文/宋瑞文(加州能源特約撰述)
為在2050年之前達成零碳目標，日本政府經濟產業省在2021年投入兩兆日圓預算，支持製鐵公司對氫還原煉鐵技術的研發。對於碳排大宗的鋼鐵業而言，相關技術是減碳的明日之星，其中太陽能至為關鍵。
＊鋼鐵業在日本產業部門碳排的比例達四成之多。（來源：經產省）
據經產省網站資料，鋼鐵業是日本產業部門裡碳排比例最大的產業，達4成之多（上圖），而長年來持續開發研究的「氫活用還原PROCESS技術」（COURSE50計劃裡的技術之一：CO2 Ultimate Reduction System for Cool Earth 50），有助於製鐵過程的低碳化。
在這裡，「還原」是什麼意思呢？讀者可以回想一些理化課學習到的知識來加以認識。物質遇到氧會氧化，而氧化的逆反應，也就是從氧化物裡取出氧，達成所謂的還原，在製鐵的過程裡發揮作用。
製鐵過程概要
製鐵過程大抵如下。首先，把煤炭放進隔絕空氣的密閉煉焦爐內高溫烘烤，其中各式各樣的化合物會變成氣體逸散，留下低雜質的高碳含量燃料「焦碳」。
其次，把焦炭、鐵礦石、石灰放入高達三十層樓高的巨大「高爐」，煉成製鋼的原料「生鐵」。再經過各式各樣的製程，成為塊狀的「鋼片」以及最後的鋼材。這中間高爐裡發生的化學反應，和碳排密切相關。
＊高爐裡的還原反應。（來源：經產省）
在高爐裡，以元素符號表示物質的話，焦炭為C，鐵礦石為Fe2O3。焦炭容易燃燒，產生非常高的高溫（與碳排），然後鐵礦石因高溫而熔化，鐵礦石裡的O（氧）和焦炭的C（碳）結合為CO2（碳排），達成從鐵礦石裡取出氧的效果，亦即所謂的還原（上圖）。
氫在製鐵裡的作用
至於用氫來還原的技術，又是怎麼做到減碳的呢？在前述製造焦碳的過程裡，會產生甲烷（CH4），從中取出氫（H）再投入高爐裡，和鐵礦石（Fe2O3）裡的氧（O）結合成為水（H2O）。這可以取代一部分的焦炭，達成取出氧的還原作用。既然減少了焦碳的使用，而且副產品只是水，自然減少了碳排。
＊用氫取代一部份的焦炭產生的還原反應。（來源：經產省）
在製鐵過程全部的能源消費裡，包括前述高爐在內的「上游行程」佔了將近八成。因此對「上游行程」減碳有益的「高爐氫還原技術」，自然大有可為。
前述的「高爐氫還原技術」，所用的氫來自製鐵工廠內部，可以減少來自高爐的碳排10%。 如果大量使用來自外部的氫，減碳比例可再提升。
現在的問題在於，氫的製造大部分都來自化石燃料與火力發電，使用這樣的氫會失去減碳的意義。若要追求零碳，氫必須來自太陽能等再生能源。今年東京奧運聖火使用的氫燃料，便是來自位於福島的太陽能發電廠（福島氫能研究場域：Fukushima Hydrogen Energy Research Field；FH2R）。
人工光合作用製氫
福島氫能研究場域用太陽能製造氫的做法，是用太陽能板所發的電力，分解水（H2O）產生的。而粗鋼產量日本第一、世界第三的「日本製鐵」，正在開發一種「人工光合作用零碳製氫技術」，試圖直接利用太陽光與光觸媒製氫，效率會比前者好。
包括「人工光合作用製氫技術」在內，關於用氫製鐵的相關技術還有很多。今年經濟產業省投入兩兆日圓預算成立的「Green innovation基金」，和往年單一年度的補助不同，有可能給予十年份的長期補助。基金將透過委託研發或給予補助的方式，支持鋼鐵業的相關研發工作，達成日本2050年的零碳承諾。
＊延伸閱讀：模仿植物的人工光合作用 日本太陽能利用再升級
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