据能源圈了解到，富裕风电电解水制氢，耦合高污染的钢铁冶炼过程，既促进炼钢产业低碳转型，又可有效提升风电消纳能力。为了模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响，综合考虑钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性，确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统内部交互关系和反馈机制；结合钢铁行业发展趋势和绿氢替代潜力，建立了提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学模型；同时考虑到政府支持力度与制氢技术的发展，构建差异化情景，分析不同条件下的氢能需求规模和风电消纳水平。基于新疆案例表明，加大氢冶金支持力度和提高制氢电解效率，能够有效提升钢铁行业的绿氢替代率并加速绿氢成本降低，进而实现风电的全额消纳，有效解决“弃风”难题。

1 系统动力学分析

系统动力学是处理复杂动态系统的重要方法，其通过分析系统内部各因素间的相互关系，以研究系统的整体行为，适用于处理长周期的动态问题，而钢铁行业的绿色转型正处于初步阶段，以往研究大多针对钢铁用量的变化，鲜有对钢铁绿色转型和新能源耦合发展的系统动力学分析。本文主要考虑政府支持力度与制氢技术水平双重因素，结合绿氢的经济性因素，探究未来钢铁产量、氢能需求及消纳水平的发展趋势，分析绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响。

1.1 系统建模流程

绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的构建流程如下。1）明确研究目的，收集钢铁行业、氢能发展和风电装机的相关数据，确定系统边界；2）对影响消纳水平的因素进行梳理，确定因素间的因果关系，建立总体和局部间的反馈关系；3）确定系统变量间的方程式并明确相关参数，绘制系统流图以完成模型的建立；4）进行有效性检验，通过仿真分析不同发展情景下绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响。建模流程如图1所示。

图1 绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的构建流程

Fig.1 Construction process of green electricity-hydrogen energy-steel smelting coupling system

1.2 分析影响因素

钢铁生产的大致流程为：铁矿石通过高炉或直接还原炉等设备经过还原反应得到生铁，之后通过转炉法或电炉法等生成粗钢，最后粗钢加工成各种形态的钢材，进入各类制造业部门用以生产中间产品和最终产品。为保证未来的钢铁行业能有效提升风电消纳能力，结合国内外对绿氢炼铁的研究，须大力推广氢直接还原铁和电炉炼钢工艺。

经济投入情况、人口和政策支持影响着钢铁产量和氢能需求的变化，将其作为输入。风电消纳能力与钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性相关，将消纳水平作为输出。

1.3 因果关系图

随着城镇化率的不断提升，各行业的用钢需求随之增加，从已完成工业化和城市化的主要发达国家经验看，人均钢铁量呈现出近似S型的增长轨迹，并影响钢铁产量的增长速率。通过对绿氢炼铁工艺的政策支持，氢能需求逐渐增加，而对绿氢的不断投资会降低绿氢生产成本，提高氢能的竞争力，更有利于绿氢炼铁工艺的普及。绿氢需求的增加促使风电装机规模进一步扩大，消纳水平的提升会减少弃电量和降低峰谷差，从而保证电力系统的稳定运行，绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的因果关系如图2所示。

图2 绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的因果关系

Fig.2 The causality diagram of the coupling system of green electricity-hydrogen energy-steel smelting

绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的因果关系图包括钢铁子系统、氢能子系统和消纳子系统。钢铁子系统中生铁产量的增长受到多种因素的影响，在低碳转型的驱动下，对氢能子系统的氢能供应提出了更高要求；氢能子系统的氢能供应和制氢电量、氢能需求密切相关，钢铁子系统和氢能子系统通过氢能联系在一起；消纳子系统的消纳水平由可靠性、环境性和经济性消纳因子共同决定，钢铁生产过程中的峰谷差会影响系统的可靠性，制氢电量会使得弃电量发生变化，从而影响系统的经济性，3个子系统在相互作用的过程中实现了钢铁行业的绿色转型和风电的有效消纳。

钢铁子系统的因果关系中，城镇化率的提升和钢铁投资的增加会促进生铁产量不断上升，从生铁加工得到的粗钢产量和钢材产量会随之改变，而人均钢铁量制约着生铁产量的增长速度。钢铁子系统的主要因果回路为：人均钢铁量→−生铁产量→+粗钢产量→+钢材产量→+人均钢铁量。

氢能子系统中的因果关系中，绿氢投资的增加会促使电解槽装机容量的扩大以保证绿氢产量的充足供应，而供需关系使得绿氢价格不断变化；绿氢投资增加同样会使制氢技术不断升级，降低氢气的制造成本，而从中所得的绿氢回报会反馈于绿氢技术的升级。氢能子系统的主要因果回路为：绿氢投资→−绿氢成本→−绿氢回报→+绿氢投资。

消纳子系统的因果关系中，钢铁行业的绿色转型对风电消纳能力的提升主要体现在优化负荷、提高可靠性和节能减排3方面，消纳水平的提升会降低负荷的刚性需求和弃电量，风力发电过程中碳减排的环境效益同样影响着风电的消纳水平。消纳子系统的主要因果回路为：消纳水平→−弃电量→−发电收益→+经济性消纳因子→+消纳水平。

2 方程参数确定

2.1 关键参数的设置

机械设备、道路桥梁和住房建筑等产品和设施对钢铁材料的需求不断驱动钢铁全生命周期进程的演化。由于钢铁需求与众多下游应用领域有关，在预测钢铁产量时根据历年的产量、消费量和废弃量等流量指标，逐年递推钢铁用存量的变化，以探究氢能需求及消纳水平的发展趋势。

在模拟之前，对模型中的参数进行设置，参数主要来自两部分。

1）官网数据。新疆地区生产总值、总人口、城镇人口、生铁产量、粗钢产量、钢材产量、风力发电量、出生率和死亡率等数据来源于《新疆统计年鉴》。由于人口数量作为重要外部输入决定人均钢铁量的变化，影响钢铁产量的预测，为保证预测的准确性，出生率和死亡率的数值结合联合国发布的《世界人口展望2019》进行设置。

2）相关文献。结合工业化国家发展过程中人均饱和水平的变化，将钢铁人均饱和水平设置为12 t/人；自产废钢率和加工废钢率的数值设置为文献[17]中的平均水平；氢能子系统中制氢技术采用碱性电解水制氢技术，制氢成本及绿氢价格的初值来自文献[18-19]，电解效率、电解槽年利用小时数、税率来自文献[15, 20]，上网电价、风电年利用小时数来自文献[21]。关键参数的具体设置如表1所示。

表1 关键参数设置

Table 1 Key parameter settings

2.2 系统方程的确定

为进一步得到定量结论，在因果关系图的基础上，识别各因素的变量属性，细化因素间的数量关系，确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统的结构方程。

1）钢铁总存量。地区经济投入和人口发展情况会影响城镇化进程，炼铁作为钢铁生产的初始环节，与钢铁总存量的变化密不可分，主要方程式如下。

2）绿氢回报。绿氢的充足供应是保障绿氢产业发展的重要基础，对绿氢的不断投资会促进绿氢成本不断降低，由绿氢成本和价格所得的投资回报会加快风电装机容量的增长，主要方程式如下。

3）消纳水平。在风电装机规模不断扩大的过程中，优化负荷的可靠性、发电利润产生的经济性和碳减排的环境性共同影响着风电消纳水平，消纳水平的提升会减少弃电量和降低峰谷差，主要方程式如下。

3 模拟仿真分析

3.1 有效性检验

为了确保绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统模型具有准确性和可行性，使模型能够合理量化各变量间的关系，对该模型进行有效性检验。将系统的仿真区间设为2016—2050年，其中2016—2021年的数据用于模型检验，2022—2050年的数据用于模拟预测，仿真步长为1年。选取地区生产总值、钢材产量和风力发电量3个关键指标进行真实性检验，将其真实值与系统动力学模型的模拟结果进行对比分析。模型检验结果见表2。

表2 模型检验结果

Table 2 Model test results

由表2可得，地区生产总值、钢材产量和风力发电量的相对误差均在5%以内，因此本文所建立的模型具有较高的拟合度，可以模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响。

3.2 钢铁行业发展趋势预测

综合从官网及相关文献收集的数据，得到新疆地区的生铁产量、粗钢产量、钢材产量、人均钢铁量的预测结果如图3所示。可见生铁产量、粗钢产量和钢材产量在逐年减少，2030年分别降至900.96万t、1091.48万t和1273.93万t，2040年后产量的下降速度放缓，开始趋于平稳，随后在2050年进一步下降至778.15万t、822.61万t和915.54万t。随着全面小康社会的建成和钢铁产量政策的调控，钢铁行业朝着高能效、低使用量的方向发展，这是钢铁产业中各环节用量不断减少的主要原因。

图3 生铁、粗钢、钢材、人均钢铁量的预测结果

Fig.3 Prediction results of pig iron, crude steel, steel and per capita steel quantity

钢铁总存量与钢铁年产量相关，由于钢铁年产量日益减少，钢铁总存量呈现趋于饱和的变化趋势，与已经完成城市化进程的发达国家发展趋势一致，如图4所示。本文设置的人均钢铁量饱和水平为12 t/人，由图3可知，2040年左右人均钢铁量达到饱和水平，之后会趋于平稳，而钢铁总存量的变化趋势与其类似，目前正处于快速增长的阶段，这一阶段将持续18年左右。随着人均钢铁量达到饱和水平，钢铁总存量会进入趋近饱和阶段，其峰值会出现在2050年左右，与2050年城镇化率达到80%的进程一致。

图4 钢铁总存量、废钢产量的预测结果

Fig.4 Prediction results of total steel stock and scrap steel production

除了粗钢产量的自然降低，采用电炉炼钢清洁生产工艺代替传统生产工艺是减少炼钢过程中碳排放的重要措施。废钢资源是电炉炼钢的重要原材料，废钢产量的预测结果如图4所示。目前新疆的废钢量为234.63万t，废钢利用率为19.72%，利用率远低于发达国家的平均水平。随着电炉炼钢清洁生产工艺的普及，会促进废钢的再利用，预计到2050年，废钢量为575.57万t，废钢利用率为69.97%，随着废钢量的增加，钢铁行业的原料结构也将发生改变，废钢利用率的提升有利于降低钢铁冶炼对铁矿石的依赖，实现钢铁行业的绿色发展。

3.3 多情景下的绿氢和风电消纳模拟

钢铁行业作为高耗能高排放行业，随着城镇化进程的提升，其年产量会随之减少并趋于稳定，但是以高炉-转炉长流程为主的生产工艺仍会排放过多的CO2。除了钢铁产量下降导致的自然降碳，优化钢铁行业的流程结构，不断提升绿氢炼铁清洁工艺在传统工艺中的占比，是有效降低钢铁行业碳排放的重要方式。为了模拟不同发展情景下，钢铁清洁冶炼过程中的绿氢需求和风电消纳能力的变化，以《绿氢发展与展望》中对绿氢炼铁技术成熟度的研究为基础，结合新疆地区出台的相关政策，开展多情景下的绿氢和风电消纳仿真分析。

选取地区生产总值增长率、钢铁投资比重、城镇人口比例、绿氢投资比重、政府对氢冶金的支持力度、期望投资回报率、吨钢耗电量、上网电价、电解效率、风电年利用小时数为变量并按照序号1~10进行排序，在现有基础上，通过小幅度改变1~10号变量模拟对氢需求量的影响程度，各个变量的灵敏度分析结果如图5所示。

图5 灵敏度分析

Fig.5 Sensitivity analysis diagram

由图5可知，政府对氢冶金的支持力度和电解效率是影响氢需求量的2个主要因素。政府对氢冶金的支持力度会直接影响绿氢炼铁的比重，电解效率的提升可有效降低绿氢成本，从而促进绿氢的大规模应用，为直观分析政府支持力度和电解效率提升对钢铁绿色转型的影响，设置3个情景。1）政府支持力度为1、电解效率提升值为1；2）政府支持力度为1.4、电解效率提升值为1.2；3）政府支持力度为1.7、电解效率提升值为1.4。

通过3个发展情景模拟预测钢铁行业绿色转型过程中对氢能的总需求量，预测结果如图6所示。结果表明，政府对氢冶金的支持和绿氢技术的升级可以增加钢铁行业的氢能需求，3个情景下2030年的氢能总需求量分别为6.41万t、8.98万t和10.91万t，氢能需求量的上升表明绿氢炼铁替代率的增加，此时替代率分别为8%、11.2%和13.6%。2050年氢能总需求量分别为19.39万t、27.15万t和32.97万t，此时的替代率分别为28%、39.2%和47.6%。在不同的发展情景下，绿氢炼铁替代率具有明显区别，为促进绿氢炼铁工艺的大规模应用，持续研发电制氢技术，提升电解效率，是推动绿氢产业高质量发展的重要措施。

图6 氢能总需求量

Fig.6 Total demand for hydrogen energy

为满足日益增长的绿氢需求，相关部门会加大绿氢行业的投资力度，促使制氢技术的不断升级，从而使得绿氢成本降低，电解槽装机容量增加，如图7所示。2030年3个情景下的电解槽装机容量分别为11220.4、15897.3和21074.2MW；2050年电解槽装机容量分别达到30294.9、40674和54053.1MW。电解槽装机规模的增加会提升新疆地区的风电消纳能力，通过将多余的电能转化为氢气储存，可以减少风电的波动性，提高电网的稳定性。

图7 电解槽装机容量、绿氢成本的预测结果

Fig.7 Prediction results of electrolytic cell installed capacity and green hydrogen cost

当下的氢冶金工艺主要是富氢冶金，富氢冶金和纯氢冶金在还原氧化铁过程中的主要差别是供热需求不同，富氢气体中包含CO，由于CO还原氧化铁为放热反应，H2还原氧化铁是吸热反应，所以富氢冶金的供热需求低于纯氢冶金，通过重新配置反应系统的热量便可以实现纯氢冶金。当前限制纯氢冶金工艺发展的主要原因是成本过高，这也是当下大多数的氢气来自于煤炭、天然气等化石能源制氢的原因，在氢能产业快速发展的背景下，2030年3个情景下的绿氢成本分别为26.2、25.5、24.8元/kg，2050年分别为16.97、15.02、13.12元/kg。绿氢成本的降低会提高氢能的核心竞争力，增加市场对氢能的需求，促进氢能产业的快速升级和规模化发展。

随着绿氢成本的下降，由绿氢售价和成本所得的绿氢回报会继续反馈于绿氢技术的研发，促进绿氢成本的降低。3个情景下的绿氢回报如图8所示。

图8 绿氢回报

Fig.8 Green hydrogen returns

由图8可得，2030年3个情景下的绿氢回报分别为8.77亿元、12.79亿元和16.2亿元，2050年分别为18.66亿元、31.1亿元和44.01亿元。绿氢回报的持续增加表明了市场对绿氢需求的增加，绿氢回报会反馈于技术投资和风电建设，促使氢冶金实现与传统工艺冶金相当的成本，推进氢冶金清洁工艺的普及。

绿氢回报促使风电装机规模不断增长，为缓解风力发电量持续增加所带来的消纳问题，通过钢铁行业氢能需求的增加来降低风电的弃电量是提升消纳能力的新途径。3个情景下的消纳水平和弃电量如图9所示。

图9 弃电量、消纳水平的预测结果

Fig.9 Prediction results of abandoned electricity and consumption level

由图9可得，由于3个情景下的氢能需求相差较大，对风电弃电量的影响明显不同。情景1中，由于氢能产业发展缓慢，其降低风电弃电量的作用较小，到2040年左右才能实现风电的全额消纳；情景2中，随着氢能产业的进一步发展，加快了消纳水平的提升速度，从而快速实现风电的全额消纳；情景3中，随着氢冶金技术的快速发展，氢能具有很大的市场需求，同时风电的消纳水平快速提升，2030年左右就能实现风电的全额消纳。

4 结论

1）随着城镇化规模的不断扩大，新增的建筑和基础设施会逐渐减少，导致生铁产量、粗钢产量和钢材产量逐年变少，在此过程中废钢利用率快速上升，至2050年可达到69.97%，从而降低钢铁清洁冶炼对铁矿石的依赖；人均钢铁量在2040年左右达到饱和水平，同时钢铁总存量进入趋近饱和阶段，至2050年左右钢铁总存量达到峰值，与2050年城镇化率达到80%的进程相一致。

2）在不同的发展情景下，2050年绿氢钢铁冶炼的氢能总需求量分别为19.39万t、27.15万t和32.97万t。随着绿氢供需关系的不断变化，至2050年绿氢回报分别为18.66亿元、31.1亿元和44.01亿元。加大政府对氢冶金清洁工艺的支持力度和提升电解效率，可以有效增加钢铁行业的绿氢需求量，从而促进绿氢的广泛使用，推动绿氢产业的高质量发展。

3）绿氢产业的快速发展会带动风电装机的建设，氢能作为可调节能源，可以改善风电快速发展带来的稳定性及消纳问题，在低速发展情景中，到2040年左右能实现风电的全额消纳，而在高速发展情景中，随着绿氢炼铁工艺的快速普及，到2030年左右就能实现新疆地区风电的全额消纳。

本文建立的模型可为新疆地区钢铁行业的绿色转型提供理论指导，并且能为相关政策的出台提供参考。未来的研究可进一步考虑影响制氢成本的因素，更加细化地分析绿氢低成本的发展路径，从而更加深入地分析新能源消纳能力的变化。

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