清華新聞網(wǎng)3月5日電 近日，清華大學(xué)能動(dòng)系李政教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合普林斯頓大學(xué)、沙特阿美公司團(tuán)隊(duì)，在可再生能源驅(qū)動(dòng)的氫基煉鋼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得重要研究進(jìn)展。研究系統(tǒng)揭示了在高比例風(fēng)光條件下，通過(guò)“制氫-煉鐵-煉鋼”全鏈條的跨環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，可顯著降低綠鋼生產(chǎn)成本，為中國(guó)氫基鋼鐵的規(guī)?；渴鹛峁┝岁P(guān)鍵的量化支撐。
鋼鐵行業(yè)排放約占全球碳排放的7%，氫基直接還原鐵被視為該行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳的重要路徑。由于可再生能源具有天然的波動(dòng)性，氫基鋼鐵系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)、容量配置與運(yùn)行策略上或?qū)⑼黄苽鹘y(tǒng)工廠(chǎng)的“連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行”模式。然而，制氫、還原鐵與煉鋼各環(huán)節(jié)的靈活性潛力存在顯著異質(zhì)性，加之電、氫及中間產(chǎn)物等存儲(chǔ)技術(shù)特征各異，使得跨環(huán)節(jié)的協(xié)同優(yōu)化極具挑戰(zhàn)。
圖1.氫基煉鋼的系統(tǒng)配置與運(yùn)行靈活性概念示意圖
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)面向以可再生能源為主導(dǎo)的氫基鋼鐵系統(tǒng)，構(gòu)建了涵蓋“電-氫-鐵-鋼”多環(huán)節(jié)的混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型。該模型在小時(shí)級(jí)尺度上精細(xì)化模擬了風(fēng)光發(fā)電、電解制氫、氫基還原豎爐與電弧爐的運(yùn)行，并整合了儲(chǔ)電、儲(chǔ)氫及還原鐵儲(chǔ)存等多種緩沖單元，實(shí)現(xiàn)了各環(huán)節(jié)容量配置與靈活性策略的聯(lián)合優(yōu)化。通過(guò)對(duì)中國(guó)五個(gè)代表性鋼鐵生產(chǎn)城市的系統(tǒng)評(píng)估發(fā)現(xiàn)：相較于僅依賴(lài)電解槽靈活運(yùn)行的基準(zhǔn)情景，實(shí)施全流程靈活性協(xié)同策略可使鋼鐵平準(zhǔn)化成本降低6%-10%。靈活性機(jī)制重塑了系統(tǒng)配置邏輯：通過(guò)適度超配電解槽、豎爐與電弧爐的生產(chǎn)產(chǎn)能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏與電池裝機(jī)容量的大幅削減。
圖2.不同情景與地區(qū)的氫基煉鋼前期資本投入和噸鋼成本構(gòu)成
研究表明，在高比例可再生能源系統(tǒng)中，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或?qū)膫鹘y(tǒng)的“連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行”轉(zhuǎn)向“靈活運(yùn)行與產(chǎn)能適度超配”的新型邏輯。氫基煉鋼的競(jìng)爭(zhēng)力不僅取決于綠電與綠氫成本，全系統(tǒng)的靈活性協(xié)同能力亦是核心支柱。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可推廣至化工等其他高耗能產(chǎn)業(yè)，為難減排行業(yè)的深度脫碳提供可復(fù)制的路徑。
研究成果以“解鎖多環(huán)節(jié)靈活性助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的氫基煉鋼”（Unlocking Multi-Stage Flexibility Enables Cost-Competitive Hydrogen-Based Steelmaking in China）為題，于2月27日在線(xiàn)發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。
清華大學(xué)能動(dòng)系2025屆博士畢業(yè)生何岳璋為論文第一作者，清華大學(xué)能動(dòng)系教授李政、清華大學(xué)氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院副研究員彭天鐸與普林斯頓大學(xué)副教授杰西·詹金斯（Jesse D. Jenkins）為論文通訊作者。論文共同作者包括清華大學(xué)能動(dòng)系2023級(jí)博士生王振乾、2022級(jí)博士生楊星原，普林斯頓大學(xué)博士生穆罕默德·阿圖伊費(fèi)（Mohamed Atouife），沙特阿美公司研究人員丹尼爾·德·卡斯特羅·戈麥斯（Daniel De Castro Gomez）、何鑫博士（Xin He）、奧馬爾·烏爾塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D6EE00643D
供稿：能動(dòng)系
編輯：李華山
審核：郭玲
