研究进展丨面向跨环节灵活性协同的氢基炼钢系统设计方法

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（来源：清华大学气候变化研究院）

近日，清华大学能动系教授、清华大学气候变化与可持续发展研究院（下称“气候院”）院长李政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）。该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。

清华大学能动系2025届博士何岳璋为论文第一作者，气候院院长李政教授、气候院副研究员彭天铎与普林斯顿大学杰西·詹金斯（Jesse D. Jenkins）副教授为论文通讯作者。论文共同作者包括清华大学能动系2023级博士研究生王振乾、2022级博士研究生杨星原、普林斯顿大学博士研究生穆罕默德·阿图伊费（Mohamed Atouife）、沙特阿美研究人员丹尼尔·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）。

钢铁行业约占全球碳排放的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。

图一. 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。

图二. 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

本研究表明，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。

相关论文链接：https://doi.org/10.1039/D6EE00643D

编辑｜伍子戈

(清华大学气候变化研究院)