月度归档： 2022年5月

2021年8月，Impact Hub Shanghai 在可持续创新创业平台 Makeable 上发布了一篇名为《深入研究了102条塑料包装创新方案，我们为创业者划出了这些重点》的文章，就机构对塑料包装议题的研究和思考进行了简介。通过此报告，我们了解到塑料价值链的现况与挑战，也看到了来自全球的各类创新解决方案。

在研究中，我们的结论之一是：塑料污染问题是一个系统层面的挑战，需要来自价值链上下游企业及消费者的协同创新行动。其中，大型快消品企业的承诺和努力至关重要。作为塑料包装创新解决方案研究的一部分，Makeable 也将持续对一些全球知名的大型快消品企业的创新行动进行介绍与梳理，为影响力创业者和关注塑料议题的伙伴提供启示。

全球知名的食品饮料企业雀巢公司于2020年12月发布了《净零碳排放路线图》，其中承诺：雀巢于2030年达成温室气体排放减半，并于2050年实现净零碳排放目标。而在其2025年减碳之路的10条承诺中，有2项和塑料包装息息相关：2025年实现100%包装材料可循环再生或可重复使用，以及将原生塑料的使用量减少1/3。

毫无疑问，塑料污染问题是雀巢非常关注的议题，“解决塑料污染到了最紧迫的时候”，他们发出了这样的呼声，同时也不断地用创新来直击塑料议题。目前，雀巢针对塑料问题正在采取的具体行动包括：

• 消除雀巢产品中的塑料吸管
• 为雀巢多个标志性品牌推出替代包装解决方案
• 寻找向消费者交付产品的替代方法，如可重复使用的容器或自动售货系统
• 与合作伙伴合作开发可实现在海洋中完全生物降解和可重复使用的瓶子
• 在公司内外推动行为改变

在这些行动中，如何以创新模式去实现这些目标，让自己真正成为“无废未来”的中坚力量，是雀巢正在积极探索的尝试。

1.雀巢创造共享价值奖 Nestlé Creating Shared Value (CSV)

早在2010年，雀巢就发起了雀巢创造共享价值奖 (Nestlé Creating Shared Value Prize， CSV Prize) ，希望通过创新大赛这一方式寻找带有系统性变革潜能的创新解决方案，以解决现今社会所面对的严峻环境和社会议题。CSV 奖旨在推广和支持全球范围内的可规模化且因地制宜的创新方案和核心创变者。

2020年9月，雀巢 CSV 奖联合了 Ashoka 全球创变者平台，共同发布了塑料议题相关挑战：“打造无废未来”。这一期的大赛目标寻找能支持“包装（包含但不限于塑料）不填埋、不废弃”这一远景的创新解决方案。经过专家评估审核，10家表现优异、潜力十足的无废解决方案创业团队成功入围。雀巢 CSV 委员会挑选出了最终的优胜团队。这些入围团队除了部分获得奖金支持（1家优胜团队获得10万瑞士法郎、4家特别推荐团队获得4万瑞士法郎）之外，还获得了 Ashoka 的线上培训资源和工作坊、导师辅导、雀巢潜在合作等机会。

废弃物回收再利用是降低碳排放最直接的手段之一。回收过程中产生的碳排放量通常远小于重新制造和垃圾填埋（中金公司《碳中和经济学》P256）。而 REUSE 和 RECYCLE 是回收再利用的主要环节。在 CSV 奖中，我们看到了许多在这两类上的应用。

 重复使用 (REUSE)  

Vessel – IoT 助力可重复使用包装

待解挑战：一次性包装是造成全球废弃物重大问题的一个主要因素。虽然对地球有利，可重复使用的产品仍然面临许多挑战，例如追踪、重新收集和清洗等环节的困难度。

解决方案：Vessel 利用物联网（IoT）技术和专业的逆向物流知识，支持企业朝可重复使用的食品餐具和包装转型。

Pandobac – 可重复使用包装的系统解决方案

待解挑战：在法国，用于食品运输和分销的一次性包装最终大多被焚烧，成为填埋垃圾或污染。

解决方案：Pandobac 为可重复使用包装的应用系统提供解决方案。他们的咨询服务帮助客户探索包装问题，计算财务影响，并确定最佳的可重复使用包装方案。Pandobac 还出租可追踪的板条箱，并负责清洗以确保可重复使用。

 循环使用 (RECYCLE) 

Ricron Panels – 使塑料品成为建材

待解挑战：混合塑料废品和多层塑料不易被回收，因此通常被送往垃圾场或被焚烧。许多塑料废品流入海洋、河流和自然空间。

解决方案：Ricron Panels 将难以回收的塑料垃圾转化为可持续的建筑材料。Ricron 适于住房和棚屋以及家具的应用，是传统建筑材料（包括胶合板、金属和水泥）的直接替代品。

Promesa – 社区回收教育

待解挑战：墨西哥每年产生超过5300万吨的废弃物，但并没有能力对其进行回收，而由于民众普遍缺乏环境教育，这也加深了回收的困难。

解决方案：通过一个完善的教育项目，Promesa 促使公司、学校和家庭能够自发开启自给自足的社区回收计划。

Circulo – 以塑料回收助残

待解挑战：在危地马拉，人们面临着两个关键问题——残障人士的生活质量低下和越来越严重的一次性塑料污染。

解决方案：Circulo 收集和处理废旧材料，将其升级改造为新产品，这些产品被出售的利润用于资助健康治疗和为残障人创造就业机会。

Kudoti  – 实现回收供应链的数字化

待解挑战：由于供应链效率低下，导致每年价值1200亿美元的废弃塑料材料无法被回收和再利用，造成巨大损失。

解决方案：Kudoti 是一个回收领域的利益相关者的数字网络。该平台的创立旨在赋能一系列单位，以盈利、可追踪的方式购买和售卖所回收的废弃物资源。这些单位涉及回收商、品牌商以及地方的汇集者与收集者。

2.通过创新合作探寻低碳减塑解决方案

除了通过 CSV 奖支持创新团队从3R 维度为低碳减塑做出贡献以外，雀巢公司也同时探索着与创业公司不同方式的协同与合作，以寻找创新解决方案。

 减少使用 (REDUCE) 

雀巢和位于加州的环保包装设计公司 Ecologic Powered by Jabil 开发了 Vittel® Hybrid 混合瓶。这种瓶子采用了两种材料，一种是非常薄的、减少一半塑料用量的回收塑料材质，另一种是包覆在外层的100%卡纸和报纸回收纤维基材料。其专利技术确保了塑料和纤维基材质可以紧紧贴合在一起，使这种新型瓶装水瓶功能性不受影响并耐用。雀巢还有另外一个基于 Vittel® 天然矿泉水的包装创新，Vittel® GO 套装包含了一个可重复使用的外壳和减少了40%塑料用量的塑料内瓶，内瓶因为大量减少了塑料使用而显得柔软轻巧，在搭配了可重复使用的外壳时即可方便饮用。这两个创新尝试都让塑料瓶的功能维持不变但大大减少了塑料用量。

 重复使用 (REUSE) 

在瑞士，雀巢和创业公司 MIWA 在门店试点了无一次性塑料包装的即溶咖啡和猫粮贩售机。顾客可以自行将容器带到店里进行装罐和购买，也可通过电子标签了解到营养成分等产品信息。在美国，雀巢推出 Refill Plus 项目，顾客可以使用这个有着全新技术的“出水机”，自行采购64种不同口味的饮用水。

 循环使用 (RECYCLE) 

雀巢还和百事可乐和欧莱雅携手投资了创业公司 Carbios。Carbios 研发了一种可以将任何颜色的塑料降解成原始分子的酶，进而让塑料瓶还原到原始塑料的形态。借由这种技术，雀巢使用来自有色 PET 回收材料制作了第一批其代表性产品 Perrier® 50cl 绿色瓶装气泡水样品。当这个全新的技术开发到工业量产阶段，它能大大增加 PET 塑料的回收量。

根据 CIEL 2019年发布的报告，2050年全球塑料产量预估会3倍增长，而其生产和运输将占全球碳排总量的13%。鉴于塑料问题的深远影响，许多消费品牌都将塑料议题列为可持续发展核心目标之一，然而，由于塑料包装拥有独特的保鲜和轻量特质，在食品饮料行业被广泛应用——为更好解决塑料污染问题，全球许多食品饮料企业都在不同方面探索着创新行动。

不管是源头减量（REDUCE）、重复利用（REUSE）、还是回收再造（RECYCLE），消费行业的减塑行动需要企业、上游厂商、创新团队等价值链中的各方共同合作，开发出更可持续的塑料产品和商业模式。而这也是 Impact Hub Shanghai 通过联合产业伙伴、投资伙伴和创新创业公司等持续努力推动的方向，我们期许能和更多的影响力创变人群和机构一同为完善可持续塑料包装闭环尽一份力。

参考资料：

1《碳中和经济学：新约束下的宏观与行业分析》中金公司 2021

2 Plastic & Climate: The Hidden Costs of a Plastic Planet. 2019. https://www.ciel.org/reports/plastic-health-the-hidden-costs-of-a-plastic-planet-may-2019/

3 各公司官网

Makeable 从可再生能源、电力改造、能源效率提升、材料与能源替代、行为改变和 CCUS 六大气候创新的重点路径出发，深入探索“双碳”背景下中国建筑全生命周期的零碳转型之路。本文为此系列第三篇，点击文末链接阅读更多。

2020年，中国第一栋获得“近零能耗”标识的民宅“零舍”诞生。此后，相关新闻被屡屡刷屏。这栋位于北京大兴乡村的房屋利用气密与保温策略，无需空调也可常年保持舒适的室内温度，再结合光伏发电技术，建筑运行所需能耗的80%都可“自产自用”。

零舍主人、天津大学建筑学院教授任军说：“从事建筑设计，从没放弃过对大自然的探索，第一要保护好它，第二就是琢磨怎么向它‘借力’，别浪费自然的能量。”

零舍向自然“借力”的超低能耗模式实际上离我们并不那么遥远，在建筑界，它也有一个名字叫做“被动房”——而除了被动房之外，建筑运行环节还有许多低碳高效的创新绿色建筑技术值得我们关注。

1.光伏建筑：五彩的玻璃幕墙，竟然还可以发电

建筑用能的可再生能源化改造针对的是建筑用能的源头排放，是建筑运行“碳中和”的基础。在建筑领域，太阳能、风能、地热能和空气热能等均是常见的可再生能源来源，而考虑到能源利用的成本、配置的灵活性和与建筑结构结合难度等因素，太阳能光伏发电脱颖而出，成为减排最有力的建筑可再生能源。

国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》提出，“到2025年，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%”。在大比例使用光伏的情境下，建筑运行碳排放相较基准建筑可下降68.5%。

随着近年来我国建筑节能技术的推进，BIPV 的普及率越来越高。BIPV 全称光伏建筑一体化（Building-integrated photovoltaics），与在建筑屋顶与外墙加装太阳能板的传统模式不同，BIPV 中的光伏组件本身就是建筑结构的一部分，例如门窗、幕墙或屋顶，这既能提高建筑的美观性，又能节省建筑材料。

然而，BIPV 的优势也恰恰导致了其在推广过程中所面临的挑战。由于已有的建筑一般未考虑潜在建筑光伏安装的可能性，这增加了 BIPV 的改造难度；此外，BIPV 组件既需要具备普通光伏系统的发电性能，还应满足防水性、安全性、牢固性和美观性等方面的要求。

BIPV 可以利用一栋建筑表面任何易受阳光照射的部位。一种常见的 BIPV 模式是使光伏组件与玻璃窗或幕墙相结合，既能发电也能发挥遮阳的作用。澳大利亚上市企业 ClearVue Technologies 与荷兰初创公司 eLstar Dynamics 于2021年成立合资企业，旨在研发一款能够集成能源生产和照明控制双重功能的智能玻璃窗，该产品通过光伏产生的部分电力来操作玻璃的自主着色层，无需百叶窗或其它遮阳部件就能轻松地控制建筑物内的光照水平。

来自德国的 Glasscon 注重于提升光伏组件的美观性，其研发的彩色光伏玻璃遮阳系统使建筑师不再需要担心光伏建筑外观的沉闷。

除此之外，BIPV 也有其它各种结合方式。例如特斯拉推出的 Solar Roof 太阳能屋顶，直接用光伏电池片替代瓦片，其使用寿命比普通屋顶更长，强度更是标准屋顶瓦片的三倍以上，可应对各种天气状况。

在全世界都在推动光伏发电的背景下，对于光伏的需求也不再仅是单纯的数量提升，还有对更高效率的追求。当前市场上常见的光伏电池类型为晶硅电池，而随着另一种高性能材料——钙钛矿的兴起，预计在不久的将来，光伏发电市场将会全面洗牌。

钙钛矿材料由波兰初创企业 Saule Technologies 的创始人、物理学家 Olga Malinkiewicz 发明，钙钛矿光伏电池是继晶体硅电池、薄膜电池之后的第三代光伏电池，其利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，具有结构简单、成本低等优点，仅经过短短十余年的研发，其光电转化效率已经可以与发展了数十年的晶硅电池相匹敌，在未来还有巨大的上升空间。作为轻质柔性电池的钙钛矿尤其适用于 BIPV 组件。

中国企业在钙钛矿光伏领域走在前列，杭州纤纳光电科技已在浙江衢州正式投产钙钛矿生产线，标志着钙钛矿光伏电池技术从研发走向量产，推进该项技术的大规模工业化应用。创立于2018年的极电光能在63.98平方厘米的钙钛矿光伏组件上，实现了20.5%的光电转换效率，打破了大面积钙钛矿组件效率的全球纪录。

2.被动房：无需空调，室内也能四季如春？

被动房起源于上世纪80年代的德国，其名称中的“被动”二字指的是无需空调暖气等“主动”供暖设备，仅靠建筑本身的保温性能就能够在室内常年维持适宜的温度。文章开头所提到的“零舍”便是如此，在北方气温接近冰点的夜晚，零舍的室内温度也仅会下降两度，而这还是在没有任何外部供暖的情况下实现的。

被动房并非一种特定的建造方式，而是一项性能标准——相比普通建筑，被动房的能耗可降低70%左右，因此被动房有时也被称为“超低能耗建筑”。近年来，全国各地都陆续出台了建造超低能耗建筑的优惠政策，其将会成为建筑行业的重要发展方向。

要想建造性能良好的被动房，最主要的技术手段是提高建筑围护结构的保温性能，这给各种高性能建材提供了大显身手的舞台。

气凝胶是一种密度仅为空气六分之一的高性能材料，是世界上最轻的固体，它具有极高的孔隙率，能够有效降低材料热传导，因此有着极佳的隔热性能。材料巨头巴斯夫研发的 SLENTEX 创新气凝胶材料，导热率大大低于普通隔热材料，使其广泛适用于建筑业的保温隔热应用，并已经在日本的被动房项目中作为外墙保温材料使用。

相变材料是一种能够在很小的温度范围内蓄存、释放大量的潜热，具有温度变化小，蓄能密度大的特点的绿色建材。苏州磐际科技专注于相变材料建筑热储能的研发，其系统方案能实现冬季采暖节能率38%，夏季制冷节能率35%，大量减少了建筑能源消耗和碳排放。

（点击🔗 《从AI充电到建筑储能：科技创新如何推动中国“碳中和”变革？》了解更多）

通过高性能的保温材料和完备的气密设计，被动房的外围护结构就像一个密封的保温瓶。这时，新风系统保证了室内外空气的交换流通，让居住者无需开窗通风也能呼吸新鲜空气。新风系统既决定了居住者的体验，其本身的能耗也影响了房屋的节能性能，因此这一环节也可通过利用可再生能源进行节能增效。

例如建筑和高性能材料企业圣戈班的 PAM ELixair 系统，这是一套浅层地热能的智能新风系统，新鲜空气通过进风口被吸入特殊设计的球墨铸铁管道，并与浅层土壤进行热交换，然后由出风口引入室内。该系统在夏季使空气经土壤预冷后引入室内，在冬季则使空气预热后流入。在实际应用中，该系统的节能率可达65%。

3.电气化：让厨房少些“烟火气”

能源供给侧正在向绿色电力转变，因此建筑电气化也是建筑部门脱碳的必经之路。深圳建筑科学研究院于2020年出版的《建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径》报告显示，截至2017年，我国建筑用电量占全社会用电量的 26%，建筑电气化率48%。报告进一步指出，若要实现碳中和或巴黎协定的1.5°C温控目标，2050年建筑电气化率应超过90%。

从建筑耗能的用途来看，制冷、照明、家电已经实现了100%电气化，供暖和炊事则是推进电气化的两大难点。我国北方集中供暖地区在较长一段时间内都在使用燃煤供暖，这种高耗能、高排放的供暖模式情况自2017年推行“煤改气”、“煤改电”以来有所改观，亦推动了建筑部门的电气化进程。

清洁供暖可与智慧建筑相结合，例如北京嘉洁能公司的碳纤维智慧供热解决方案，通过碳纤维发热丝使得电热转化率高达 99.9%；电采暖系统采用室内末端+智能控制系统，具有强大的数据记录及分析功能；末端温控器可按时间、温度条件自动启停加热控制室温。

针对建筑的用能特点，也可打造相适应的节能产品。相对民用供暖项目，商场、办公楼等商业建筑项目的日供暖时长更短，且商业建筑采用工商用电价格机制，用电峰谷价差大。商业建筑因此非常适合采用蓄热供暖技术。

天津的 SM 广场作为全亚洲最大的单体商业建筑，采用了上海筑能环境科技的相变谷电储热系统，该系统在夜晚电价较低时通过谷电储热锅炉储存能量，留至需要用能时释放，通过这种“削峰填谷”的方式一年节约供暖费近1500万元，该项目改造总计投资4000多万元，收回项目一次投资仅需两三年时间。

住宅与公共建筑的炊事电气化从技术层面来说难度不大，却因受制于我国的用户使用和中式餐饮烹饪习惯而进展缓慢。这一难题在政策的推进下逐渐得到改观。去年6月，江苏省发布了全国首个餐饮场所“瓶改电”省级支持政策——《关于鼓励餐饮场所推广“瓶改电”的工作意见》，鼓励餐饮场所推广“全电厨房”。商用级“全电厨房”相比明火厨房可显著提升厨房安全系数，同时电磁灶的加热效率比传统燃气灶高出两倍，使用能成本节约20%至45%，平均减少碳排放30%以上。

本文介绍了可持续能源改造、被动房和电气化改造等目前在政策层面大力推广的技术路径，这些路径也将是推动建筑碳中和的主流方向。另一方面，建筑运行部分的耗能始终和普通人的日常生活息息相关，作为建筑的使用者，我们所能够做的是改变行为习惯，使用更高效的节能电器，拥抱更绿色的生活方式，在生活中与宏大的碳中和目标相向而行。

至此，我们已经探索了建筑价值链的上游建材生产制造（🔗《2050年的人类将如何“搬砖”？》），中游建筑施工（🔗《没有垃圾的建筑世界，你能想象吗》）与下游建筑运行（本文）中的创新技术路径。我们坚信，创新是驱动任何行业可持续转型的源动力，作为我国碳排放量最大的部门，建筑行业的转型必将为创新提供广阔的舞台。

头图来源：特斯拉官网

参考资料：

近零能耗建筑备受期待. 2022-01-13. 中国能源报. Available at: http://www.cnenergynews.cn/huanbao/2022/01/13/detail_20220113115686.html

智能玻璃初创公司加速构建集成光伏技术. 2021-07-02. 物联之家. Available at: https://www.iothome.com/tech/jianzhu/2021/0702/11751.html

Solar Roof. Tesla. Available at: https://www.tesla.com/solarroof

钙钛矿太阳能电池是第三代产品，国内技术瓶颈不断突破. 2021-09-22. 太阳能光伏网. Available at: https://solar.ofweek.com/2021-09/ART-260018-8420-30526303.html

中国企业投产钙钛矿光伏电池生产线. 2020-08-10. 人民网. Available at:  http://energy.people.com.cn/n1/2020/0810/c71661-31816282.html

[专访] 极电光能总裁于振瑞：三年后钙钛矿光伏产品能和晶硅直接竞争. 2021-10-18. 界面新闻. Available at:

https://m.jiemian.com/article/6704293.html

深圳建筑科学研究院, 2020. 建筑电气化及其驱动的城市能源转型路径.

2020年碳中和深度研究报告. 2021-03-11. 国际能源网. Available at: 

https://www.in-en.com/finance/html/energy-2245987.shtml

江苏：推动建设“全电厨房”助力传统餐饮绿色转型. 2022-01-04. 新华网. Available at: http://www.news.cn/2022-01/04/c_1128231684.html

“30·60”双碳目标下，钢铁作为工业部门第一大碳排放来源，实现减排目标首当其冲，又任重道远。继对建筑行业减排现状、政策、路径和创新解决方案进行梳理后，Makeable 将视角转向钢铁行业。本文为钢铁行业碳中和研究的第一篇，主要分享行业现状和减排的挑战与机遇，后续推文则将重点关注其中的气候创新技术。欢迎关注。

1.全球与中国钢铁行业碳排现状

钢铁行业碳排放占全球碳排放总量的7-9%

钢铁行业是一个全球性的产业，其原材料（例如铁矿石和废钢）和产品的全球贸易规模庞大。根据世界钢铁协会数据，平均每生产1吨钢排放1.851吨二氧化碳（含范围1-3排放）。2020年，全球共生产18.7亿吨钢，钢铁行业的直接碳排放总量约为26亿吨，占全球人类活动碳排放总量的7%至9%。

在重工业中，钢铁行业的碳排放量排名第一，能源消耗量排名第二。钢铁行业也是目前最大的煤炭消费行业，煤炭行业中大约75%的需求来自于钢铁。煤炭在钢铁行业中的应用主要在于产生热量和制造焦炭，后者有助于促进从铁矿石生产钢铁所需的化学反应。

钢铁在我们的社会中无所不在：建筑、基建、车辆的建造和制造严重依赖钢材。同时，钢铁也将成为能源转型不可或缺的组成部分：太阳能电池板、风力涡轮机、水坝和电动汽车都在不同程度上需要钢材。因此，据估算到2050年，全球钢铁需求预计将增加三分之一。

中国钢铁生产占全球的一半

当下，全球70%以上的钢铁生产集中在亚洲。中国是全球最大的钢铁生产国和消费国，2020年生产了超过全球一半的钢铁。

钢铁行业是中国工业的支柱性行业，约占 GDP 的5%。钢铁行业涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，在经济建设、社会发展、就业稳定等方面发挥着重要作用。

即使在2020年全球疫情的冲击下，中国钢铁生产量再创新高。2020年，中国共生产10.65亿吨粗钢，占全球的57%。预计到2026年我国粗钢产量将达到15.9亿吨，在不采取进一步措施的情况下，2026年我国钢铁行业碳排放总量将达到31.48亿吨。

2.钢铁行业的碳中和目标、政策与挑战

钢铁需求增长的同时要实现减排，挑战巨大

2020年10月，国际能源署（IEA）发布了钢铁技术路线图。该文件分析了不同减排技术选择所带来的影响和利弊，以及针对本行业制定的、符合《巴黎协定》的政策目标。

在国际能源署的可持续发展情景下，2050年钢铁行业直接排放总量比2019年降低50%以上。按照相同的路径，粗钢生产的排放强度必须降低58%。

国际能源署认为钢铁对现代经济至关重要，但指出，在支撑钢铁需求量预期增长的同时减少排放，这将带来巨大挑战。虽然提高材料和能源使用效率的措施有助于行业的减排，但其潜力很快会被耗尽，钢铁行业需进一步开发和部署一系列突破性技术方案和配套的基础设施，以实现长期、深度减排。

工信部、国家发改委、生态环境部今年3月发布《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》（以下简称《指导意见》）对钢铁行业提出了明确的减碳目标，要求到2025年，80%以上钢铁产能完成超低排放改造，吨钢综合能耗降低2%以上，水资源消耗强度降低10%以上，确保2030年前碳达峰。

中国钢铁生产以高碳排的长流程为主

目前我国钢铁行业仍以碳排放强度高的长流程为主，77%以上的产能采用高炉 (BF-BOF) 技术。使用废钢和电弧炉（EAF），也称短流程炼钢的方式仅占生产总量的9%，并主要用于生产高端特殊钢制品。

相比之下，全球目前有61.3%左右的粗钢是由长流程炼钢炼成的，20.2%使用短流程炼钢。发达国家如美国的长流程占比仅在30%左右。

就碳排放而言，长流程炼钢主要以消耗煤炭为主，吨钢碳排放为1.954吨二氧化碳。而短流程的废钢-电弧炉和直接还原铁都以电力为主，吨钢碳排放分别在0.13 和0.20吨二氧化碳。

3.中国钢铁行业减排机遇

尽管当前钢铁行业面临环境和资源两大约束，以及超低排放改造和碳减排双重挑战，但从钢铁生命周期的角度看，钢铁自身是一种绿色低碳材料，也具有极高的回收率。因此凭借此次机会，钢铁行业或可实现技术突破，进行能源革命，转变管理模式，从而进一步增强产品及生产模式的低碳竞争力。

与此同时，来自行业上下游企业的减排需求也促进了更多利益相关方的创新合作。

上游：矿商积极与钢铁企业开展合作

国内铁矿资源贫矿多、富矿少，前者比后者的处理流程更长、处理成本更高。因此，我国铁矿石供应主要来自进口，代表供应商有巴西淡水河谷、澳大利亚必和必拓、澳大利亚 FMG 等。2019年我国铁矿石进口依存度达80%以上。

为实现全产业链的低碳转型，矿商正在积极与下游钢铁企业开展技术合作。2020年11月份，必和必拓与中国宝武就共同应对气候变化签署战略合作谅解备忘录，计划投资3500万美元，共享互通低碳减排技术知识。FMG 将低碳转型的重点聚焦在了新能源替代方面。为了实现企业的碳减排目标，FMG 专门成立了 FFI（未来产业公司）子公司专注于开发绿色电能源、绿色氢能源和绿色氨能源项目。

中游：大型钢铁企业设定低碳目标

钢铁行业的中游环节包括从生铁制备粗钢再到加工生产各类钢材的全过程。钢材产品主要包括螺纹钢、线材、冷轧/热轧板卷、涂镀层、中厚板等。

根据世界钢铁协会以粗钢产量进行的钢企排名，2021年中国的宝武集团荣登第一。在前十钢企中还包括河钢、沙钢、鞍钢、建龙集团以及山钢。

国内各主要钢铁企业也积极响应实施低碳改造。宝武钢铁提出要在2023年实现碳达峰，2035年实现减碳30%，2050年实现碳中和，并计划发布低碳冶金路线图。河钢集团提出2022年实现碳达峰，2025年实现碳排放量较峰值降10%，2030年实现降低30%以上，2050年实现碳中和。鞍钢集团也提出了目标，将在2025年前实现碳达峰，2035年碳排放较峰值下降30%，成为首批碳中和的大型钢铁企业。

下游：建筑、基建为钢铁主要“客户”

中国虽然是钢铁生产大国，但是90%的钢材都是自产自用，其下游为各个行业：建筑与基础建设的钢铁消费量占总消费量的58.3%，机械制造占16.4%，汽车制造占5.4%。

同样，随着建筑行业等诸多下游行业提出减排目标与路径，钢铁行业也将迎来更多合作创新的机遇。

（点击文章最后“阅读更多”了解建筑行业减排需求与机遇）

4.钢铁行业零碳转型技术路径

Makeable 根据可再生能源、电力改造、能源效率、材料与能源替代和 CCUS 等创新路径出发，整理出以下钢铁行业在应对气候变化的技术重点和要点。

全球钢铁行业的碳中和策略与技术方向

根据 IEA 的路线图，全球钢铁行业需要通过以下三个核心策略达到其碳中和目标：

1. 开发新型、低排放的炼钢工艺

IEA 认为，钢铁行业的深度脱碳需要依赖新的工艺，并将2050年钢铁行业的累计减排量中近四分之一（24%）归功于两项新技术：氢基直接还原铁和碳捕集与封存 （CCUS）。为此，两项技术需要更快地达到商业规模应用。除此之外，还有一些处于早期开发阶段的新技术可以加速钢铁脱碳的机会。

2. 提升材料效率

提升材料效率可以通过多种策略降低对原始粗钢的总体需求，例如高效的产品设计、钢材回收、工艺效率和维护等以延长产品寿命。根据 IEA，提升材料效率到 2050 年将减少约 20% 的钢铁需求。

除了减少钢铁生产过程中的废品产生和通过改进产品设计提高废品利用率之外，材料效率的另一个重要方面是钢材的直接再利用。直接再利用是指对钢铁产品进行“回收”而不进行重新熔化，例如回收钢梁或管道以重新用于新的或不同的用途。

3. 技术性能提升

技术性能改进是指在炼钢过程中逐步降低能源强度的战略和技术（与效率的急剧变化相反），其包括通过实施最先进的高效技术（又称最佳可用技术 BAT）升级以及流程优化策略（又称最佳操作实践）而做出的改变。

中国：废钢生产、煤炭替代、CCUS

国内现阶段钢铁行业碳排放强度的下降主要来自废钢生产和能源效率的提高，比如在钢铁生产过程通过工艺的优化和回收使用废钢来节约资源。未来一段时间仍将以长流程工艺为主，节能减排也应该立足于高炉-转炉（BF-BOF）的设备基础之上。但随着技术进步，炼钢效率和再利用接近技术极限，进一步脱碳需要从根本上改变生产方法。

中长期来看，将会利用氢气或生物能代替煤炭作为高炉炼钢的还原剂，并且将生产供能过程电气化。或者利用 CCUS 技术清除化石燃料产生的碳排放。也可综合利用炼钢所产生的一氧化碳/二氧化碳作为化学工业的原料生产燃料、 肥料或其他有价值的产品。随着未来条件成熟，富氢气基竖炉直接还原工艺将迎来较大发展空间，在此之前可在具备电价、煤炭资源优势的地区和钢企先行推广，为之后国内大规模发展积累技术、人才等经验。

Makeable 也将在后续推文为读者进一步介绍钢铁行业脱碳的创新案例和全球最佳实践，欢迎关注。

头图来源：Pexels

参考资料：

落基山研究所《碳中和目标下的中国钢铁零碳之路》

落基山研究所《中国2050: 一个全面实现现代化国家的零碳图景 》

Global Energy Monitor “Pedal to the Metal – NO TIME TO DELAY DECARBONIZING THE GLOBAL STEEL SECTOR”

Primetals Technologies “Transforming steelmaking: Roadmaps to net-zero carbon for the integrated plant”

华宝证券《钢铁行业碳中和深度研究报告》

中国煤炭工业协会 《2020 煤炭行业发展年度报告》

中国钢铁工业协会 《2020年中国钢铁行业经济运行报告》

世界钢铁协会《气候变化与钢铁生产》

世界钢铁协会 ”The Chinese steel industry at a crossroads“

世界钢铁协会 “Top steelmakers in 2020″l

国际能源署《世界能源技术展望2020—钢铁技术路线图》

国际能源署《2050净零排放：全球能源行业路线图》

国际能源署《中国能源碳中和路线图》

宝山钢铁股份有限公司《2020可持续发展报告》

国金研究《钢铁煤炭行业:产业链集群化——中国产业聚集地图》https://finance.sina.com.cn/stock/stockzmt/2020-09-01/doc-iivhuipp1819589.shtml

《2021年中国钢铁行业产业链图谱上中下游市场剖析》 https://baijiahao.baidu.com/sid=1707988193892542459&wfr=spider&for=pc 

BNEF “Steel Industry Set to Pivot to Hydrogen in $278 Billion Green Push“ https://about.bnef.com/blog/steel-industry-set-to-pivot-to-hydrogen-in-278-billion-green-push/

https://www.bhp-china.cn/media-and-insights/news/2020/11/bhp-partners-with-china-baowu-to-address-the-challenges-of-climate-change.html

最近网络流传的上海人指导北京人的囤菜名单中，脱水海藻榜上有名，比如海带、紫菜、裙带菜和石花菜。因为此类食物不仅容易储存，泡发后饱腹感强，而且营养丰富。这些我们常见的“盘中餐”主要为大藻（海草），而其实生长在海洋中的藻类包括多种不同种类以光合作用产生能量的生物，主要分为大藻和微藻。

近年来，越来越多海洋生态学家视海藻为实现人类可持续发展的“超级植物”。2020年，联合国全球契约组织还发布了一项“海藻宣言”，该宣言旨在促成国际认可的标准，在政府、科学界和工业界之间开展更广泛的合作，通过充分开发海藻的多种深度价值，兴起一场“海藻革命”。

“浑身是宝”：一种基于自然的多功能解决方案

2021年10月，《自然》（Nature）发表了一篇关于海藻应用前景的最新论文。该研究由阿联酋阿卜杜拉国王科技大学主持，科研人员发现：仅需2%的海水、却占全球海水养殖产量的 51.3%的海藻，可以提供广泛的生态系统服务，不但为各行各业提供食品和天然产品来源，还能为减缓和适应气候变化，以及应对富营养化和生物多样性危机提供了一种基于自然的多功能解决方案。甚至，海藻水产养殖可以看作是一种排放物捕获和利用技术，可支持循环生物经济。

除了学术机构加持，围绕海藻种植的各类组织也愈加成熟。成立了6年有余的再生海洋养殖非营利组织“绿浪”（GreenWave）专门设立了“海藻气候基金”（Kelp Climate Fund），研究如何在为海洋企业家创造稳定收入来源的同时实现可持续的环境正影响。

得益于广泛的应用前景和良好的环境效益，全球市场对商业海藻产品的需求水涨船高。根据美国咨询公司 Grand View Research Inc. 2021年12月发布的报告：到2028年，全球商业海藻市场规模预计将达到378亿美元（约合2475亿元人民币）。从2021年到2028年，预计复合年增长率为10.8%。

在各种商用海藻形态中，除了较为传统的动植物饲料，如海藻肥、生物刺激素外，海藻的创新应用主要集中在以下三方面：海藻蛋白、碳捕获和新材料。

超级蛋白：2%的海洋，喂饱120亿张嘴

海藻富含蛋白质，脂肪含量低，碳水化合物含量低，并且富含维生素、锌和铁，适合人类食用。在东亚，食用海藻有着悠久的历史和丰富的食谱。将其加工为食品，是海藻最显而易见的利用形式。基于此，业界寄希望于推动海藻成为未来全球主流食品。联合国全球契约海洋解决方案高级顾问、海藻推广者文森特·道梅泽（ Vincent Doumeizel ）认为：“仅通过利用百分之二的海洋来进行种植海藻，我们就可以提供足够的蛋白质来养活全球120亿人口。”

但是，对于并无海藻食用传统的地区，海藻食品的最大挑战是口味的接受度和消费习惯的转变。因此，欧美藻类公司在打造藻类产品时，主攻方向是利用海藻最有营养的蛋白部分，并尽可能使产品口味更具接受度。

总部位于英国的藻类公司 Algenuity 开发了一种创新技术，实现了海藻味道的可塑性。该公司的专利 Chlorella Colours® 显著降低了微藻的叶绿素含量，使其保持中性风味，同时仍保留天然营养。

2020 年， Algenuity 与全球食品巨头联合利华达成合作，致力共同开发基于微藻的替代蛋白。据称，Algenuity 微藻的乳化和浓缩特性类似于鸡蛋这样的传统食材，这意味着它们可以用于包括蛋黄酱、汤、酱汁、肉类替代品、烘焙食品和意面等多种食物。

位于加利福尼亚州的初创公司 Umaro Foods 也致力于将海藻打造得更美味。公司日前宣布完成由 AgFunder 领投的 300 万美元种子轮融资，支持其首款产品面世——即公司的拳头产品：由海藻蛋白制成的植物培根。在这之前，该公司曾获得600万美元的科学和技术研究奖金。

该公司的培根含有来自海洋养殖的红海藻的提取物，既是植物基培根的天然色素，还是植物油模仿动物脂肪的口感来源。而且红海藻含有48-50%的蛋白质，比大豆中含有的蛋白质还要多，可谓“颜值与营养于一身”。Umaro  Foods 计划于今年第二季度首次分销海藻培根，优先通过餐厅合作伙伴渠道推向市场。

低价高效大规模捕获碳排

在🔗《TECH & TREND | 养殖海带海藻有助于缓解气候危机》里，我们就给大家介绍过海藻在缓解气候危机上的重大作用。海藻能有效将二氧化碳转化为氧气，还在应对海洋污染、清洁海水中的硝酸盐和磷酸盐方面发挥作用。事实上，就产氧量而言，藻类的贡献比起全球所有的热带雨林合起来还要大。

身材比大藻“迷你”很多的微藻，近年来，以 “绿色细胞工厂” 的身份愈加受到关注。通过基因工程改造，微藻可生产多种生物燃料和化学产品。发展以微藻为基础的绿色生物制造产业，有望解决当前能源危机和化工产品生产不可持续的问题，同时缓解温室效应。

近期《自然通讯》（Nature Communications）发表的一项研究表明，中科院青岛能源与过程研究所单细胞中心团队发现：在微拟球藻中含有一种蓝光特异性诱导的油脂合成调控机制，并基于此发明了 BLIO （ Blue-Light Induced Oil synthesis ）“光控” 高产油技术，该技术将峰值油脂生产率提高了一倍。

工业产油微藻则能够利用光合作用将二氧化碳和水转化为油脂，经过物理/化学方法把微藻细胞内的油脂转化到细胞外后，再进行提炼加工，就可以制备出绿色环保型的柴油和航油。另外，蓝光超级微藻相比其油料作物，产油微藻生长周期短，单位产油量大，“超级”二字名副其实。

英国公司 Brilliant Planet 通过沙漠里种植海藻实现经济和环境效益。该项目第一期在摩洛哥一处沙漠中开辟了3公顷“试验田”：通过从附近的海岸将海水泵入实验设施，对海水中富含的营养物质和二氧化碳巧加利用，当水流经一系列的水塘过滤后，藻类生长并在专有系统中并与碳隔离。藻类的收获期通常为18到30天，成熟的藻类会从水中过滤出来，而剩下的水将返回海洋。回流的水有助于降低海水的酸性，而藻类则会经干燥处理后埋在沙子下，其捕获的碳可以永久储存在沙子下。

经过4年的第一期试验，该轮收益足以支撑项目的下一阶段发展，当前，扩大至30公顷的商业示范区正在建造中。公司 CEO Adam Taylor 在接受 Tech Crunch 采访时表示，该公司的目标是达成低成本碳捕获方式，将大气中清除一吨二氧化碳的价格降低至50美元以下。

生物循环经济：可持续材料

从舌尖到沙漠……随着对“百变海藻”的创新研发，海藻产品还将以更多形态，甚至肉眼难以识别的方式出现在寻常百姓家。比如，随手翻翻化妆包里，或许就能找到海藻制成的卡拉胶成分。随着消费者环保意识增强，卡拉胶也因其自然衍生和可再生的特性，受到大家的热捧，欧莱雅等大品牌早已推出了以海藻卡拉胶为主要成分的产品线。

而海藻作为环保材料的最新趋势，是代替各种石化塑料。在今年3月公布的 Tom Ford 海洋环保材料创新大赛入围名单中，8个入围企业就有5个围绕着海藻替代塑料包装材料“做生意”。

英国可持续生物技术公司 Kelpi 的主要产品之一是海藻为原料的低碳生物塑料包装；冰岛初创公司 Marea 因地制宜地利用当地可持续的海藻流，制造薄膜塑料的替代品；总部位于伦敦的 Notpla 则受到大自然封装液体的启发，殊途同归地选择利用海藻研制薄膜塑料的可替代性包装（点击🔗《从原则、商业模式到深度思考：「循环经济」方法论及其创新解决方案》了解更多）；美国 Sway 公司生产的薄膜塑料替代品不仅可以在家做堆肥，还实现了负碳；印度的 Zerocircle ，也“靠海吃海”利用当地种植的海藻包装材料，使用后的产品能够无污染地溶解在海洋中。

而在海藻为原料的替代包装生产上，来自全球第二大塑料污染国——印尼的 Evoware 已经深耕消费市场多年，产品线也非常成熟，包括方便面调味包、汉堡纸等食品包装，也有水杯、吸管、餐具等。

其中，创始人着手研发的第一款（也是后来成为“网红款”）的产品，就是方便面调味包。因为热水一冲即化的特性，该款调味包无需费力撕开，而且融化后还能为泡面增添鲜香风味和多重营养，最最重要的是，减少了一次性塑料垃圾。

从便利、营养、居家空间等角度看，这种“可食包装袋”算得上非常宅家友好了，假如早点普及的话，一定也会成为囤菜名单上的“抢手货”。

参考资料：

https://news.un.org/zh/story/2020/11/1072142

https://www.nature.com/articles/s41893-021-00773-9

https://repository.kaust.edu.sa/handle/10754/672816

https://www.greenbiz.com/article/kelp-boom-hinges-supply-chain-and-carbon-market-investments

https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/commercial-seaweed-market

https://www.brilliantplanet.com/

https://mp.weixin.qq.com/s/8Uc9ir3FfsfpLDijkvZS8A

https://mp.weixin.qq.com/s/bi6mMtyB8jsv4GB7o1QdaA

https://mp.weixin.qq.com/s/T4mtQLvIN0gwnn7spPdZ6w

https://rethink-plastic.com/home/

1.氢气：钢铁行业脱碳的未来

要实现工业脱碳目标，无论是钢铁行业还是水泥或化工行业，未来必然都需要使用大量的绿氢替代化石能源和原料。在钢铁冶金行业，氢能发挥的作用尤为明显。

基础炼铁过程中会使用到三种还原剂：碳、氢和电。基于此，任何清洁生产工艺的目标都是从碳转向氢气和/或电力。根据落基山研究所的最新报告，在清洁效率和技术成熟度的综合考虑下，氢冶金，尤其是清洁氢冶金，是最具前景的钢铁行业脱碳解决方案之一。

氢气炼钢即以氢代替炭作为还原剂，将还原反应中的碳排放转为水排放。由于钢铁行业的碳排放主要集中在炼铁环节，而炼铁的碳排放主要来自碳还原反应，采用氢作为钢铁冶炼过程中的还原剂，不仅可以减少碳排放，提高还原效率，还为冶金全流程生产过程产生的富氢含碳煤气找到了更有价值的利用途径。

截至2020年，我国钢铁企业平均吨钢碳排放量为1765公斤。如采用基于天然气的炼铁工艺，可以将吨钢碳排放降至940公斤; 如使用80%的氢气和20%的天然气，则可以降至437公斤; 如果完全使用氢气炼钢，则可以实现二氧化碳的“零排放”。

氢冶金正处于技术导入期。预计到2030年，基于绿氢的氢冶金将逐渐扩大在钢铁行业中的规模化应用，到2050年，钢铁行业的用氢需求将达到980万吨，氢冶金成为钢铁行业实现碳中和目标的主要路径之一。   

高盛发布的《氢能深度报告》也指出，绿氢已成为实现全球净零排放的关键支柱。要想在2030年实现净零排放，预计需要在绿氢供应链累计投资5万亿美元。

2.氢冶金的应用场景

氢气可用于钢铁生产的方式有两种：

● 氢气可作为高炉-转炉 BF-BOF 路线（长流程）的辅助还原剂

● 氢气可用作铁的直接还原或 DRI（短流程）过程中的唯一还原剂

氢气在高炉中的应用

对于以高炉-转炉为主的既有产能，可以通过高炉喷吹氢气技术充分利用焦炉煤气回收氢或直接生产的氢气替代部分作为还原剂的煤炭，积累利用氢气作为还原剂的冶铁实践经验。但是，该路线并无法改变以煤为基础的高-转炉工艺路线，减排力度可达到21%（如果使用绿氢）。

氢气在非高炉冶铁中的应用

为了更进一步地实现炼铁的完全零碳化，应考虑直接还原铁、熔融还原和电解冶铁等非高炉冶铁产能，对产能进行全面更新改造或建立新产能。

直接还原炼铁工艺是以非焦煤为原料，在低于矿石熔化温度以下进行还原，获得固态金属铁的工艺，所得的产品称为直接还原铁（Direct Reduction Iron，简称DRI，也称海绵铁），一般采用气基竖炉，还原气体主要来源于天然气。基于氢气的直接还原铁（DirectReduced Iron, DRI）技术提供了一种完全脱碳的炼铁方式，其技术成熟度（TRL）达到了6-8的较成熟水平。该技术可以电力为主要能源来生产零碳粗钢。

氢等离子体熔融还原（HPSR）技术正在发展中，利用氢，而不是煤，作为熔融还原的还原剂。该路线将完全替代高炉-转炉路线，并且省去烧结、炼焦等步骤。不过，目前该技术的技术成熟度仍低于直接还原铁。

3.氢能应用面临的挑战

从中长期来看，我国可再生能源资源丰富，在绿氢的供给上具有巨大潜力，将有助于实现化工、冶金等工业难以减排领域的深度脱碳。中国产业发展促进会氢能分会预计，随着技术成熟和清洁氢的应用，我国钢铁行业2025年前后可实现工艺成熟，对氢需求达36万吨/年，有望实现行业碳达峰。

聚焦我国氢冶金领域发展方面，尚处于探索阶段，产业发展存在以下挑战：

挑战1：经济化制氢

当下，世界上超过95%的氢气来自天然气和煤炭，每生产一吨氢气，就会产生9至12吨二氧化碳排放（麦肯锡）。虽然氢气是一种清洁气体，燃烧时只释放水蒸气，但用氢气代替炼钢中使用的焦炭、煤或液化天然气是没有意义的——除非氢气是由可再生能源（绿色）生产的，或者在其生产过程中排放的二氧化碳被捕获并存储（蓝色）。

根据国际能源署汇总数据，在中国生产氢气各种不同技术路径的成本排序如下：电网电解水制氢成本最高（约 5.5 美元/公斤）; 可再生能源发电制氢成本（约 3 美元/公斤）; 天然气加碳捕捉与贮存制氢（约 2.5 美元/公斤）；天然气制氢（约 1.8 美元/公斤）; 煤制氢（1 美元/公斤）；煤加碳捕捉与贮存制氢 (1.5 美元/公斤）。

按照中国目前氢能市场价格（约每吨6万元人民币或7800欧元），采用氢能炼铁工艺成本比传统高炉冶炼工艺至少高五倍以上。据测算，氢气成本需降至1.26元/标方，或者对吨碳排放征收碳税25元，才能达到氢碳还原平价。

但据麦肯锡预测，在未来十年绿氢的价格会降低一半。绿氢价格的下降是由以下因素驱动的：a) 太阳能和风能价格降低导致可再生电力成本降低；以及 b) 电解槽成本下降。由于对二氧化碳排放的处罚越来越多，灰氢价格将受到影响。蓝氢的价格前景相对稳定。

挑战2：规模化储运氢

氢的密度仅为0.0899kg/m，是水的万分之一，因此氢的高密度储存一直是一个世界级的难题。目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢及储氢材料储氢三种，在经济价格、安全性等方面依旧需要技术突破。

氢气的运输同样是个问题，由于氢能产业尚未成熟，氢气运输成本和前期建设较高，而运力较低，经济性有待提升。

挑战3：规模化制氢

在传统的长流程炼铁中，碳除了作为还原剂，还起到多种关键作用，如作为燃料提供热量、作为骨架支撑炉料、以及作为生铁渗碳的碳源。氢的密度和元素构成显然无法替代碳的支撑和渗碳作用，炭的使用难以避免，而且氢气还原是吸热反应，氢气比例达到一定程度后，需要额外供热来实现热量互补，如果这部分热能来源还是通过碳燃烧，那碳排放只是有增无减。

目前氢气对碳基还原剂的替代是存在极限值的，尤其是高炉炼铁工艺，对温度的要求更高，用氢受限程度也因此更大。

4.国外氢冶金发展与创新案例

目前，欧洲低碳炼钢的发展方向主要包括以氢代替焦炭的氢能冶金、将高炉煤气中的二氧化碳进行收集并储存的碳捕集利用/封存等，各大钢企也陆续进行了相关项目的实践。

本文将着重介绍三个比较有代表性的国际案例，从以下案例可以看出欧洲钢铁企业利用氢的不同技术路线。头部钢企主要以上下游合作开展氢气冶金和氢等离子体熔融还原（HPSR），并且多数为试点开展阶段，尚未进入规模化生产。

除此之外，也有初创企业以创新的技术加入到氢冶金的方向中，也获得了资本和行业的大力支持。

H2 Green Steel: 瑞典创业公司建设全球最大氢能冶金试点

公司：H2 Green Steel （H2GS）

成立年份：2020

试点地点：瑞典北部 Boden-Luleå

氢气来源：工厂内电解获得绿氢

炼钢工艺：氢气直接还原 DRI – 电弧炉 EAF

产能（预计）：2024年投入大规模生产、2030年可达500万吨

瑞典初创公司 H2 Green Steel 计划在瑞典北部的 Boden-Luleå 建造世界上第一座使用绿色氢的大型无化石炼钢厂。这将会动员价值约25亿欧元的投资，将创造10000个直接和间接就业机会。 

H2GS 的选址为无化石钢铁生产提供了有利条件，可随时获得来自可再生能源的廉价能源、优质铁矿石、Luleå 的大型海港以及世界领先的集群冶金和钢铁生产方面的专业知识。

HYBRIT：瑞典产业巨头联合测试氢气直接还原铁

项目：HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology)

发起方：瑞典钢铁（SSAB），瑞典大瀑布电力（Vattenfall）和瑞典国有铁矿石生产商 LKAB

成立年份：2016年

试点地点：瑞典多地

氢气来源：电解获得绿氢

炼钢工艺：天然气直接还原铁、氢气直接还原铁 

产能：2025-2035年，HYBRIT 项目将进入实证阶段，进行小规模的工业生产；到2045年，SSAB 将达成实现非化石能源炼钢的目标。

在工厂正式落成后，HYBRIT 先使用天然气进行直接还原、并于去年5月开始使用氢气。在2到4周的活动中每小时生产约1吨直接还原铁。在接下来的3年里，将会持续进行试点。另外，HYBRIT 也启动了氢气储存设施的试点，位于直接还原工厂旁，两者由管道链接。这个试点将于2022-2024年之间进行测试。

切换到纯氢气系统会显著改变原本工艺的热力学平衡，因此氢气必须在进入熔炉之前进行预热，而 HYBRIT 旨在通过电加热系统实现这一目标。提高氢气含量还会增加流经竖炉的气体体积和速度，并改变 DRI 的成分 HYBRIT 研究人员将研究这种铁的成分与天然气制成的 DRI 相比如何，以及它是否适合用于电弧炉。

与此同时，HYBRIT 正在探索生产用于直接还原铁工厂的铁矿石球团的替代方法。该工艺目前使用化石燃料，但 HYBRIT 已尝试使用造纸产生的生物油副产品，并计划测试以氢为基础的加热来制造颗粒。

SuSteel: 小规模进行氢等离子体熔融还原

项目：Susteel

发起方：voestalphine

成立年份：2016年

试点地点：瑞典

炼钢工艺：氢等离子体熔融还原 (HPSR)

SuSteel 的氢等离子体熔融还原（HPSR）在氢气通过中空石墨电极进入锥形反应器时使用电力将其切碎。这个过程在超过 20,000°C 的温度下产生氢原子、离子和分子流。等离子体熔化并还原精细研磨的铁矿石，形成液态钢池。不需要造粒，石墨电极向金属中添加的碳刚好足以形成粗钢，因此金属可以避免通过电弧炉而直接进行二次炼钢。SuSteel 在奥地利多纳维茨的试验工厂将于夏季开始运行，最终每批生产 50-100 公斤钢。

5.国内氢冶金发展与创新案例

随着碳达峰、碳中和的落实，大型钢铁集团开始积极布局。目前国内钢企在氢气炼钢的实践较早，但呈现规模小、试验性强的特点，早期工业化推广高炉富氢或气基竖炉还原工艺的钢企由于体量较小，信息披露有限，所以项目投产建成后的实际效果暂时未知。

气基竖炉氢气炼钢在近日相对于高炉富氢更为活跃，但所处阶段也较为早期，大部分处于筹建或签署合作意向阶段，但亮点在于大型钢企如宝钢和河钢集团在氢气炼钢路线上也计划加入气基竖炉阵营，并且选择的技术路线都更为先进，规划更为全面系统，这为后续钢铁企业在低碳转型方向上起到了指引作用。

我们初步整理了国内目前正在进行氢冶金相关的试点工作与创新。

宝武与中核：核能制氢+氢能冶金

在核能制氢方面，早在2019年初，中国宝武就与中核集团和清华大学签订《核能-制氢-冶金耦合技术战略合作框架协议》，共同开发“核能制氢”技术，降低制氢成本，并与钢铁冶炼和煤化工耦合，实现钢铁行业 CO₂超低排放和绿色制造。目前，中核集团已完成10NL/h制氢工艺的闭合运行，建成了制氢能力为100NL/h规模的台架，并实现86h连续运行。

河钢与意大利特诺恩集团：氢气直接还原铁试点

2019年3月，河钢集团与2019年11月，与意大利特诺恩集团签署谅解备忘录（MOU），商定双方在氢冶金技术方面开展深入合作，利用世界最先进的制氢和氢还原技术，并联合中钢国际等机构研发、建设120万吨规模的氢冶金示范工程。该项目据称是中国首个真正意义上的、最大规模的工业级氢冶金技术项目。

2021年5月，河钢宣钢正式启动建设120万吨规模的氢冶金示范工程。项目采用 Energiron-ZR（零重整）技术，可替代传统高炉碳冶金工艺，预计年减碳幅度达60%。项目充分发挥张家口地区国家级可再生能源示范区优势，充分利用风能、太阳能等分布式可再生能源，结合应用工业气体制氢和绿电电解水制氢，使用含氢量约70%的补充气源作为还原剂，生产1吨直接还原铁仅产生250kg CO2，同时对产生的 CO₂进行选择性回收，并在下游工艺再利用，1吨产品产生的最终净排放量仅约125kg。同年7月底，河钢集团还投入运营了首批次30辆氢能重卡，打造钢铁生产氢能应用全产业链。

建龙集团：已正式投产氢冶金

中国第五大钢铁企业的民营钢铁企业建龙集团，也在开发氢冶金技术方面迈出了关键的一步。2019年9月，建龙集团启动建设年产30万吨的氢、煤混合熔融还原法生产高纯铸造生铁项目，氢将通过焦炉煤气分离获得。

2021年4月13日凌晨4点20分，内蒙古赛思普科技有限公司年产30万吨氢基熔融还原高纯铸造生铁项目成功出铁。这标志着氢基熔融还原冶炼技术成功落地转化，国内传统的 “碳冶金” 向新型的 “氢冶金” 转变的关键技术被成功突破。目前内蒙古赛思普正在加紧生产。据了解，项目投产以来，企业日产高纯生铁1500吨至1800吨。该项目主导产品为高纯铸造生铁和超高纯铸造生铁，产品与常规高炉铁水比，它有低磷、低硫，低硅、低碳、低有害元素的优点。主要应用于风电、核电、高铁等高端铸件领域。

上海大学与兴国铸业公司：高炉喷吹纯氢冶炼技术开发试验项目

2021年12月23日，全球低碳冶金创新联盟成员单位上海大学与昌黎县兴国精密机件有限公司（简称：兴国铸业）联合共建的氢冶金低碳技术研发试验系统建成并成功点火开始实验。在完成前期的全焦和富氧喷煤实验基础上，12月28日向40立方米的试验高炉中成功注入纯氢气，进入“以氢代碳”的富氢冶炼实验阶段。

这是继2019年11月11日德国杜伊斯堡的蒂森克虏伯钢厂正式启动纯氢气注入9号高炉、尝试“以氢代煤”作为高炉还原剂试验项目的全球首次报道之后，中国首次以纯氢为喷吹气源、进行高炉富氢冶炼技术开发试验。

“以氢代碳”冶炼试验实现了降低焦比10%以上，达到了减少CO2排放量10%以上和铁产量增加13%以上（大幅提高高炉利用系数），节能降碳效果显著，同时获得了钢铁生产中大规模安全使用氢气的经验。

6.观察与思考

减碳技术的进步是一个逐渐深化的过程，需要实现从单一技术创新到集成创新的转变。而钢铁行业的脱碳技术路径更是如此。

根据欧盟报告，欧洲钢铁制造行业的大多数脱碳技术已在 TRL 5-7 的阶段，需要一定的支持才能达到规模示范（即 TRL 9）。然而，考虑到钢铁厂规模和投入庞大，达到 TRL 9 并不意味着新技术达到与传统炼钢技术相同的成熟度。因此，欧盟提出，基于钢铁行业和技术特性，需要对 TRL 9 阶段之外的研发提供支持，以确保脱碳技术达到规模示范并进行产业化。

就中国的情况来说，我们观察到，目前国内对于氢冶金的尝试均展露出规模小、实验性强的特点。除头部钢铁企业以外，我国多数钢铁企业研发体系建设相对不完善，“产学研用”全链条的协同创新仍在探索阶段。今年年初，由工业和信息化部、国家发展和改革委员会和生态环境部发布的《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》明确提出，要推动产学研深度融合，充分发挥优势学科及龙头企业的带头作用和科技力量，促进相关技术的规模化和绿色低碳转型与高质量发展。

我们相信，在双碳目标引领、创造的优渥土壤中，这种融合、协同的创新活力将充分发挥其减排驱动力，而围绕产业低碳转型开展的多元共创也将是中国钢铁行业脱碳路径中高效的、创新的范式。

在这一创新范式中，创新服务机构亦可在其中承担起极其重要的对接、催化、链接和平台搭建的职能，为进一步推动创新生态的建设与发展作出重要贡献。

图片来源：SAAB

参考资料：

东方证劵《钢铁碳中和2:低碳冶金，“氢”来了》

European Commission 《Climate-neutral Steelmaking inEurope》

Goldman Sachs 《Carbonomics》

Green Steel for Europe 《Technology Assessment andRoadmapping》

McKinsey & Co. 《Decarbonizationchallenge for steel》

RMI《培育清洁氢冶金价值链，打造完成生态圈》

中国环境报《氢能冶金能否助力钢铁绿色化》

中国氢能联盟《全球氢冶金发展专题报告》

https://bellona.org/news/climate-change/2021-03-hydrogen-in-steel-production-what-is-happening-in-europe-part-one

https://bellona.org/news/industrial-pollution/2021-05-hydrogen-in-steel-production-what-is-happening-in-europe-part-two

http://www.csteelnews.com/xwzx/jrrd/202109/t20210910_54739.html

https://www.goldmansachs.com/insights/pages/from-briefings-17-february-2022.html

http://www.kangxin.com/html/1/173/174/353/14903.html

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319920347376

https://www.sklass.shu.edu.cn/info/1042/2664.html