钢铁行业主要依赖化石能源作为燃料及铁矿石还原剂，是典型的难减排行业。氢基还原铁技术使用氢气作为还原剂，在炼铁环节不造成碳排放，被视为实现钢铁行业深度减排的关键技术。为确保氢基还原铁技术的脱碳效果，需要保证充足的、基于可再生能源的绿氢供应。然而，我国可再生能源分布极为不均，且通过管道进行氢气跨区域运输的技术尚不成熟。因此，氢基还原铁技术的推广受限于可再生能源分布，需要开展高分辨率的空间分析，探究最优的氢基还原铁技术部署及可再生能源供应方案。

为解决上述问题，清华大学环境学院温宗国教授团队提出了一系列在不同可再生能源类型、不同技术应用规模情景下的氢基还原铁技术部署方案，并详细评估方案的碳减排、生产成本及水资源消耗（图1），研究揭示了可再生能源分布对氢基还原铁技术部署的限制作用，并强调了制定合理技术应用规模的必要性。

图1.研究框架（包括钢铁单元数据库、可再生能源评估、可再生能源供应-需求模型、氢基还原铁技术推广方案制定、碳减排效果评估、水耗评估六个模块）

研究团队建立了钢铁生产单元模型，着重分析了现有高炉炼铁工艺情况，并开发核算方法评估太阳能、风能和生物质能源在0.1°×0.1°分辨率，对基于氢基还原铁技术的炼铁工艺的制氢供应潜力。结果表明，我国太阳能、风电的年发电潜力，以及可用于制氢的生物质能的年产生量能够满足当前全国氢基还原铁技术的制氢需求，但其分布呈现高度的地区不平衡特性，必须开展可再生能源的供需匹配分析以制定氢基还原铁技术部署方案。

研究团队设定了六种氢基还原铁技术的部署情景，包括三种可再生能源供应（太阳能、风能、生物质能）以及两种应用规模（温和、激进）的组合，同时开发了可再生能源空间供需匹配模型，以确定各情景下需改造的炼钢单元及需要部署可再生能源的区域。结果表明，在温和的技术应用规模下，三种可再生能源均可以满足技术的氢能需求。然而，若采用激进的技术应用规模，则不得不依赖额外的补充能源投入。这些补充能源占系统整体能源需求的1/3到1/2，会显著影响氢基还原铁技术的碳减排效果、经济成本与水耗。

图2.六种氢基还原铁技术部署方案的氢能需求量及能源投入构成

研究团队评估了各情景下氢基还原铁技术部署方案的碳减排潜力、成本与水耗。对于碳减排潜力指标，太阳能-温和情景和风能-温和情景的减排效益最大。然而，采取激进的应用规模会大幅增加排放水平。相对地，利用生物质能制氢方案的排放更高，这是由于生物质能的运输和处理过程会造成额外的隐含碳排放。

对钢铁生产成本开展评估，结果表明，太阳能-温和情景和风能-温和情景的单位成本最低，与当前的高炉-转炉炼钢的成本相当。若考虑未来碳排放权交易的收益，应用氢基还原铁技术的收益将更为显著。然而，由于外购电网电价相较可再生能源发电更高，太阳能-激进与风能-激进情景的钢铁生产成本大幅提升。此外，由于生物质气化与蒸汽重整-碳捕集和封存制氢工艺成本较高，使用生物质能用于氢基还原铁技术的单位成本也较高。

图3.氢基还原铁技术部署方案成本及构成

最后，研究团队探究了部署氢基还原铁技术的水资源压力。结果表明，氢基还原铁技术在激进的应用规模下的水耗量远高于温和规模。这一结果充分体现了该技术在节水-降碳目标间的冲突关系，并会加剧个别地区的水资源冲突问题。综上所述，应当设置合理的氢基还原铁技术推广目标，以实现低碳、高效益、低水耗的转型模式。

图4. 氢基还原铁技术部署方案的整体水耗情况及单位减碳水耗

相关研究成果以“不均衡的可再生能源供应限制了氢基还原铁技术的减碳潜力”（Uneven renewable energy supply constrains the decarbonization effects of excessively deployed hydrogen-based DRI technology）为题，于5月27日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学环境学院2022届博士毕业生王奕涵和陈晨为论文第一作者，中国人民大学生态环境学院副教授陶媛和温宗国为论文通讯作者。