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摘 要：日本经济产业省通过日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO），于2020年启动了绿色创新基金项目，设立了总额为2万亿日元（约1101亿元）的基金，将连续10年支持致力于脱碳的企业等进行研发实证以及社会实施。这一举措大大推动了日本环保技术的研发。近期，NEDO宣布绿色创新基金将向9个相关项目提供约2500亿日元（约138亿元）的补贴。受补贴项目包括“燃料氨供应链的构建”和“炼钢工艺中的氢气利用”项目。本文将介绍技术开发的具体推进计划。
关键字：氢还原炼铁、制氢、燃料氨、燃料氨供应链、低温低压氨合成工艺、氨混烧和专烧
对于快速成长的燃料氨市场，NEDO采取的举措
制氢能否成为钢铁行业的救星？
以社会实施为目标的未来技术开发需要什么？
首先，“燃料氨供应链的构建”项目大致分为两个主题来实施：①降低氨供应成本；②氨发电利用中的高混烧率与专烧化。在2020~2030年的10年间，预计投资总额达598亿日元（约33亿元），目标建立新技术以降低新一代清洁燃料氨的供给成本并扩大其应用。
氨具有“燃烧时不排放二氧化碳”的优点，因此通过将其与煤炭混合燃烧，可以减少燃煤发电的二氧化碳排放量。氨有望广泛应用于发电、工业和运输部门。
日本千代田化工建设和东京电力、JERA共同致力于开发能够降低制造成本的新型制氨催化剂。到2030年，NEDO将补助最多206亿日元（约11亿元）。
在目前的制氨方法中，需要400～500℃的高温以及高压，而使用新型催化剂，可以在比现有方法更低的温度和压力下生产氨，从而降低成本。以三个开发小组展开新型催化剂的开发竞争为中心，构建低温低压氨合成工艺，同时面向商用化，进行小型试验和中试试验以进行技术实证，由此尽快实现社会实施（图1）。
图1：项目示意图
关于氨发电利用中的高混烧率和专烧化，三菱重工和IHI将分别与JERA合作，开发提高氨混烧比例的技术（目前混烧率仅为20%左右）。该项目于2021年启动，目标是到2028年通过现有实机确立50%以上的混烧技术（图2）。NEDO将从总额为2万亿日元（约1101亿元）的脱碳基金中划拨高达279亿日元（约15亿元）的补贴。JERA计划反复进行实证试验，于2040年代实现氨专烧的火力发电厂的实用化。
图2：项目示意图
此外，NEDO还将在2028年对出光兴产、东京大学、九州大学等4所大学提供高达23亿日元（约1.3亿元）的支持。为降低制氨过程中的二氧化碳排放量，将确立以水和氮为原料，利用可再生能源发电的常温常压制氨方法（图3）。
图3：项目示意图
尽管燃料氨备受期待，但是在开始全面应用时，氨供应体制方面仍存在课题。世界上生产的氨80%用于肥料，且其中大部分在制造国自产自销。如果氨被用作燃料，预计将供不应求。如果氨出现短缺，可能会导致价格上涨，因此迫切需要建立可大规模供应氨的供应链。
NEDO将向日本制铁、JFE钢铁、神户制钢所等公司的炼钢方法开发项目“炼钢工艺中的氢利用项目”拨款总计1935亿日元（约107亿元）。
该项目致力于①利用高炉的氢还原技术的开发（高炉法）、②仅用氢还原低品位铁矿石的直接氢还原技术的开发（直接还原法）。此外，还计划进行“碳循环”，使从高炉废气中分离回收的二氧化碳与氢气反应生成甲烷，然后将甲烷注入高炉内用作还原剂。
根据日本环境省的报告，按部门划分，2019年度日本国内的二氧化碳排放量中，“工业部门”约占全体的35%，而钢铁行业占工业部门二氧化碳排放量的40%左右。此外，钢铁厂广泛使用的煤炭还原铁矿石来制造钢铁的“高炉法”无法避免二氧化碳的产生。
关于①利用高炉的氢还原技术的开发，各钢铁公司计划在2030年之前将以下技术投入实用：用氢气代替煤制焦炭，进行铁矿石脱氧，以减少10%以上的二氧化碳排放量；通过二氧化碳分离回收技术减少20%以上的二氧化碳排放量，总计削减30%以上的二氧化碳排放。
目标通过使用高炉以氢气还原铁矿石的技术，以及将产生的二氧化碳用于产生甲烷和还原剂等，实现高炉脱碳（图4）。计划将高炉的二氧化碳排放量减少50%以上。
图4：项目示意图
在②中，采用直接还原法（DRI），推进氢利用技术的实证。直接还原法使用天然气直接还原铁矿石固体，然后将其转移到电炉中进行熔化。通过将还原气体全部置换为氢，可以在不使用CCU等周边技术的情况下实现脱碳（图5）。
图5：项目示意图
然而，高炉法和直接还原法都存在很高的技术门槛。首先，高炉法的能源效率高，且可以去除杂质，因此适用于日本的强项——高品位钢的制造，但是在制造过程中很难完全不使用焦炭，因此无法实现二氧化碳零排放。
直接还原法如果使用100%氢还原，则可能实现二氧化碳零排放，但是无法像高炉法那样在同一个炉内进行铁矿石的还原和熔化，因此能源效率较低。此外，氢还原反应属于吸热反应，会使高炉冷却，因此必须持续补充还原所需的热量。
为了进行社会实施，必须在确立技术的同时，配备支持该技术的社会基础设施。为了有效利用氨和氢，有必要构建稳定供应的供应链，并推动回收二氧化碳并进行再利用的CCUS技术。此外，还需要建立由供应链全体来承担成本的机制。
根据矢野经济研究所2021年12月发布的报告，为实现脱碳社会，全日本能源设备及系统市场预计到2030年将扩大至23430亿日元（约1290亿元），到2050年将扩大至39850亿日元（约2194亿元）；其中，氢能领域的能源设备及系统市场预计到2050年将扩大至1.74万亿日元（约958亿元）；此外，作为氢和氨的脱碳通用基础技术的CCUS、碳循环领域的能源设备及系统市场预计到2050年将扩大到4800亿日元（约264亿元）（图6）。
图6：为实现脱碳社会，日本能源设备及系统市场预测
（单位：亿日元）
来源：矢野经济研究所
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