推动中国绿色钢铁转型：资本支出、电网脱碳与补贴支持

推动中国绿色钢铁转型：资本支出、电网脱碳与补贴支持 要点 资本支出下滑有助于缩小绿色钢铁的成本差距 技术改進及中国强勁的本土制造能力正推动可再生能源、储能及电解槽的资本成本下降，使氢基DRI-EAF炼钢路径在成本上更具竞争力。持续在研发和成本优化方面的投入—尤其是在竖炉等铁还原技术上可有望进一步降低资本支出，帮助中国在低碳钢铁生产中建立更强的技术优势。 电网脱碳是绿色钢铁可行性的关键 电力碳强度和电价的区域差异影响氢基炼钢的排放水平和成本结构。电价较低、供电较清洁的省份可实现不足10%的绿色溢价，从而提高商业可行性。为推动转型，中央及地方政府必须将电网整合和推進清晰、具前瞻性的电力脱碳计划。 精准设计的补贴机制有助于推动绿色钢铁的大规模部署 在多种政策工具中，资本支出补贴在降低单位钢铁平准化成本方面最为有效。政策制定者应聚焦於采用效率更高的扶助方式，而非过度依赖如低息融资等由金融市场工具。具有战略性和针对性的补贴，仍是弥合成本差距、实现绿色钢铁大规模部署的关键。 引言 作为全球最大的钢铁生产国，中国钢铁行业的脱碳进程在实现2060年碳中和目标中至关重要。钢铁行业是中国以及全球温室气体排放的主要来源之一，因此必须进行深度的减碳转型。其中，以绿色氢气为基础的直接还原铁（H2-DRI）结合电弧炉（EAF）技术可显著降低吨钢碳排放。该技术可生产近零碳排放的“绿色钢铁”，重塑整个行业格局。 然而，这一低碳工艺目前仍面临高昂的成本。通过直接还原铁-电弧炉（H2-DRI-EAF）工艺生产的绿色钢铁，价格远高于以煤为基础的高炉炼钢所生产的传统钢铁。市场对这类产品的需求仍处于起步阶段，除了少数汽车制造商与钢铁企业签署的谅解备忘录外，几乎没有迹象表明消费者愿意承担低碳钢的“绿色溢价”。此外，考虑到目前中国仅有极少数H2-DRI-EAF设施投入运营，该技术在大规模推广过程中的真实成本仍存在高度的不确定性。 这一困境直指两个核心问题：中国扩大绿色钢铁产能的成本边界在那里？又该如何在高度价格敏感的全球市场中实现成本与需求的平衡？ 直接还原铁-电弧炉工艺：钢铁生产结构的低碳革命 传统的高炉-转炉（BF-BOF）炼钢工艺主要依赖煤炭和焦炭将还原铁矿石，碳排放强度极高—中国高炉-转炉工艺的平均吨钢谈排放达到约2.1吨二氧化碳。1相比之下，基于氢气的H2-DRI-EAF工艺提供了一种近乎零排放的替代方案： 直接还原铁（DRI）：铁矿石在还原反应器与富氢气体还原反应，去除氧元素，生成一种称为直接还原铁或“海绵铁”的固态金属铁。 绿色氢气（H2）：在生产过程中，通过电解水产生氢气—即利用电能将水分解成氢气和氧气。当电解过程由太阳能、风能等可再生能源驱动时，产生的氢气被称为“绿色氢气”。绿氢还原铁矿石的过程几乎不产生直接碳排放，是钢铁脱碳的核心环节。 电弧炉（EAF）：直接还原铁（DRI）与废钢在电弧炉中熔炼成液态钢。若以可再生电力驱动，可进一步降低全流程碳足迹。 与高炉-转炉工艺相比，这一创新路径可减少95%以上的二氧化碳排放，因而被视为全球钢铁行业减碳战略的基石。本分析报告采用国际能源署（IEA）的界定标准，将“近零排放钢铁”定义为生命周期排放低于每吨产品0.4吨二氧化碳且不含废钢的钢铁。2 H2-DRI-EAF在各省的模型结果存在差异 本分析采用技术经济优化模型，对2030年中国各省采用H2-DRI-EAF工艺生产绿色钢铁的平准化成本（LCOS）进行区域差异化评估。该模型以省级行政区域为基本分析单元，整合可再生能源资源和电网碳排放因子的区域差异，探究不同因素对绿色钢铁生产的可行性和成本的影响。 本模型通过优化以下各项的能源应用来实现钢铁平准化成本（LCOS）的最小化： •场址风光发电装机容量•电池储能与储氢系统规模•电网电力采购 我们在模型中纳入了以下要素： •基于每小时风光容量系数 （各省的可再生能源资源禀赋）•各省电网碳排放因子 （反映电力清洁化程度）；•可再生能源、电解槽以及DRI-EAF设施在2030年的预估投资与运营成本（考虑学习曲线效应，即通过技术进步带来的成本下降趋势）。 省际绿色钢铁成本差异分析 •受各省可再生能源资源与电网排放因子差异的影响，绿色钢铁的平准化成本（LCOS）在每吨约530至630美元之间不等，其中辽宁是成本最低的省份。这一成本相比2030年高炉-转炉（BF-BOF）重衬改造方案的估算平准化成本约为每吨460美元存在14%至35%的溢价。 •钢铁的平准化成本对当地可再生能源资源高度敏感，尤其是太阳能资源。北方省份由于太阳能资源丰富，因此通常具有较低的绿氢平准化成本（LCOH）。 一些中国的主要产钢省份在采用H2-DRI-EAF工艺上表现出较好的经济可行性： •辽宁是中国第四大钢铁生产省份3，其平准化钢铁生产成本（LCOS）为全国最低。鉴于其雄厚的工业基础、高素质劳动力、完善的物流基础设施以及强大的电网连接能力，辽宁为率先试点H2-DRI-EAF工艺或对现有高炉-转炉（BF-BOF）产能进行改造提供了极具吸引力的机会。•江苏、河北和山东同为重要的钢铁生产省份，其平准化钢铁生产成本（LCOS）分别位列第6、第13和第17位。尽管其LCOS高于部分省份，但这些地区依然是推进H2-DRI-EAF工艺部署的有力候选者。凭借完善的电网基础设施和雄厚的工业产能，这些省份可以通过与来自邻近低成本省份的可再生电力和氢气整合，实现经济高效的绿色钢铁生产。•四川、云南、吉林和黑龙江等省份虽然目前并不是钢铁生产重地，但凭借优越的太阳能和/或风能资源，展现出较低的平准化钢铁生产成本（LCOS）。这些地区非常适合开展绿地（greenfield）H2-DRI-EAF项目，用以替代氢气平准化成本（LCOH）较高省份（如河南、江西）的产能，或作为战略性绿色氢气生产基地，供应下游工业中心。 资本支出驱动因素概述 中国H2-DRI-EAF系统的成本结构既受全球技术发展动态影响，也体现出中国特有的成本优势。如图3所示，资本支出（CAPEX）主要由以下部分构成：场址太阳能光伏装机成本（32%）、场址风力发电装机成本（26%）、电弧炉设备（18%）和直接还原铁竖炉反应器（9%）。4 成本结构分析显示了资本投资的三个主要驱动因素： 1. 可再生能源供应（风能 + 太阳能） 可靠且经济的可再生电力是绿色钢铁经济的基础。生产氢气需大量电力：每生产一吨H2-DRI-EAF钢铁就消耗833千瓦时电能，而氢气生产则需2,971千瓦时。因而，场址内可再生能源发电占总资本支出的近60%。在三分之二的省份中，太阳能光伏因其较高的发电密度占主导地位，但具体的能源组合仍取决于各地区的资源特点。 可再生能源的间歇性特征，尤其是太阳能，决定了混合能源配置的必要性。通过整合风能、太阳能及储能系统（电池和氢气储存），可确保氢气电解槽的高利用率及H2-DRI-EAF工艺的稳定供能。中国作为全球最大的风力涡轮机、太阳能光伏组件和锂离子电池制造国，凭借规模效应和成熟的供应链，实现了可再生能源基础设施的经济高效部署。 在本研究中，出于安全考虑，压力氢气储存量被限制为每吨钢20公斤氢气。电池储能与氢气储存系统在稳定氢气供应方面发挥互补作用，随着技术进步和成本下降，其作用预计将持续提升。 值得注意的是，总资本支出（CAPEX）与钢铁平准化成本（LCOS）并非直接相关（见图3），因为某些可再生资源较短缺的省份可能通过更多依赖电网电力来弥补，具体取决于当地电网的碳排放水平和可再生能源的供应情况。5在本分析中，我们假设土地使用和电网接入的成本为零。此假设在中国背景下具有一定合理性，因为政府往往通过提供土地和基础设施支持等方式，作为推动产业脱碳和可再生能源投资的政策激励措施。6电网接入尤为关键。由于支持绿色钢铁的可再生能源项目往往占地广阔，发电点与氢基炼钢厂之间的距离可能较远，因此完善的输电基础设施必不可少。 2.炼钢设备：DRI竖炉反应器与电弧炉 直接还原铁（DRI）竖炉反应器是绿色钢铁生产中的关键设备，但由于全球主要被美国Midrex和意大利Tenova/Danieli两家公司垄断，价格仍然偏高。受知识产权保护和技术复杂性影响，有限的竞争使价格居高不下。然而，近期中国-伊朗在技术转让方面的合作可能为国内生产创造机会，从而降低成本。 相比之下，电弧炉（EAF）技术成熟，广泛应用于废钢和直接还原铁两种炼钢方式。其成本随着产能的增长呈可预测的规模效应，且技术灵活多变。不过，生产高端或特殊钢种可能需要更先进的原料策略和工艺控制。尽管中国在制造用于废钢炼钢的电弧炉方面具有丰富经验，但尚未出现用于高端钢种生产的电弧炉需求。目前，这类电弧炉技术主要由西方企业如Danieli和Prime Metals主导。 3.氢气生产系统 氢气生产系统，包括电解槽、电厂附属设备（BoP）及安装（EPC）费用约占总资本支出（CAPEX）的6%。尽管氢氢气生产是世界各地的主要成本驱动因素，但中国在此领域具有显著的竞争优 势。受惠于成熟的供应链和大规模制造，国产碱性电解槽的价格低至271美元/千瓦，约为欧洲和美国同类系统成本的四分之一。7因此，氢气生产在中国的资本支出中所占比例相对较低，增强了H2-DRI-EAF技术路径的可行性。 总的来说，中国在可再生能源基础设施方面的比较优势，为绿色钢铁的大规模推广奠定了坚实基础。下一步，推动国产DRI竖炉的技术创新，以及提升电弧炉在高端应用中的制造能力，将是进一步降低成本、加快技术路径落地的关键。 技术进步如何影响资本支出 图4展示了应用于H2-DRI-EAF系统中的五项关键技术（即风力发电、太阳能光伏、碱性电解槽、氢气储存和锂离子电池）的学习曲线。该预测基于2024年的学习率与技术成熟度，估算未来的资本支出。8由于电池和氢气储存技术尚处于相对早期的阶段，其成本下降趋势比风能和太阳能等成熟技术更为显著。如图4右图所示，这些成本下降将显著降低未来项目的资本需求。 为评估技术加速创新的影响，我们引入了一个“学习率提升”情境（图5），即各项技术的学习率在当前基础上提高50%（即当前学习率x 1.5）。该情境反映了加大研发投入、制造效率提升或政策支持强化可能带来的效果。如预期所示，更快的学习速度可降低资本开支（CAPEX），但不同技术的影响程度有所差异。其中，电池成本的下降对系统CAPEX的跌幅最大，并促使优化系统中部署更多电池。结果表明，各组件的学习率以及其对平准化钢铁成本（LCOS）的贡献，决定了其对整体系统成本的影响程度。 这些观察结果表明，加快技术进步有助于降低绿色钢铁的成本，尤其是在减少前期投资方面。同时也突显了中国的战略优势：依托太阳能电池板、风力涡轮机、电池和低成本碱性电解槽的规模化本土生产能力，中国具备引领全球推广H2-DRI-EAF炼钢并通过持续创新推动成本下降的有利条件。9 电网排放因子对LCOS的影响 除了可再生能源资源的质量，各省的电网排放因子在绿色钢铁的可行性中也起着关键作用。 在当前条件下，电网电力占H2-DRI-EAF系统二氧化碳总排放的85%以上—受限于每吨钢0.4吨CO2的排放门槛，该门槛迫使钢铁生产商投资自建可再生能源发电和储能设施，以减少对电网的依赖，特别是可再生能源无法满足需求的时段。 随着中国电力系统的脱碳，电网排放因子将逐步下降，有望减轻钢铁生产商的负担，使其能够更灵活地使用电网电力。如图6所示，将当前电网排放因子减半，预计各省钢铁平准化成本(LCOS)每吨可降低7至18美元。然而，进一步降低电网排放（例如假设电网完全脱碳）带来的成本节约则较为有限。这是因为在大多数省份，场址可再生能源发电已比电网电力更具成本优势。在此情景下，电网电力主要用以补充可再生能源在供电不足时的缺口，而非完全取代场址发电能力。 这些研究结果反映电力系统脱碳与工业脱碳之间的紧密关联。加快清洁电力转型不仅能够降低绿色钢铁生产成本，还能提升其用电灵活性—为钢铁等难以减排行业的脱碳提供关键支持