钢铁行业在减少CO₂排放方面发挥着关键作用。当前，氢能绿色钢铁生产技术的开发和实施正在不断增加。气候政策的制定和对企业碳排放的限制一直是绿色钢铁发展的重要驱动力。随着这些政策的增加和碳交易市场的实施，绿色氢钢以及其他技术（CCS）的试点或产业规模项目数量有所增加。2019年，全球钢铁行业产生了2.6Gt的CO₂，约占工业二氧化碳排放总量的四分之一。其中约0.3Gt是石灰熔剂使用和铁合金生产过程中的排放。根据《巴黎协定》的规定，到2050年，温室气体排放量必须比工业化前水平减少80%-95%，以将全球变暖控制在2℃。工业生产过程和运输过程产生的巨大温室气体排放是实现脱碳和发展氢经济的重要动力。

如今，绿氢的价格很高。然而，随着时间的推移，这些价格预计将迅速下降。从历史上看，用于生产灰氢的天然气比生产绿氢的可再生电力便宜，因此电解在过去很少使用。

如今，灰氢的价格还不到绿氢的一半。然而，由于技术的发展，预计到2030年价格将发生变化。绿氢价格的下降可归因于可再生电力成本的降低，因为太阳能和风能的价格较低，电解槽的成本较低。电解槽成本的降低是基于产量的提高、研发速度的提高、系统规模从2MW增加到90MW以及效率的提高。因此，绿氢价格预计将变得更低。

另一方面，为了评估纯绿色氢基钢生产与传统高炉生产相比的整体经济竞争力，还必须考虑CO₂成本。根据预测，由于CO₂排放处罚的增加，灰氢价格将下降。在欧洲，欧盟排放交易系统（EU ETS）是一种总量管制和交易策略。欧盟排放交易系统内的公司温室气体总量受到行业特定的允许温室气体数量“上限”。随着时间的推移，上限将降低，允许的温室气体排放总量也将减少。因此，预计到2050年，CO₂价格将大幅上涨。2019年底，欧洲CO₂的平均价格为25EUR/t。德国已经宣布2026年后CO₂的价格在55-65EUR/t。预计到2050年，欧洲CO₂的价格可能达到100-150EUR/t。

对于年产750万t钢的产线，DRI+EAF工艺中绿色制氢的初始资本成本估计约为 100 亿EUR。对于采用DRI工艺的煤制氢设施来说，所需成本更高。在这两种情况下，这些成本都没有考虑可再生能源生产基础设施。根据欧洲议会研究服务机构2021年的研究，到2050年，欧洲的蓝色和灰色钢铁产量将仅下降15%。与此同时，随着CO₂信用额度价格的上涨，到2050年，灰钢的生产将面临70%的价格上涨。此外，到2030年，综合路线（BF/BOF）的平均生产成本仍然是最便宜的。各种工艺路线的钢铁生产成本构成中，碳价格、天然气价格和电解成本是改变钢铁生产成本的主要因素。

用氢气还原铁矿石是吸热过程，而用CO还原（由焦煤的部分氧化产生）是放热过程。这意味着，如果使用氢气作为还原剂，则在矿石还原过程中必须从外部连续提供热量。此外，就还原因子而言，生产约2kg液态金属铁需要约1kg碳，而对于1kg氢气（DRP+EAF工艺），估计约15kg固体金属铁。基于竖炉的DRI工艺中,氢还原反应的吸热性质意味着热平衡将与传统的基于天然气的配置大不相同，并且可能会带来操作挑战。此外，零碳直接还原铁（DRI）的生产将对电弧炉炼钢的下一阶段产生重大影响。本节中，对氢基低碳钢发展的技术驱动因素进行了研究。

碳是电弧炉炼钢过程中不可避免和必要的材料之一。向EAF中添加碳的主要目的是在熔化过程中减少对环境的影响，并防止熔体中金属的氧化。由于熔炉环境中存在大量的氧气和氧化物材料，为了防止电流元素的氧化以及炉渣中FeO等氧化物的重整，并减少材料损失，碳的存在是必需的。在熔炉环境中存在碳的另一个目的是其与氧气的反应以及一氧化碳和炉渣发泡的产生，其形成显著提高了熔炉的性能。另一方面，通过进行碳氧化反应，产生热量，可以有效地降低电能消耗。钢的强度来源于钢中少量的碳杂质，否则纯铁韧性太强，强度太低。

炼钢炉中的碳加入方式有三种：炉顶重力加入、喷射系统加入以及入炉材料的注入。研究表明，向熔炉中添加注入碳的效率明显高于重力法。由于炉料中的碳与注入碳和重力碳具有不同的作用机制，而且由于这种碳比熔炉环境中的其他碳反应更快，其效率将在95%左右。

未来铁矿石纯度的降低将增加电弧炉工艺的能源需求，因为与目前在高炉中处理的铁矿石类似，必须在直接还原铁设施中使用较低纯度的铁矿石。矿中氧化铁不会全部还原为纯铁。不完全的金属化和CDRI的损失增加了FeO渣中脉石含量，并且除非向EAF工艺中添加大量的碳，否则产率将降低。因此，开发足够的可再生能源用于电弧炉钢铁生产是寻找具有成本效益的“绿色”氢气生产路线的重要问题。因此，采用“绿色”炼钢应该是全球性的，以确保公平的成本分担和技术开发，以及世界上公平的钢铁定价。

每吨海绵铁生产约需800m³氢气，其中250m³主要用作燃气加热器的燃料。冷凝器中氢气的能量回收取决于还原炉中氢气的含量。研究表明，生产海绵铁所需的氢气供应量超过六倍会削弱冷凝器氢气出口的热回收。这意味着必须有额外的能源来加热氢气。混合路线（氢气和天然气的混合物）的结果表明，在DR步骤中可以使用较低量的氢气，因为产物不是海绵铁，而是在相对较低的温度下处理的半还原氧化物。换言之，DRI仅在赤铁矿内还原为磁赤铁矿，并从进入磁赤铁矿还原范围开始。这在热力学上需要更高的氢气化学势Fe0 +H₂ →Fe +H₂0来进行动力学反应。这意味着可以缩短原料在竖炉还原炉中的停留时间，但也表明可以为此目的设计更小的反应器。当在混合途径的第二阶段，即氢等离子体还原（HPR）中处理半还原材料时，氢气的有效利用也是至关重要的，因为废气不仅由未消耗的氢气和产物水组成，而且还含有广泛的元素，由于高气压而从矿石中蒸发。因此，如果在HPR步骤期间对氢气进行了次优使用，则在重新进入该过程之前将需要更多的操作来纯化氢气。研究结果表明，可以采取适合绿色钢铁的组合策略。基于所应用的最佳功能的集成，DR和HPR，在工业规模上对现有材料的变化最小，并强调能源和氢气的有效利用，都将是绿色炼钢的关键瓶颈。

在Midrex天然气厂中不需要对CO₂进行去除，因为CO₂已被回收回转化炉并转化为CO。然而，从成本效益和CO₂需求的角度以及蓝钢生产的需求使得蓝钢生产具有一定的动力。此外，Midrex工艺利用CCS为该工艺所需的煤气化装置设计了CO₂去除系统。从当前的技术角度来看，在没有CCS工艺的情况下几乎完全减少CO₂的最可行的选择是生产氢基原钢，其中使用氢气代替焦炉煤气（COG）进行铁素体还原，并提高生产工艺的效率。要将还原铁直接加工成粗钢，需要向EAF中的钢液添加少量碳。一般来说，有两种方法可以在Midrex装置中捕获CO₂。如果已经从重整器中用于加热的顶部气体燃料中去除CO₂，则CO₂排放量可以减少0.25-0.35t/t DRI。此外，在热回收之后，可以从重整器烟道气中去除CO₂。该方法CO₂排放量最多可减少0.5t/tDRI。每种选择都将去除大约一半的CO₂排放，这使得实现零碳排放成为可能。