鋼鐵行業二氧化碳排放量約占全球工業排放總量的25%，是工業部門中碳排放最高的行業。鋼鐵行業因其能源供應、生產工藝、減排技術和社會經濟需求的復雜多樣性，不存在簡單、統一、普適的減排模式。盡管文獻已在國家和全球層面對鋼鐵行業的脫碳潛力進行討論，但尚未充分考慮全球鋼鐵廠在運營特點和排放特征上的異質性。因此，CEADs團隊關大博教授課題組構建了全球鋼鐵行業設施級別的碳排放數據庫，從設施層面研究了全球鋼鐵行業碳排放模式，提出了工廠級層面、高度差異化的全球鋼鐵行業碳中和路徑。相關成果以“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”為題發表于Nature期刊。

 

研究首先搜集整理了包含主要工序的全球鋼鐵行業設施級別基礎信息，構建了全球鋼鐵廠的二氧化碳排放清單，建立了包含一萬多個設施的全球鋼鐵行業碳排放數據庫，將全球鋼鐵行業排放表征能力從區域和行業尺度提升到單個設施和工序尺度。其次，結合情景假設和CGE模型預測未來鋼鐵產量。具體而言，根據不同鋼鐵工廠的改造路線、最近一次改造年份、平均運營壽命、潛在低碳技術、低碳技術采用的時間窗口、改造的次數、采用低碳技術的國家的順序、實際改造年份共8個變量制定了共360個不同情景；根據各工廠粗鋼產能占全國粗鋼產能的比重自上而下建模構建了CGE模型，預測了2020-2050年全球工廠級別的粗鋼產量。

 

本文探索影響鋼鐵廠減排潛力的關鍵因素，從生產工藝、年齡結構和脫碳技術幾個維度分析全球鋼鐵廠的排放模式。研究發現，目前鋼鐵產能大部分來自高爐-轉爐（BF-BOF）長流程生產工藝，應用此技術的鋼鐵廠主要來自中國、日本和印度，分別占全球粗鋼產量的49.4%、3.9%和2.8%。鋼鐵廠的能源效率隨著廠齡上升而下降。全球43.2%的鋼鐵廠通過升級裝置和整合新技術進行了改造，以延長其服役壽命。新興地區如中國和印度的鋼鐵廠平均廠齡相對較新，分別為15.2和18.2年；而先進地區如歐盟、日韓及北美鋼鐵廠的平均廠齡較老，分別為26.5、27.4和22.6年。不同地區鋼鐵廠的改造窗口期因其廠齡和生產工藝而異，研究通過優化每個工廠改造的時間和方式，分析了三種不同情景下（即默認改造情景、提前5年改造情景和延遲5年改造情景）2020-2050年工廠層面的短期和長期減碳途徑。總體而言，提前改造工廠可以促進鋼鐵行業大規模減排。在默認改造低碳情景下，2020年至2050年全球累計減碳58.7 Gt。然而，通過提前 5 年改造工廠減排量可達 16%（69.6Gt）延遲5年改造工廠將導致全球減排量減少16%（49.1Gt），從而對實現《巴黎協定》下的1.5°C溫控目標構成潛在威脅。新興地區和煤基高爐-轉爐（BF-BOF）生產工藝將成為鋼鐵行業碳減排的重點。隨著廢鋼利用率增加和深度脫碳技術的進步，新興地區如中國和印度將對全球鋼鐵行業碳減排貢獻巨大，總減排量的84%將來自這些地區。2020至2050年全球減排量貢獻最大的是煤基高爐-轉爐（BF-BOF）生產工藝，占全球減排總量的74%。

 

本文綜合考慮鋼鐵行業生產工藝、運行年齡和地區經濟技術發展狀況，首次探索了全球鋼鐵行業工廠級低碳發展路徑。研究成果為評估各種低碳策略對鋼鐵行業的減排潛力提供堅實的數據基礎，同時也強調“一刀切”的方法不足以實現鋼鐵行業深度脫碳，表明“因地制宜”的靶向性治理對全球鋼鐵行業低碳轉型具有重要意義。

 

原文信息：Lei, T., Wang, D., Yu, X., Ma, S., Zhao, W., Cui, C., Meng, J., Tao, S. and Guan, D., 2023. Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon-neutrality pathways. Nature, pp.1-7.