碳达峰、碳中和背景下电气化对钢铁行业影响的研究
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1 电气化内涵及意义
为积极应对全球气候变化和促进人类文明进步，我国向全世界郑重承诺“碳达峰”、“碳中和”时间目标，在此背景下加快实现新兴电气化是降低化石能源消耗、降低油气对外依存度重要战略措施。电气化包含清洁低碳电气化、深度广泛电气化、装备先进电气化、智能互动电气化等。电气化将加速能源向清洁低碳转型，推动清洁能源成为主导能源，重构能源体系结构巨变。供需端将形成“电力生产低碳化+能源消费电气化”特征，推动全社会向以电为中心的高度电气化水平跃升，带动工业革命大量的技术进步和创新，带动人类美好生活，交通出行、采暖脱碳、绿色建筑等方面也将向碳中和目标迈进。电气化有着广阔遐想空间，需要装备先进安全，更需要技术的支撑和严谨的管理。
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2 电气化对碳中和的贡献
2.1电气化发展政策优势
“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，中央以促进新能源发展为突破口，赋予了深化电力体制改革新的要求和任务，首次明确了新能源在未来电力系统当中的主体地位，强调了构建新型电力系统。
2021年3月，《关于引导加大金融支持力度 促进风电和光伏发电等行业健康有序发展的通知》的发布，对促进风电和光伏发电给予了强有力的政策金融支持。
“十四五”期间，可再生能源发展将进入一个新阶段，到“十四五”末呈现以下几个特征：一是大规模发展，可再生能源的发电装机占我国电力总装机的比例将超过50%；二是高比例发展，预计可再生能源在全社会用电量增量中的占比将达到2/3左右，在一次能源消费增量中的占比将超过50%，变为能源电力消费的增量主体；三是市场化发展，从2021年开始风电、光伏发展将摆脱对财政补贴的依赖，实现市场化发展和竞争化发展；四是高质量发展，提升新能源消纳和存储能力。
2.2电气化现状与发展前景
2.2.1现状概况
2019年中国陆上风电、太阳能光伏、水电累计装机规模分别占全球总量的34%、35%、27%，均居全球第一。从2018年起弃风、弃光现象逐年快速好转，截至2020年底风电利用率已经达到97%，光伏利用率达到98%；可再生能源发电装机总规模达到9.34亿千瓦，占国内总装机的比重达到42.4%，发电量达到22000亿千瓦时，占全社会用电量的比重达到29.5%。
2.2.2发展前景
我国电气化技术装备已形成较为完备的可再生能源产业体系。水电领域具备全球最大的百万千瓦水轮机组自主设计制造能力，特高坝和大型地下洞室设计施工能力均居世界领先水平。低风速风电技术位居世界前列，国内风电装机90%以上采用国产风机，10MW海上风机开始试验运行。光伏发电技术快速迭代，多次刷新电池转换效率世界纪录，光伏产业占据全球主导地位，光伏组件全球排名前十的企业中我国占据7家。根据麦肯锡测算，我国在新能源领域的表现远超美国，在所有行业对比中位列第一。
全产业链集成制造有力推动了风电、光伏发电成本持续下降，近十年来陆上风电和光伏发电项目单位千瓦平均造价分别下降30%和80%左右，光伏从政策支持到单位发电成本竞争能力持续提升，在煤炭资源价格上涨、碳减排双重压力下，进一步推动风能、太阳能等零碳新能源发电进入规模化“倍速”发展。我国幅员辽阔，“十四五”期间总体规划风电装机290GW，为可再生能源新模式、新业态蓬勃发展注入强大动力。
2.3我国新能源需求发展趋势
根据国网能源研究院的研究成果，到2050年，煤炭发电占比大幅下降至6%，风光发电上升为主力，合计占比66%，气电、水电、核电等次优能源占比维持在28%左右，此外生物质发电占比约6%。整体趋势可概括为，煤炭发电持续削减、风光发电持续扩张、次优能源发电稳定支持。风光发电装机占比的提升对电网稳定运行提出了更高要求，储能装机配比有望占发电侧总装机的20%，成为电力系统中不可或缺的组成部分，煤炭机组成为调峰手段，有助于提升我国能源独立性。发电结构的不断低碳优化，单位发电量的CO2排放因子显著下降，发展新能源成为降低碳排放的第一驱动力。能源供给侧向绿色电力转变，促进需求侧的脱碳首先向着终端电气化转变。研究成果表明，终端电气化率在2050年达到50%以上，其中工业、建筑、交通部门分别达到 55%、65%、35%。
电气化担当着能源主战场生力军，在煤炭发电持续削减、风光发电持续扩张、电力低碳绿色转型的格局下，以省为单位的执行电价将会重新洗牌。
3 电气化对钢铁行业碳排放影响的研究
3.1钢铁碳排放的差距
钢铁行业作为仅次于发电行业的高碳排放行业，面临着碳减排的巨大压力。近两年来，全球多国的钢铁企业纷纷宣布了各自的减碳目标，钢铁行业由此加速进入“绿色低碳转型时代”。2020年我国粗钢产量高达10.65亿吨，占全球粗钢产量的比例超过57%。我国钢铁工业碳排放量占全球钢铁工业碳排放总量的60%以上，占全国碳排放总量的15%。目前，我国电炉短流程炼钢占比仅为10%，长流程占比高达90%，高炉-转炉流程特点决定了能源结构是以煤炭为主，煤炭比例达78%以上，电只占总能耗的10%。
传统高炉-转炉长流程的吨钢CO2排放量约为2t，纯废钢电炉短流程的吨钢CO2排放量约为600kg。目前已完成碳达峰的西方工业发达国家长流程的吨钢CO2排放量约为1.7t，电炉短流程的吨钢CO2排放量约为400kg。结合国内钢铁生产现状，2025年钢铁行业要完成碳达峰目标，不是提升碳达峰值，而是从现在就需要加大削峰力度，为完成2060碳中和打下牢固基础。
3.2碳排放核算问题探讨
碳素燃烧是产生CO2的主要来源。碳素消耗与碳排放发生在钢铁生产的全过程，以企业法人边界为主体的碳核算缺少细分到工序环节碳足迹的核算。企业能源平衡表和物料消耗表对工序碳足迹缺少数据支撑，吨钢能耗计算中电力现在采用当量值，CO2排放计算中电力因子为等价值，因此，会出现能源平衡表中的能耗指标与CO2指标不对应情况。这种局面应进行修订研究，以适应CO2减排核算过程需要。
3.3企业自发电再认识
3.3.1 钢铁煤气发电贡献
“十四五”前，钢铁企业的用能结构以“多买煤，少买电”不用天然气为发展方向。钢铁企业CO2排放量主要是体现在高炉燃料比和烧结加入的固定碳量，其60%转化为各种煤气，提高企业二次能源回收利用效率，转换为电力，可大幅减少外购电，并没有提高钢铁企业CO2外排量。因为电力大部分是由火力发电获得，钢铁企业减少外购电，也体现出对社会CO2减排的贡献。
3.3.2碳足迹对煤气发电再认识
生命周期评价（LCA）产品的碳足迹，是对原材料从提取到最后废物处置生命周期内所有阶段的碳排放进行全面、准确的量化。钢铁长流程特点，能源结构以煤炭和焦炭为主，占比90%，其60%转化为各种煤气，利用煤气发电的效率在40%左右，从全生命周期看，仍有60%以碳排放及温室效应产生且难以回收。
在煤炭发电持续削减、风光发电持续扩张、电力低碳绿色转型深刻变化格局下，顺应新能源低碳电力价格环比下降的外部条件，今后将会导致企业的用能结构向“多买电，少买煤、少缴碳税”方向发展。“十四五”前倡导企业“多买煤，少买电”发展的技术路线，还需要转变思想观念，完成商业模式的创新，研究“调整”技术路线，分析有利于企业相应的能源流与碳排放流对应的策略。
3.3.3煤气综合利用研究
“十四五”电炉钢产能将提高，煤气量将有所减少，但煤气的综合利用仍尤为重要，抛砖引玉提出几点看法：1）利用高炉煤气提高热风温度，热风是廉价的能源。热风能量是用低热值高炉煤气燃烧换来的，高炉风温提高100℃，可降低燃料比15-20kg/t，与工业发达国家相比，我国热风温度相差100℃左右。提高风温、降低燃料比有较高的经济效益。2）焦炉煤气制氢，可提高企业二次能源利用效率，进行氢能冶金，即利用氢气替代部分或全部的煤或焦炭，经济效益好。3）高炉冶炼煤气循环利用，转炉煤气制燃料乙醇，钢化联产用高炉、焦炉、转炉煤气为原料生产化工产品，实现固碳。4）轧钢加热炉利用混合煤气加热。5）北方地区利用混合煤气对物料解冻加热。6）企业发展与城市规划融合，实施热电联产，提高煤气利用效率。7）融合大型工业园区各行业间规划，综合利用煤气资源。
3.4短流程的发展趋势
近年，全球电炉钢比例为28%左右，中国以外世界其他国家平均电炉钢比例接近50%，美国在65%以上，欧盟40%以上，韩国30%以上，日本25%左右；中国电炉钢比例在10%左右。
但据世界钢铁协会预测，中国通过20年钢铁产能快速发展，根据钢铁产品生命周期评价法，判断未来废钢资源量将出现大幅增长，预计到2030年中国废钢资源量将达到5亿吨左右。电气化发展为短流程提供优厚的供电条件。预测到2030年钢铁行业电能消费量占终端能源消费量的比重将在2019年基础上翻一番，达到20%。因此，到2030年中国电炉钢比例有条件提升到40%。
3.5户用光伏市场
3.5.1户用光伏市场蓬勃发展
为达成碳达峰、碳中和目标，光伏行业势必要在“十四五”乃至更长远的时间内获得大发展。其中，户用光伏是一支不容小觑的细分力量，2020年国内户用光伏项目已达10.1GW，创下历史新高。部分用户在满足自己利用以外，还能上网外销。
3.5.2 钢铁行业潜力分析
钢铁行业“十三五”光伏发电量占总用电量的比例甚微，不到1%。绿色工厂评价强调新能源应用是必要条件，带动众多企业重视对新能源的开发，宝武集团建成行业最大的400MW光伏项目，包钢股份规划“十四五”建设490MW光伏发电，光伏发电占比由现状0.21%提升到5.16%。
“十四五”期间钢铁行业需要采取各种措施，突击推动光伏发电与工业建筑、工业设施融合发展。除了一般厂房屋顶，还需要不断探索和实践扩大应用范围。例如：停车场可以建造成具有安装太阳能的环境。厂区道路也可以开发利用，建造成具有安装太阳能的建筑。企业水处理场也可以建悬浮太阳能设施。矿山有大量土地空间可开发利用。
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