全球鋼鐵廠二氧化碳排放和碳中和途徑

鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量約占全球工業(yè)排放總量的25%，是工業(yè)部門中碳排放最高的行業(yè)。鋼鐵行業(yè)因其能源供應、生產(chǎn)工藝、減排技術和社會經(jīng)濟需求的復雜多樣性，不存在簡單、統(tǒng)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(yè)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(yè)設施級別的碳排放數(shù)據(jù)庫，從設施層面研究了全球鋼鐵行業(yè)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(yè)碳中和路徑。相關成果以“Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways”為題發(fā)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(yè)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(yè)碳排放數(shù)據(jù)庫，將全球鋼鐵行業(yè)排放表征能力從區(qū)域和行業(yè)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(chǎn)量。具體而言，根據(jù)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(shù)、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(jù)各工廠粗鋼產(chǎn)能占全國粗鋼產(chǎn)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(chǎn)量。

 

本文探索影響鋼鐵廠減排潛力的關鍵因素，從生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，目前鋼鐵產(chǎn)能大部分來自高爐-轉爐（BF-BOF）長流程生產(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(qū)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(qū)鋼鐵廠的改造窗口期因其廠齡和生產(chǎn)工藝而異，研究通過優(yōu)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(yè)大規(guī)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(xiàn)《巴黎協(xié)定》下的1.5°C溫控目標構成潛在威脅。新興地區(qū)和煤基高爐-轉爐（BF-BOF）生產(chǎn)工藝將成為鋼鐵行業(yè)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(qū)如中國和印度將對全球鋼鐵行業(yè)碳減排貢獻巨大，總減排量的84%將來自這些地區(qū)。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(chǎn)工藝，占全球減排總量的74%。

 

本文綜合考慮鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝、運行年齡和地區(qū)經(jīng)濟技術發(fā)展狀況，首次探索了全球鋼鐵行業(yè)工廠級低碳發(fā)展路徑。研究成果為評估各種低碳策略對鋼鐵行業(yè)的減排潛力提供堅實的數(shù)據(jù)基礎，同時也強調“一刀切”的方法不足以實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)深度脫碳，表明“因地制宜”的靶向性治理對全球鋼鐵行業(yè)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.