全球钢铁行业正面临前所未有的脱碳压力。作为全球最大的工业二氧化碳排放源之一，钢铁产业贡献了约30%的全球工业碳排放。根据《巴黎协定》目标，到2050年温室气体排放需较工业化前水平减少80%至95%，以将全球升温控制在2摄氏度以内。在这一背景下，欧洲钢铁行业明确提出到2050年实现80%至95%的二氧化碳减排目标，而传统炼钢工艺的减排潜力已接近热力学极限，必须依靠突破性技术才能实现这一愿景。
目前欧盟粗钢生产主要分为高炉-转炉（BF/BOF）路线和废钢电弧炉（EAF）路线。2018年数据显示，58.3%的粗钢通过BF/BOF路线生产，41.7%通过EAF路线生产。传统BF/BOF路线每吨粗钢平均排放约1.9吨二氧化碳，即使考虑电力部门碳强度下降和废钢供应增加，到2050年最大减排潜力也仅为15%左右。相比之下，废钢EAF路线碳排放显著较低，每吨粗钢仅排放455公斤二氧化碳，但受限于废钢资源有限性和钢材质量要求，天然铁矿石原料在未来仍将不可或缺。
实现钢铁行业大幅减排主要有两条技术路径：一是智能碳利用（SCU），包括现有工艺中减少碳使用、将二氧化碳作为化工原料以及碳捕集与封存（CCS）；二是碳直接避免（CDA），即用可再生能源和/或无化石还原剂替代碳，从源头避免二氧化碳排放。CDA技术主要包括氢基和电基还原工艺，其中氢基直接还原（DR）技术因其与现有天然气管道和设备的兼容性，被视为向绿氢炼钢过渡的关键桥梁。
当前天然气管道直接还原（DR-NG）技术主要由HYL/Energiron和MIDREX两大技术提供商主导，其中MIDREX工艺占全球直接还原铁（DRI）总产量的约65%。该工艺的核心是竖炉，利用天然气或其他气体还原剂将铁矿石还原为海绵铁。由于重整气中已含有约55%的氢气，现有DR-NG工艺天然具备向氢基工艺过渡的基础。研究表明，在不改变现有装置的前提下，天然气可被替代约三分之一，实现进一步的二氧化碳减排。
然而，氢基直接还原面临热力学挑战。氢气与氧化铁的反应是吸热反应，导致还原过程在热力学上不利。若完全使用氢气作为还原剂，顶部气体将主要由水蒸气组成，无需重整器，但需要配备气体加热器以预热气体至所需温度。根据MIDREX数据，完全氢基运行每吨DRI需要800标准立方米氢气，其中还原过程本身需550标准立方米，气体加热器需250标准立方米，同时需添加约50标准立方米天然气以维持温度和碳含量。
绿氢炼钢的碳减排效果高度依赖于生产氢气的电力碳足迹。模型计算表明，只有当电力碳强度低于约120克二氧化碳/千瓦时，氢基工艺的二氧化碳排放量才低于天然气管道直接还原工艺。这意味着绿氢炼钢的环保效益与可再生能源发电的清洁程度直接相关。
大规模氢基炼钢对能源系统提出巨大挑战。每吨DRI的氢基生产约需3500千瓦时电力，若在欧洲范围内推广低碳钢生产，将产生每年400至500太瓦时的额外电力需求。考虑到当前钢铁行业电力消耗仅为75太瓦时，这一增量相当于欧盟当前总电力消耗的18%。即使采用其他低碳或废钢路线，开发合适的电解槽技术和确保充足的可再生能源供应仍是所有利益相关方必须应对的重大挑战。
当前电解槽技术的可用性、维护成本和工业环境下的运行经济性仍是潜在运营商难以评估的问题。以H2FUTURE项目为例，通过运行6兆瓦质子交换膜（PEM）电解槽工厂，正在系统研究这些关键技术问题。此外，向可再生能源转型需要确保全年持续稳定的电力供应，这对大型氢基直接还原工厂的运营至关重要。
从技术演进角度看，氢基直接还原并非从零开始，而是基于现有天然气管道直接还原技术的渐进式升级。这种路径优势在于可充分利用现有基础设施，降低转型成本，同时为未来完全绿氢运行奠定基础。然而，要实现这一愿景，需要在电解槽技术、可再生能源供应、能源系统集成等多个领域取得突破性进展。
对于中国钢铁行业而言，欧洲的经验教训具有重要参考价值。虽然中国钢铁产业结构与欧洲存在差异，但氢基炼钢作为实现碳中和的关键技术路径，其技术经济性评估、能源系统匹配、产业链协同等核心问题具有普遍性意义。未来，随着可再生能源成本持续下降和电解槽技术进步，氢基炼钢有望在全球范围内实现规模化应用，成为钢铁行业绿色转型的重要方向。
