況，為新能源和氫能參與下的工業(yè)能源系統(tǒng)運行與控制奠定基礎。最后，本文以國內鋼鐵產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢分析為基礎，測算氫能參與下鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排潛力，有效助力“碳達峰、碳中和”的目標實現(xiàn)。

1 工業(yè)能源系統(tǒng)特點及能源系統(tǒng)重構

工業(yè)生產是對自然資源以及原材料進行加工或裝配的過程，是特殊的用能主體，聚集多種生產要素，形成滿足社會需求的產品。以鋼鐵工業(yè)為例，具有以下4 個特點：

1）多產品需求。鋼鐵是不可或缺的戰(zhàn)略性基礎工業(yè)品，在社會生產的各個領域都有較為廣泛的應用，發(fā)揮著不可替代的作用。

2）高能源消耗。鋼鐵產業(yè)的主要原料為鐵礦石和煤炭，同時需要水、電能、氧氣、氫氣等多能源輸入。

3）高污染強度。鋼鐵生產過程中有CO2、氮氧化物及廢水等污染物排放。

4）多副產價值。鋼鐵生產全流程有較多副產物，如焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、爐渣及余熱等，可用于發(fā)電、建材、建筑取暖等多個領域，具有較好的利用價值。

以鋼鐵為代表的工業(yè)是典型的多能源系統(tǒng)，面臨節(jié)能增效和綠色轉型雙重壓力。本文按照不同功能將鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)分為生產系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)和節(jié)能系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 鋼鐵工業(yè)典型生產流程Fig.1 Typical production process of iron and steel industry

生產系統(tǒng)中，包括高爐-轉爐長流程煉鋼和電弧爐短流程煉鋼2 種工序，其中長流程工序是造成碳排放居高的重要因素，而中國90%以上的鋼材通過長流程得到［19］。長流程工序從鐵礦石等原料開始，經煉焦、燒結、高爐、轉爐形成鋼水，而短流程工序則利用回收所得廢鋼或鐵水經電弧爐形成鋼水；運輸系統(tǒng)中，采用重卡/機車運輸各環(huán)節(jié)之間的原料和產物；節(jié)能系統(tǒng)中，煤氣余熱用于周邊居民供暖，低熱煤氣用于發(fā)電，爐渣用于建筑材料等。分析可見，園區(qū)能源結構較為單一，鋼鐵工業(yè)獨立發(fā)展節(jié)能減排潛力有限、原生動力不足。若園區(qū)用電均采用新能源電力，改碳冶金為氫冶金，園區(qū)物流采用氫能重卡，則有望實現(xiàn)鋼鐵園區(qū)的零碳發(fā)展。

因此，對鋼鐵園區(qū)能源網絡進行分析和重構有利于進一步提高園區(qū)資源利用率，也可為未來融入碳市場提供有力支撐。同時，引入新能源和氫能將使得鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的清潔特點更加顯著。

基于此，本文考慮新能源光伏、電解水裝置、儲氫加氫設施、氫燃料電池車參與下的電能替代和氫能替代2 條主線，綜合構建“綠電-氫能-工業(yè)”耦合復雜系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 “綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)Fig.2 Coupling system consisted of“green power,hydrogen energy and industry”

建設圖2 所示的耦合系統(tǒng)需進行3 個方面研究：可行性分析、規(guī)劃設計與運行控制。在可行性分析方面，需從節(jié)能環(huán)保和經濟效益等多方面進行對比；在規(guī)劃設計方面，需考慮相關設備的轉換和合理利用，以系統(tǒng)全生命周期經濟效益最大化為目標進行設計；在運行控制方面，利用資源任務網對流程建模，結合新能源功率預測及不確定性建模等方式對系統(tǒng)各時段用能情況進行優(yōu)化，通過控制設備啟停、荷載率等實現(xiàn)多設備、多系統(tǒng)的匹配運行。

2 鋼鐵園區(qū)耦合能源系統(tǒng)分析

2.1 耦合可行性

構建圖2 所示耦合能源系統(tǒng)的前提是有充足的水源以及氫能在園區(qū)中實現(xiàn)綜合利用（核心是氫冶金），由于鋼鐵生產需水量大，園區(qū)往往近水源建設。就氫冶金而言，幾種典型制氫方式有：化石能源制氫、工業(yè)副產氣提純氫以及電解水制氫。根據碳排放不同又可分為灰氫、藍氫和綠氫。技術方面，氫冶金對于氫氣的品質純度沒有嚴格的要求，灰氫、藍氫、綠氫均可以應用于氫冶金過程中。在傳統(tǒng)的以高爐為主體的長流程煉鋼流程中，眾多富氫物質可以加入高爐中作為還原劑，既可以減少溫室氣體排放也可以提升冶煉效率，如焦化過程的副產焦爐煤氣、天然氣和廢塑料等均可以添加到高爐中作為還原劑［20-22］。此外，針對新能源制氫用于氫冶煉方面，國內外也進行了大量的探索，如瑞典HYBRIT 項目利用氫氣在較低的溫度下對球團礦進行直接還原，得到直接還原鐵［23］。圖3 所示為一種氫氣豎爐直接還原工藝的流程示意圖［24］。

圖3 氫氣豎爐直接還原流程Fig.3 Direct reduction process of hydrogen shaft furnace

以氫氣作為還原氣時產物為水，可大幅減少生產過程的CO2排放，同時產物中碳含量較低。此外，相較于傳統(tǒng)高爐煉鐵的還原溫度，氫冶金的還原溫度（800～900 ℃）更低，礦石中其他氧化物不會被還原進入產物中，以避免雜質元素進入鋼水中［10，24］。綜上所述，氫冶金技術較為成熟且優(yōu)勢明顯。

成本方面，煤炭價格和氫氣價格對碳冶金和氫冶金2 種模式的成本有較大影響。所研究鋼鐵廠數(shù)據顯示，1 t 鐵水大約需要0.5 t 煤炭。按照式（1）所示的理想情況下的氫冶金過程計算，1 t 鐵水需要53.571 kg 氫氣。

理想情況下當氫價和煤價之比小于9.333 時，氫冶金相較碳冶金具有經濟性。按煤炭價格為1 000 元/t 計 算，氫 價 小 于9.333 元/kg 時 氫 冶 金 相較碳冶金有優(yōu)勢。其中，灰氫成本較低但碳排放大；藍氫采用碳捕集技術，其成本大幅增加；綠氫采用新能源電力電解水制氫，其成本依賴于新能源發(fā)電價格，具體成本估算如表1 所示。

表1 幾種典型制氫方式的成本Table 1 Cost of several typical hydrogen production modes

可以看出，隨著新能源發(fā)電成本的下降，采用新能源電力電解水制氫（即綠氫）進而用于冶金將具有經濟性。同時，考慮到新能源電力電解水制氫的碳排放接近為零，氫冶金減少的鋼鐵園區(qū)碳排放可參與碳市場交易獲取收益，新能源電解水制氫應用于冶煉這一發(fā)展模式將更有前景。

2.2 物質流分析

工業(yè)園區(qū)在提升能效和控制碳排放的決策工作中尚未形成流程化、系統(tǒng)性的分析方法［25］，大多依靠各產業(yè)部門形成的宏觀統(tǒng)計數(shù)據指導實際生產。在鋼鐵能源系統(tǒng)獨立運作時，煤炭、水、市政電及汽柴油等作為能源輸入直接供給園區(qū)生產系統(tǒng)及物流運輸使用，其能源結構單一、物質鏈短。此外，煤炭、市政電力及汽柴油利用導致的直接/間接碳排放較大，單位產出能源消耗及碳排放均較高，產品競爭力弱。形成“綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)后，煤炭、水、電力、汽柴油及風光等能源作為園區(qū)能源網絡的輸入，通過焦化裝置、光伏板、風機及電解槽等途徑和方式實現(xiàn)從輸入能源到可利用能源的轉化。轉化能源與輸入能源一同供給生產設備、辦公設備及園區(qū)物流等終端用能設備使用，為城市提供了綠色能源接口，有效豐富和延展了鋼鐵園區(qū)的物質鏈和產業(yè)鏈。本文構建的鋼鐵園區(qū)能流-碳流分析框架如圖4所示，圖示不考慮副產物再利用形成的小循環(huán)。

與利用能源輸入輸出的測算模式相比，圖4 所示框架可以結合各環(huán)節(jié)轉換效率、碳排放因子等參數(shù)直觀展示系統(tǒng)能流和碳流分布，精準定位高能耗、高碳排環(huán)節(jié)，為技術革新、綠色能源替代提供參考。定性來看，耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，采用新能源電力及電解水制氫能取代部分化石能源，形成傳統(tǒng)鋼鐵能源系統(tǒng)與綠色能源系統(tǒng)之間的耦合，在相同產出下能源消耗及碳排放更少，更具可持續(xù)發(fā)展的潛力。

圖4 鋼鐵園區(qū)能流-碳流分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of analysis on energy flow and carbon flow in iron and steel park

2.3 耦合特性分析

實現(xiàn)鋼鐵傳統(tǒng)能源系統(tǒng)與新能源、氫能系統(tǒng)的耦合是促進鋼鐵能源系統(tǒng)節(jié)能減碳、提高能效的有效途徑，而耦合環(huán)節(jié)是多系統(tǒng)運行的關鍵。新能源電力及氫能分配環(huán)節(jié)、氫能利用環(huán)節(jié)間的協(xié)調配合對于電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關重要。所構建耦合系統(tǒng)中，電解水裝置與燃料電池是實現(xiàn)電-氫、氫-電轉換的核心設備，新能源電力及氫能是串接多系統(tǒng)的關鍵要素。耦合系統(tǒng)將具有以下特點：

1）高比例新能源消納。鋼鐵園區(qū)由于電爐精煉、軋鋼等工序導致負荷功率有較大起伏，而風光可再生能源具有很強的隨機性和波動性，需要電網預留更多的備用容量。通過新能源發(fā)電電解水制氫在獲得氫能的同時有望平抑新能源功率波動，實現(xiàn)較大規(guī)模的新能源消納［26-27］。

2）多能互補、節(jié)能低碳。通過高爐改造，富氫或純氫氣體作為還原劑可以滿足生產需求［23，28］，且混合比例可調。此外，新能源電力及電解水制備的氫氣可認為碳排放接近于零，在鋼鐵園區(qū)的廣泛應用有利于減少碳排放，電解水制氫的副產物氧氣還可以應用于生產環(huán)節(jié)，進而實現(xiàn)多能源綜合利用。

3 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益分析

前文未對耦合系統(tǒng)相關減排量進行定量測算。本章以國內某鋼鐵園區(qū)為例，介紹其現(xiàn)有能源系統(tǒng)，測算耦合系統(tǒng)構建后的減排量，引入能源利用率、相對節(jié)能率等指標說明其合理性，為耦合系統(tǒng)建設、推廣提供依據。

3.1 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)簡述

所研究的鋼鐵園區(qū)有5 條高爐生產線、2 條轉爐生產線，年用電量高達1.22 TW·h 以上，配有煤氣發(fā)電機及熱發(fā)電250 MW，自發(fā)電比例達57%，該園區(qū)能源系統(tǒng)關鍵參數(shù)見附錄A 表A1。

生產系統(tǒng)中，園區(qū)采用傳統(tǒng)的高爐-轉爐工藝，高爐還原劑采用焦炭和煤粉混合，鐵水及廢鋼作為轉爐煉鋼原料，有著較豐富的高爐煤氣和轉爐煤氣，此外還有完備的水循環(huán)和熱循環(huán)系統(tǒng)。運輸系統(tǒng)中，該園區(qū)有用于運輸、清潔等的各類車輛211 輛，其中運輸車輛97 輛、非運輸車輛114 輛，運輸車輛均采用燃油車。節(jié)能系統(tǒng)中，園區(qū)內利用煤氣、余熱等資源發(fā)電，利用余熱供園區(qū)及周邊居民取暖。

該園區(qū)通過污染控制及物質循環(huán)回收利用，實現(xiàn)超低排放改造，并依托清潔發(fā)展優(yōu)勢建成3A 級鋼鐵文化創(chuàng)意園，有清潔發(fā)展的內生動力。但該園區(qū)存在煤氣放空、燃油車排放大及清潔發(fā)展優(yōu)勢不突出等問題，仍有很大的綠色發(fā)展空間，有建設“綠電-氫能-工業(yè)”耦合能源系統(tǒng)的基礎。

3.2 耦合系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益

園區(qū)能源系統(tǒng)主要包含能源向產品轉換和能源向動力轉換2 個過程。高爐還原劑及燃料采用煤粉和焦炭，所需氧氣源于空氣分離，所需氫氣源于甲醇裂解氣。高爐煉鐵、甲醇裂解主反應如式（2）和式（3）所示。

在高爐煉鐵反應中，焦炭或煤粉與CO2反應在提供還原劑的同時為反應提供所需熱量。同時，式（2）和式（3）顯示整個過程將有一定量的CO2排出。除此之外，園區(qū)內重型運輸車輛采用柴油動力，也是碳排放的重要源頭。構建包含新能源和氫能的耦合系統(tǒng)后，新能源電解水制備得到的氫氣（即“綠氫”）將改變園區(qū)能源利用結構，成為整個能源系統(tǒng)的重要補充。電解水制氫反應及氫氣還原鐵反應的簡化方程式如式（4）和式（5）所示。

“綠氫”來源于電解水，電解槽不同其特性也不同。例如，質子交換膜電解水制氫方式因其響應速度快、工作范圍廣，適合與新能源發(fā)電匹配［29］，附錄A 表A2 所示為3 種電解水技術的參數(shù)對比［30-31］。氫氣還原鐵采用氫氣作為還原劑，所需熱量由氫燃燒或其他方式供給?！熬G氫”除滿足鋼鐵生產線應用外，還可以供給氫燃料電池重卡/機車使用，產物零排放。附錄A 表A3 給出了不同類型柴油車單位行駛里程的碳排放情況［32］。

鋼鐵園區(qū)軋鋼日用400 kg 氫氣，園區(qū)計劃新建120 MW 光伏，新建20 MW 電解水制氫裝置?？紤]到氫能產業(yè)鏈發(fā)展的不確定性，本文考慮該園區(qū)到2030 年在運輸方面的氫能替代將達100%，氫能煉鐵發(fā)展有低、中、高3 種方案。不同替代情況下的預估年減排量和氫能缺口如表2 所示，詳細計算過程見附錄B 第B1 章。其中，園區(qū)鋼鐵年產量按600萬t計算；每替代單位市電（kW·h）減少CO2排放0.997 kg；柴油車單位行駛里程碳排放取附錄A 表A3 數(shù)據的平均值，按每輛車每天行駛40 km，而100 km 耗 氫10 kg 計 算。

表2 綠氫替代年減排測算Table 2 Annual emission reduction estimation of green hydrogen substitution

從氫氣缺口看，按當前全國氫產量為2 000 萬t計算，3 種替代比例下所需氫分別占到了全國氫產量的0.157%、0.399%、0.640%，園區(qū)新能源發(fā)電制氫將難以滿足氫能煉鐵需要，這將極大地促進氫能市場的發(fā)展與成熟，對于提升新能源消納率、構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)也有著較大幫助。從CO2減排總量來看，到2030 年氫能煉鐵替代率分別為10%、25%、40% 時，年CO2減排量分別可達到41.480 萬t、94.516 萬t、147.552 萬t。若 實 現(xiàn)100%氫能煉鐵，年減排可接近400 萬t，同時還能有效減少氮氧化物與PM2.5 等污染物排放，具有較好的環(huán)保效益。

從氫氣平衡看，低方案情景下鋼鐵園區(qū)氫氣年產量為934.5 t，煉鐵還原氣、軋鋼保護氣以及重卡燃料 的 氫 氣 需 求 分 別 為32 142.86 t、146 t、141.62 t?？梢钥闯?，在新建120 MW 光伏、20 MW 電解水制氫裝置情形下，年產氫量能夠滿足園區(qū)內軋鋼保護氣需求及氫能重卡燃料需求。若不考慮氫氣作為還原氣，則這部分盈余氫氣還可以參與市場售賣獲得收益，而當考慮氫氣作為還原氣時，需要向市場購置氫氣，其購氫增加的成本與氫煉鐵減碳獲得收益之間的關系需要進一步分析。

從碳排放構成看，在低方案情景下，新能源電力直接用于園區(qū)內電力負荷的間接減碳、氫能重卡物流減碳，以及軋鋼保護氣替代的減排量總和占比達到14.76%，具有顯著的減排效果；氫氣用于煉鐵產生的減排量占到總減排量的85.24%，這也符合高爐煉鐵環(huán)節(jié)碳排放大這一事實。綜上所述，推動氫能在鋼鐵園區(qū)的多途徑利用，實現(xiàn)園區(qū)物流、煉鋼保護氣的氫氣化替代，逐步提升氫能煉鐵比例，對于減少鋼鐵園區(qū)碳排放具有關鍵作用。

3.3 系統(tǒng)耦合前后對比分析

為清晰對比系統(tǒng)間的差異，引入能源利用率、相對節(jié)能率、碳排放強度等指標并介紹核算邊界。

1）能源利用率［33］。系統(tǒng)各種形式能源的輸出總量與輸入能源總量的比值稱為能源利用率。

式中：ηe為系統(tǒng)能源利用率；Ein為系統(tǒng)總能量輸入；Eout為系統(tǒng)總能量輸出。

2）相對節(jié)能率［34］。耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)在輸出產品相同的條件下，兩者能源消耗的相抵比值稱為耦合系統(tǒng)的相對節(jié)能率。

式中：ηsr為耦合系統(tǒng)的相對節(jié)能率；Qd為原系統(tǒng)總能耗；Qco為耦合系統(tǒng)總能耗。

3）碳排放強度。系統(tǒng)碳排放強度定義為產出單位產品系統(tǒng)全流程碳排放總量，即相同時間內全流程碳排放總量與系統(tǒng)有效產出的比值。

式中：D為碳排放強度；Ctotal為系統(tǒng)碳排放總量；P為同時期系統(tǒng)輸出產品產量。

4）活動水平［35］。量化導致溫室氣體排放或清除的生產或消費活動的活動量。例如，每種燃料的消耗量、購入電量、購入氫氣量等。

5）核算邊界［35］。工業(yè)企業(yè)能源消耗包括工業(yè)生產過程和物流運輸過程；碳排放計算應包括燃料燃燒排放、工業(yè)生產過程排放和凈購入電力產生的排放并減去固碳產品（如副產煤氣生產的副產品、生鐵）隱含的碳排放。

式中：Cb為燃料燃燒過程的碳排放；Cp為工業(yè)生產過程的碳排放；Ce為購入電力產生的碳排放；Ch為固碳產品隱含的碳排放。

根據上述定義，預估該鋼鐵園區(qū)構建耦合系統(tǒng)前后的相關指標變化，如表3 所示。其中，將未構建耦合系統(tǒng)之前的能源利用率、能源消耗、碳排放強度定為單位值1。電能及氫氣折標煤系數(shù)分別取為0.122 9 kg/（kW·h）和4.097，氫氣折標煤系數(shù)由氫氣與電能之間的轉換關系折算而來，氫氣能量按33.333（kW·h）/m3進行計算（本文體積均為標準狀態(tài)下的數(shù)值）。此外，新能源電力由自然資源轉換而來，光伏發(fā)電及其下游電解水制得的氫氣認為是無化石能源驅動的。相應地，產量固定情況下的化石能源消耗將會減少，化石能源消耗固定的情況下產量將會增加，具體計算過程見附錄B 第B2 章。

表3 耦合系統(tǒng)和原系統(tǒng)對比Table 3 Comparison of coupling system and original system

結果顯示，該鋼鐵園區(qū)建成耦合系統(tǒng)后在能源利用率、氫活動水平方面均有所提高，碳排放強度下降，相對節(jié)能率大于零。其中，氫活動水平提高得益于“綠氫”的大規(guī)模應用?？梢?，耦合系統(tǒng)相較于原系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢。

4 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)經濟效益分析

耦合系統(tǒng)建立后，一方面，可以通過提升新能源用電比例降低電網購電量；另一方面，當氫氣充裕時可以為城市氫氣公交車等提供加氫供氫服務、拓展氫能市場。此外，在中國碳市場逐步完備的情形下，耦合系統(tǒng)的減碳量也將轉化為經濟效益。綜上所示，項目建設具有較大的發(fā)展?jié)摿Α１疚目紤]上述3 個方面收益并將其轉換為凈現(xiàn)值［36］。對項目進行可行性分析，暫不考慮氫能煉鐵成本及收益。

4.1 耦合系統(tǒng)成本

1）初始投資成本。項目初始投資包括新能源電站、電制氫裝置、燃料電池、儲氫加氫設施建設以及氫能重卡等運輸車輛購入成本，不考慮設備更新。

式中：F為初始投資值；i指代設備，其中V 表示光伏設備、H 表示電制氫設備、B 表示燃料電池、St表示儲氫加氫設備、C 表示購入的氫能重卡；Fi為設備i建設對應的成本；F0為設備投資引入的附加成本。

設備i的建設成本Fi計算如下：

式中：Pi為設備i的規(guī)劃建設容量/數(shù)量；Si為設備i單位容量/數(shù)量建設的投資成本。

2）運維成本。各設備的維護成本一般正比于裝機容量，耦合系統(tǒng)年維護成本計算如式（12）所示。

式 中：Fn為 第n年 的 設 備 維 護 成 本；Xi為 設 備i單 位容量/數(shù)量的維護成本；N為設備類別數(shù)。

運維成本一般與產品產量相關，按產品價值的固定比例選定。

4.2 耦合系統(tǒng)年收益

具體而言，系統(tǒng)收益值包括電費減少值、燃料費減少值、氫氣售賣增加值、環(huán)保收益值以及減少需量電費。

1）節(jié)支電費與減少燃料費

耦合系統(tǒng)新建光伏所發(fā)電量除滿足制氫需求外，剩余發(fā)電量可用于園區(qū)用能；氫能重卡節(jié)省了物流運輸燃料費，總節(jié)省費用如式（13）所示。

式中：Ien為節(jié)支電費與減少燃料費之和；TV為光伏的年利用小時數(shù)；TH為電解水制氫裝置等效年滿負荷運行小時數(shù)；Sen為本地單位電量費用；Oc為重卡年用油量；So為油價。

2）售氫與替代保護氣收益

這部分收益包含售氫收益和煉鋼過程中節(jié)省的購氫（作為保護氣）費用，假設2 個部分氫價相同，則總收益計算如式（14）所示。

式中：IH為售氫收益；η為電制氫裝置滿負荷運行轉化效率，本文取70%；P0為電解水制氫能耗；ρ為氫氣在標準狀況下的密度；f1為氫氣售賣占氫氣年產量的比例；MC為煉鋼過程保護氣年需氫量；SH為氫價。

3）環(huán)保收益

園區(qū)用電部分由光伏發(fā)電滿足，煉鋼過程所用氫氣由光伏發(fā)電電解水制得的“綠氫”取代甲醇裂解氣，在減少外購電/氫的同時減少了隱形碳購入，氫能重卡的引入使園區(qū)物流實現(xiàn)碳排放接近于零。綜合得到的環(huán)境收益計算如下：

式中：IC為環(huán)保收益；L1、L2、L3分別為單位電量減碳量、煉鋼過程單位“綠氫”替代減碳量、重卡年減碳量；SC為碳價。

4）減少需量電費收益

考慮到工業(yè)負荷中有部分為沖擊性負荷，導致按兩部制電價結算中需量電費受到較大影響，燃料電池可以配合沖擊性負荷，降低工業(yè)負荷峰值進而減少需量電費。

式 中：Ix為 年 減 少 需 量 電 費 值；f2k，max為 第k月 中 燃 料電池用氫占該時刻產氫的最大比例；η1為燃料電池轉化效率，本文取60%；Sx為需量電費。

年總收益I=Ien+IH+IC+Ix。

4.3 耦合系統(tǒng)全生命周期效益分析

耦合系統(tǒng)全生命周期收益和維護費用凈現(xiàn)值計算如下：

式中：Is為系統(tǒng)全生命周期收益凈現(xiàn)值；In為第n年系統(tǒng)收益；Fs為項目全生命周期維護費用凈現(xiàn)值；T為項目運行周期；δ為折現(xiàn)率。

考慮到系統(tǒng)中光伏板、電制氫設備、燃料電池及儲氫罐等設備在運行期結束后可以回收變賣，產生一定的殘值收入。計算如下：

式中：R為項目最終殘值的現(xiàn)值；RT為第T年系統(tǒng)的價值。

將項目全生命周期收益值轉換為凈現(xiàn)值與初始投資進行比較，如式（20）所示。

式中：S為耦合系統(tǒng)凈現(xiàn)值。

根據上式可以計算得到項目凈現(xiàn)值，當S＞0時說明項目具有經濟效益。對該鋼鐵廠進行耦合系統(tǒng)建設經濟性分析，相關參數(shù)取值見附錄C 表C1。

預估項目運維費用占年收益的10%，設備投資附加成本和項目殘值為初始投資的5%，忽略燃料電池減少需量電費收益，首年收益為0.920 億元，其成本及收益構成如表4 所示。

表4 耦合系統(tǒng)收益構成Table 4 Revenue composition of coupling system

可見，環(huán)保收益在耦合系統(tǒng)總收益中所占比例較低，鋼鐵園區(qū)自愿減排獲取經濟收益的動力不足，需要探究碳市場及去產能政策對于鋼鐵企業(yè)減排行動的影響，且可以考慮引入多主體參與的模式共同促進鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)構建。此外，設當前和2030 年質子交換膜電解槽成本分別為10 000元/kW和3 000 元/kW，得到該鋼鐵廠耦合系統(tǒng)初始投資成本分別為8.07 億元和6.67 億元，通過所述凈現(xiàn)值計算方法得到凈現(xiàn)值分別為0.769 億元和2.169 億元，經濟效益顯著，可見建設這樣的耦合系統(tǒng)是可行的。考慮到碳市場及氫能市場的變化趨勢，系統(tǒng)整體收益有望進一步提升。

5 鋼鐵工業(yè)減碳潛力測算

數(shù)據顯示，中國生鐵、粗鋼及鋼材產量均保持增長態(tài)勢，2020 年生鐵及鋼材產量分別達到8.88 億t和13.25 億t，相較2016 年增長均超過25%。附錄C圖C1 展示了中國2016—2020 年的生鐵及鋼材總產量。此外，鋼鐵工業(yè)碳排放占全國碳排放總量的比重高達15%左右［37］，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減碳壓力巨大。

在此背景下，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、工業(yè)和信息化部及生態(tài)環(huán)保部等多部門發(fā)布相關文件和指導意見，釋放出鋼鐵企業(yè)重組、鋼鐵產量收緊及推動鋼鐵行業(yè)碳達峰等多重信號［38］，鋼鐵企業(yè)面臨低碳發(fā)展的新要求和新機遇，低碳發(fā)展將獲得更寬松的產量限制，也將為鋼鐵企業(yè)謀求新的效益增長點。

分析2020 年鋼材產量的省域分布可知，中國河北、江蘇、山東3 個省份的鋼材產量均超過1 億t，其中河北鋼材產量更是達到3.132 012 億t，在全國遙遙領先。由區(qū)域分布可以看出，華北、華東地區(qū)鋼材產量占比超過50%。而中國風光等新能源主要集中在東北、華北、西北（簡稱“三北”）地區(qū)，資源與需求之間存在一定程度的逆向分布，氫能或將成為高耗能工業(yè)支撐高比例新能源消納的核心介質，遠期可以探索新能源電解水制氫、遠距離輸氫，進而在負荷中心實現(xiàn)氫能的綜合利用。

考慮到中國經濟發(fā)展及鋼鐵去產能趨勢，假設2030 年及2060 年長流程生鐵產量與2020 年生鐵總產量持平。由于氫能產、運、用全產業(yè)鏈技術及成本趨勢的不確定性，本文考慮氫能替代的低、中、高方案。低方案：鋼鐵園區(qū)物流運輸氫能替代穩(wěn)步推進，氫能煉鐵進展緩慢；中方案：鋼鐵園區(qū)物流運輸氫能替代高速推進，氫能煉鐵技術取得較大突破；高方案：鋼鐵園區(qū)物流運輸氫能全面替代，氫能煉鐵高速推進。據此估算，2030 年及2060 年實施氫能替代時的氫氣需求和碳減排如表5 所示。

表5 鋼鐵工業(yè)2030 年和2060 年氫能替代減排估計Table 5 Estimation of hydrogen energy substitution and emission reduction in iron and steel industry in 2030 and 2060

由計算結果可以看出，不同發(fā)展速度下的氫氣需求和碳減排差異較大。在低方案情景下，2030 年及2060 年碳減排預計將達到數(shù)千萬噸，而在高方案情景下，2030 年及2060 年碳減排預計可達數(shù)億噸。以中國CO2年排放100 億t 且鋼鐵工業(yè)碳排放占比15% 估算，鋼鐵工業(yè)減排率分別可達6.98% 和17.45%，若氫能煉鐵實現(xiàn)100%全替代，則減排率可達34.90%，減排效果顯著。這其中未計算焦化、燒結等鐵前工序導致的碳排放，若考慮這部分碳排放，氫能替代減排效果將更為可觀。同時，在不同情形下的氫氣年需求量均巨大，這有利于促進氫能產業(yè)鏈的布局和完善，推動新能源發(fā)展，但同時需要重視氫能大規(guī)模發(fā)展所帶來的技術和安全問題。

6 結語

雙碳目標和碳市場的逐步完善為工業(yè)發(fā)展提出了高要求，同時也提供了難得的機遇。為了實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)低碳轉型和可持續(xù)發(fā)展，搶占綠色發(fā)展先機，本文以典型鋼鐵工業(yè)為例，構建了鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)物質流分析模型，從能源和碳排放2 個方面分析對比了耦合系統(tǒng)與原系統(tǒng)的差異。

針對典型鋼鐵工業(yè)園區(qū)，測算在3 種不同發(fā)展情景下的氫能需求和碳減排。結果表明，3 種情景下 的 減 碳 量 分 別 可 達41.480 萬t、94.516 萬t 和147.552 萬t，鋼鐵園區(qū)綠色發(fā)展與氫能產業(yè)鏈之間相互促進；通過能源利用率、相對節(jié)能率等指標評價耦合系統(tǒng)的環(huán)保和節(jié)能效益，結果表明耦合系統(tǒng)各指標均優(yōu)于原系統(tǒng)；通過凈現(xiàn)值法評估項目的經濟可行性，結果表明所提出的耦合系統(tǒng)全生命周期凈現(xiàn)值可達數(shù)億元。綜上所述，建設“綠電-氫能-工業(yè)”耦合系統(tǒng)具有較為顯著的節(jié)能、環(huán)保和經濟效益。分析結果同時表明，鋼鐵園區(qū)減碳收益與成本之間的深層次關系、碳市場及去產能政策對鋼鐵園區(qū)減排行動的影響等問題值得進一步深入研究。

最后，本文以所研究鋼鐵工業(yè)園區(qū)分析數(shù)據為基礎，從全國鋼鐵工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢著手，分析在不同推廣力度下的工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排潛力。測算結果表明，在不同發(fā)展速度下，氫氣需求和碳減排均十分可觀。在高發(fā)展速度下，2030 年和2060 年碳減排預計分別可達10 468.211 萬t 和26 169.279萬t，可有效助力“碳達峰、碳中和”的目標盡快實現(xiàn)。

綜上所述，本文著重從經濟和環(huán)保性視角分析了“綠電-氫能-工業(yè)”耦合能源系統(tǒng)建設的可行性，但未對系統(tǒng)規(guī)劃配置和運行控制進行詳細討論?；诖耍髡邔⑦M一步深入探究鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的能源流、物質流和信息流融合特點，并針對系統(tǒng)的優(yōu)化配置、高效運行與控制、多主體參與等關鍵問題進行研究。

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