瑞典氫能煉鋼的突破與挑戰及對我國鋼鐵產業的啟示

鋼鐵產業約占全球7~9%的溫室氣體排放量，並且為歐盟碳邊境調整機制（CBAM）首批課徵對象。位於瑞典呂勒奧（Luleå）的SSAB鋼鐵公司於2016年與LKAB礦產公司以及Vattenfall能源公司，在瑞典能源署和歐盟創新基金的財政支持下，合作進行氫突破煉鋼技術（Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology, HYBRIT）計畫^[1]，目標為減少瑞典10%的溫室氣體總排放量，透過建立試驗工廠生產無化石燃料的零碳排放「綠色鋼鐵」來展開具體行動。 HYBRIT技術使用再生能源電解水產生「綠氫」直接還原鐵礦石的無化石燃料製程，取代傳統使用煤炭從鐵礦石去除氧氣的高爐製程。由於高爐製程會產生高碳排放，每生產1噸鋼排放高達2.2噸二氧化碳，氫氣直接還原鐵礦石製程則只排放水，不會有任何二氧化碳排放，有機會打造低碳排放甚至淨零排放的煉鋼產業。SSAB已在2021年成功生產第一批綠氫鋼鐵並交付瑞典汽車製造商富豪（Volvo），並設定從2028年開始量產無化石燃料「綠色鋼鐵」為目標。

一、瑞典氫能煉鋼的四大技術突破

瑞典氫能煉鋼的目標在建立無化石燃料鋼鐵的價值鏈。HYBRIT製程的原料是鐵礦石，在LKAB的礦山開採，原本使用化石燃料燒結成鐵礦球團形狀，但在HYBRIT計畫，LKAB的礦石加工改用生質燃料，然後再運往SSAB位於瑞典呂勒奧的工廠進行加工。鐵礦石是鐵與氧結合的氧化物（Fe2O3），為了生產鋼必須從礦石中去除氧，SSAB傳統煉鋼製程透過高爐在1,400至1,800℃高溫將鐵礦石熔化，並在2,200℃焦炭燃燒下，從鐵礦中去除氧氣。高爐取出的生鐵是液態鐵水，再透過煉鋼製程形成粗鋼。HYBRIT製程使用不含化石燃料的「綠氫」在還原爐將鐵礦石去除氧氣產出直接還原的固態海綿鐵，海綿鐵隨後在電弧爐熔煉，透過再生能源電力實現無化石燃料生產。圖1為SSAB傳統煉鋼製程與氫突破煉鋼製程的對比示意圖，相對傳統煉鋼製程，HYBRIT製程聚焦造粒、熔鐵、煉鋼、儲氫的技術突破^[2]。

資料來源： 本研究整理自HYBRIT網站，A value chain for fossil-free steel，https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-future/a-value-chain-for-fossil-free-steel/，最終檢索日期：2023/11/1。

圖1  瑞典SSAB鋼鐵廠的傳統高爐煉鋼製程（左）與氫突破煉鋼製程（右）

位於瑞典呂勒奧的SSAB 氫氣直接還原鐵（Direct reduced iron, DRI）的HYBRIT試驗工廠於2020年竣工，目前仍在小規模試驗利用綠電（風電或水電）來電解水以分離綠氫，再使用無化石燃料氫氣來還原鐵礦石的製程。離試驗工廠約3公里的地下儲氫設施已建成，將於2024年投入運作。LKAB礦產公司進行使用無化石燃料生產鐵礦石球團的長期試驗，已經在2020年成功生產世界上第一批無化石燃料的鐵礦石球團並供應給HYBRIT 計畫的SSAB鋼鐵廠，SSAB再以氫氣直接還原鐵製程讓氫與鐵礦石直接反應，產生海綿鐵和水，取代傳統高爐製程熔鐵成鐵水產生的高CO2排放。瑞典氫能煉鋼的四大技術突破如下所述。

突破一 無化石燃料鐵礦石球團生產：HYBRIT 開發使用無化石燃料精煉製造鐵礦球團的加熱技術。LKAB礦產公司位於瑞典的鐵礦石球團工廠已於2020年開始改用100%可再生的生質燃料，成為世界上第一座無化石燃料的鐵礦石球團工廠。

突破二 氫直接還原小規模生產海綿鐵：HYBRIT已在瑞典SSAB鋼鐵公司的呂勒奧工廠進行使用氫氣直接還原鐵礦球團的試驗。試驗工廠擁有一個氫直接還原爐以及兩個水電解槽，直接在試驗工廠內以再生能源電力生產「綠氫」，再用氫氣直接還原由鐵氧化物組成的鐵礦石，去除鐵礦石中的氧並成為純金屬鐵的多孔固態海綿鐵，使HYBRIT 製程成為取代煤炭和焦炭高爐製程的無化石燃料替代方案，HYBRIT製程是基於已通過商業驗證的直接還原製程，只是將過去使用天然氣的製程改用氫氣。同時，HYBRIT製程使用水和風力等無化石燃料電力製造氫氣，當氫與氧化鐵反應時，只會形成水而不會排放二氧化碳，並且產生的水可重新循環回收，再應用於電解製氫。

突破三 電弧爐冶煉海綿鐵：HYBRIT與瑞典鋼鐵研究所（Swerim）合作，在瑞典呂勒奧工廠進行冶煉試驗，用電弧爐冶煉氫氣直接還原的顆粒狀海綿鐵及熱壓塊鐵塊狀海綿鐵（多個海綿鐵壓在一起形成較大塊狀）。傳統高爐鋼鐵生產方式使用煤炭和焦炭去除鐵礦石的氧氣，從高爐中取出的生鐵是液態並以粗鋼的形式倒出。HYBRIT製程使用氫氣去除鐵礦石的氧氣，還原發生在較低的溫度下（大約700至900℃），產出的固態海綿鐵需在電弧爐熔煉成粗鋼。

突破四 內襯岩石洞穴地下儲氫：HYBRIT 在瑞典呂勒奧建造一座儲氫試驗工廠進行氫氣儲存測試。使用內襯岩石洞穴（Lined Rock Cavern, LRC）儲存技術來測試地下儲氫裝置。LRC儲存氣體技術已應用在瑞典儲存天然氣達20 年並得到充分驗證。氫氣儲存在地下岩石洞穴，洞穴牆壁襯有選定的材料作為密封層，LRC透過管道與3公里外的HYBRIT試驗工廠還原爐相連，儲存氫氣可提供穩定能源系統的機會，在電力充足時（例如有風時）生產氫氣並在電力系統承受壓力時使用儲存的氫氣。儲存氫氣的岩石洞穴位於地面下約30公尺，距離入口100公尺，試驗工廠所需儲氫體積約為100立方公尺。但若到後期量產，一座年產50萬噸氫直接還原鐵的氫能煉鋼廠，可能需要容量10萬至12萬立方米的大規模地下氫氣儲存設施，才足夠儲存高達100吉瓦時（GWh）電力所轉化的氫氣，才能供應2026年氫能煉鋼量產後三到四天的儲氫需求。

瑞典氫突破煉鋼技術（HYBRIT）的原料、成品、與製程設施如圖2說明。

資料來源： 本研究整理自HYBRIT網站，A fossil-free development，https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-development/，最終檢索日期：2023/11/2。

圖2  瑞典氫突破煉鋼技術（HYBRIT）原料、成品、與製程設施

氫能煉鋼除了減少碳排放，另一優點是可在較低溫度下進行，本研究參訪SSAB呂勒奧廠區的HYBRIT試驗工廠（圖3），提問HYBRIT計畫簡報人員所獲得關鍵製程資訊是HYBRIT試驗工廠以700度至900℃的較低溫度操作，遠較高爐製程1,400度至1,800℃為低，所需要的能量較少。由於鐵礦石可在較低溫度下還原，因此可大幅降低煉鋼所需能量。同時，傳統高爐煉鋼需要三天，但氫能煉鋼只需三小時，可節省大量的時間、精力和金錢。

資料來源：本研究參訪瑞典呂勒奧SSAB鋼鐵廠時拍照取得。

圖3  瑞典呂勒奧SSAB廠區傳統高爐煉鋼廠（左）與HYBRIT氫能煉鋼廠（右）

二、瑞典氫突破煉鋼技術所面臨的三大挑戰

在2023年9月參訪HYBRIT 計畫位於瑞典呂勒奧SSAB鋼鐵公司廠區的試驗工廠，發現試驗工廠並沒有在生產運作，顯示氫能煉鋼技術雖然少量試產在技術上可行，但若要大量生產，仍面臨許多重大挑戰需要突破，主要有以下三項關鍵問題需要解決：

挑戰一 氫能煉鋼成本仍較傳統高爐煉鋼成本高：瑞典氫能煉鋼使用再生能源電解水製氫的零碳排放做法，但礙於再生能源的高電價成本，故仍未大規模量產。從市場競爭來看，使用氫能煉鋼所生產的鋼鐵產品可能比以煤炭作為燃料的價格更高，因此會面臨在環境永續和市場競爭之間要如何取得平衡的抉擇。以瑞典為例，瑞典有非常豐富的水力和風力發電提供綠氫所需電力。因此氫能煉鋼在瑞典試行，雖然初期成本高於傳統煉鋼，但瑞典的優勢是具有豐沛的無化石能源可以運用，因此氫能煉鋼技術並非一定適用在世界其它各地使用，因為並不是世界上任何地方都能獲得充裕的無化石能源。另外也需要優質鐵礦石並以綠電來提煉成鐵礦石球團，這在許多國家都是不可能的。所以氫能煉鋼技術可提供給世界做參考，但是否適合全世界則是另一個問題。雖然SSAB的客戶表示願意以較高的價格採購氫能煉鋼的綠鋼產品，因為零碳排最終也會讓他們受益。瑞典HYBRIT計畫的想法與初衷是，試驗氫能煉鋼，一開始需要大量投資，雖然不知道最終是否會成功，但瑞典必須嘗試，如果不嘗試，最後將一無所有。然而，企業還需要考慮商業運作模式是否能夠永續經營，SSAB願意投資及試驗氫能煉鋼的動機之一是廠區的高爐即將進行30年使用後的更新，所以SSAB是在這樣的營運背景下，評估把資源投入到更具有未來發展性的淨零排放煉鋼模式，更能符合未來歐盟的相關規定與要求，這也是SSAB願意改變一切的根本原因。另外隨著再生能源成本的下降和二氧化碳排放成本的增加，預期氫能煉鋼與傳統煉鋼的成本差距也將會縮小。HYBRIT計畫目的在逐步使生產成本下降，讓氫能煉鋼鐵方案的社會性和經濟性逐漸一致，如此，全球鋼鐵產業的整體樣貌也將隨之改變。

挑戰二 瑞典綠能及水電解製氫的產能仍不足氫能煉鋼量產所需：SSAB還沒有得到未來氫能煉鋼量產所需的電力，SSAB氫能煉鋼所需的電力申請仍然在瑞典電力系統排隊。瑞典和台灣一樣，都面臨增加電力供應吃緊的問題。瑞典電力超過98%來自低碳來源，主要包括水力（約占40%）、核能（約占30%）、風力（約占20%）以及生質燃料（約占7%），僅有約不到2%電力來自化石燃料[3]，其中天然氣和燃煤比例都相當低。儘管瑞典擁有再生能源和水力發電，但在市場和輸電仍有限制。隨著綠色轉型，瑞典需要依靠自己的綠電來實現，但未來氫能煉鋼量產的限制因素可能是氫氣的供應鏈問題，因為瑞典將需要大量的電力來生產氫氣。以水電解製氫為例，電解槽和電力的大量使用是關鍵部分。氫能煉鋼工廠需要超過500兆瓦（MW）的電解槽，對用電需求很大，尋找設置大型電解槽並提供穩定的綠電來源，是氫能煉鋼能否擴大規模量產的關鍵條件。另外，電解水製氫在電費居高情況下，如何在保證綠電供應的同時控制成本，也是瑞典製氫面臨的挑戰。

挑戰三 氫能煉鋼的大量儲氫技術仍待測試：HYBRIT計畫將顯著減少二氧化碳排放，SSAB的目標將瑞典的碳排放量減少10%，從而為歐洲在2050年實現碳中和的目標取得重大進展。但氫能煉鋼量產需面臨的重大挑戰是要找到儲存氫氣的方法，因為氫氣的反應活性很高。目前HYBRIT計畫的解決方案是在SSAB試驗工廠附近建造氫氣的地下儲存槽，使用內襯岩石洞穴已知技術進行測試，雖然該技術在少量儲氫可行，但是由於未來可能需要儲存容量高達10萬至12萬立方米的大規模地下氫氣儲存設施，如此大量儲氫的技術仍待測試及驗證。

三、瑞典氫能煉鋼對我國鋼鐵產業的啟示

台灣鋼鐵產業在傳統低能源價格（低電價、低水價、低油價）的「褐色經濟」模式下發展，使得產業以及能源的轉型步伐緩慢。製造業前十大碳排企業中[4]，鋼鐵業占有相當比例，中鋼與中龍鋼鐵排碳占比分別為7.4%和3.4%，合計占台灣總碳排放量的10.8%。面對鋼鐵產業的高碳排現象，瑞典藉由HYBRIT氫能煉鋼，企圖將瑞典的總碳排放量減10%，剛好提供我國可借鏡的實務案例，評估氫能煉鋼技術是否可導入台灣以降低碳排放並從「褐色經濟」轉型至「綠色經濟」，降低對環境的衝擊。瑞典的氫能煉鋼透過再生能源電解水產生「綠氫」直接還原鐵礦石，實現零碳排的「綠色鋼鐵」生產，對台灣鋼鐵產業提供許多啟示，特別是在面臨因應氣候變遷的淨零排放行動和CBAM壓力的情境之下。HYBRIT的技術突破包括無化石燃料鐵礦石球團生產、氫直接還原海綿鐵、電弧爐冶煉海綿鐵、以及岩石洞穴地下儲氫，提供鋼鐵產業價值鏈全面轉型的藍圖。台灣鋼鐵業可評估及參考這些技術，尋找適合台灣產業以及地理環境的可行淨零轉型策略。在綠能依賴方面，瑞典成功利用豐沛的再生能源，例如水力和風力來製造綠氫，為氫能煉鋼提供穩定能源。台灣鋼鐵業可以思考如何整合本地再生能源，以減少對傳統化石燃料能源的依賴。然而，台灣鋼鐵產業在考慮氫能煉鋼製程時，仍需謹慎評估成本和效益，氫能煉鋼成本仍較傳統高爐高，但隨著再生能源成本下降和二氧化碳排放成本增加，差距有望縮小。此外，瑞典HYBRIT計畫目前仍面臨氫氣供應鏈不足的挑戰及需解決電解水製氫的產能限制。台灣發展氫能煉鋼技術應注意氫氣是否能持續穩定供應。最後，在儲氫技術方面，大量儲氫技術仍待測試，特別是在地下岩石洞穴的儲存。台灣鋼鐵產業在評估是否發展氫能煉鋼時，建議特別關注儲氫技術的創新和可行性。本研究從氫能煉鋼整體價值鏈四大技術突破觀點，探討瑞典與台灣導入氫能煉鋼的機會與挑戰，並且將瑞典氫能煉鋼試驗工廠的運作現況及對我國鋼鐵產業的啟示，整理如表1所示。

表1  瑞典氫能煉鋼對我國鋼鐵產業的啟示

資料來源：本研究整理。

HYBRIT計畫試產「綠色鋼鐵」成功，凸顯瑞典應對氣候變遷的堅定承諾與行動力。台灣雖然積極參與國際氣候行動，但在實際產業轉型上仍有所躊躇，碳中和只是短期目標，長期還是要達到淨零排放。台灣鋼鐵業者應該更積極參與因應氣候變遷的行動，而不僅僅只是依賴現有低價能源的「褐色經濟」產業模式。長期來看，如果鋼鐵產業煉鋼所使用能源不是綠色再生能源，再加上高碳排的高爐製程，將會對台灣實現2050淨零排放的策略與路徑構成重大挑戰。

[1] 資料來源：HYBRIT 網站，The strength of working together，https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-future/the-strength-of-working-together/，最終檢索日期：2023/11/1。

[2] 資料來源：HYBRIT 網站，Pilot scale research and development，https://www.hybritdevelopment.se/en/a-fossil-free-development/，最終檢索日期：2023/11/2。

[3] 資料來源：低碳力網站，瑞典2022年電力數據，https://lowcarbonpower.org/zht/region/瑞典，最終檢索日期：2023/11/2。

[4] 資料來源：ESG遠見，製造業碳排占四成，環團籲企業減碳莫跳票，https://esg.gvm.com.tw/article/4653，最終檢索日期：2023/11/6。