文章导读
你是否以为钢铁行业碳中和只能靠天价绿电和补贴？当所有目光都聚焦在电解制氢成本时，清华团队的研究却揭示了一个被忽略的致命瓶颈：风光电力的剧烈波动，正让依赖“连续稳定”的传统炼钢工艺陷入困境。然而，真正的破局点并非某个环节的技术突破，而在于“制氢-炼铁-炼钢”全链条之间一个反直觉的协同逻辑。这项覆盖中国五大钢铁城市的研究发现，仅仅改变运行策略，就能让绿钢成本骤降10%，其核心甚至要求你“适度超配”某些设备产能。这背后究竟是怎样一套颠覆传统工业设计的方法论？它又如何将看似无解的可再生能源波动，转化为降本增效的利器？
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近日，清华大学能动系李政教授团队联合普林斯顿大学、沙特阿美公司团队，在可再生能源驱动的氢基炼钢系统设计方面取得重要研究进展。研究系统揭示了在高比例风光条件下，通过“制氢-炼铁-炼钢”全链条的跨环节协同优化，可显著降低绿钢生产成本，为中国氢基钢铁的规模化部署提供了关键的量化支撑。
钢铁行业排放约占全球碳排放的7%，氢基直接还原铁被视为该行业实现深度脱碳的重要路径。由于可再生能源具有天然的波动性，氢基钢铁系统在工艺设计、容量配置与运行策略上或将突破传统工厂的“连续稳定运行”模式。然而，制氢、还原铁与炼钢各环节的灵活性潜力存在显著异质性，加之电、氢及中间产物等存储技术特征各异，使得跨环节的协同优化极具挑战。
图1.氢基炼钢的系统配置与运行灵活性概念示意图
针对上述挑战，研究团队面向以可再生能源为主导的氢基钢铁系统，构建了涵盖“电-氢-铁-钢”多环节的混合整数线性规划模型。该模型在小时级尺度上精细化模拟了风光发电、电解制氢、氢基还原竖炉与电弧炉的运行，并整合了储电、储氢及还原铁储存等多种缓冲单元，实现了各环节容量配置与灵活性策略的联合优化。通过对中国五个代表性钢铁生产城市的系统评估发现：相较于仅依赖电解槽灵活运行的基准情景，实施全流程灵活性协同策略可使钢铁平准化成本降低6%-10%。灵活性机制重塑了系统配置逻辑：通过适度超配电解槽、竖炉与电弧炉的生产产能，进而实现光伏与电池装机容量的大幅削减。
图2.不同情景与地区的氢基炼钢前期资本投入和吨钢成本构成
研究表明，在高比例可再生能源系统中，工业系统设计或将从传统的“连续稳定运行”转向“灵活运行与产能适度超配”的新型逻辑。氢基炼钢的竞争力不仅取决于绿电与绿氢成本，全系统的灵活性协同能力亦是核心支柱。该系统设计方法可推广至化工等其他高耗能产业，为难减排行业的深度脱碳提供可复制的路径。
研究成果以“解锁多环节灵活性助力中国实现具有成本竞争力的氢基炼钢”（Unlocking Multi-Stage Flexibility Enables Cost-Competitive Hydrogen-Based Steelmaking in China）为题，于2月27日在线发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。
清华大学能动系2025届博士毕业生何岳璋为论文第一作者，清华大学能动系教授李政、清华大学气候变化与可持续发展研究院副研究员彭天铎与普林斯顿大学副教授杰西·詹金斯（Jesse D. Jenkins）为论文通讯作者。论文共同作者包括清华大学能动系2023级博士生王振乾、2022级博士生杨星原，普林斯顿大学博士生穆罕默德·阿图伊费（Mohamed Atouife），沙特阿美公司研究人员丹尼尔·德·卡斯特罗·戈麦斯（Daniel De Castro Gomez）、何鑫博士（Xin He）、奥马尔·乌尔塔多·佩雷斯（Omar Hurtado Perez）。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D6EE00643D
供稿：能动系
编辑：李华山
审核：郭玲
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