中国钢铁行业 CCS 技术部署的长期变革：深度脱碳的关键路径探索

钢铁行业是碳排放大户，为实现深度脱碳，研究人员开展中国钢铁行业碳捕获与封存（CCS）技术部署的长期变革研究。结果显示，到 2060 年 CCS 对钢铁行业碳减排作用显著，但会带来资源消耗问题。该研究为 CCS 实施提供策略，促进社会深度脱碳。

　　在应对气候变化的大背景下，全球都在努力实现深度脱碳。《巴黎协定》设定的 1.5°C 温控目标，以及越来越多国家和地区提出的碳中和愿景，都让钢铁行业这个碳排放 “大户” 成为了脱碳的关键领域。钢铁生产高度依赖化石燃料，仅靠改进生产系统，无法削减 40 - 50% 的碳排放。于是，碳捕获与封存（CCS）技术成为了钢铁行业脱碳的希望之星。它能将钢铁生产过程中产生的大量二氧化碳捕获并存储到地质层中，对中国钢铁行业意义非凡，毕竟中国钢铁产量占全球 56%，碳排放占全国 14 - 16%，CCS 对中国实现 2060 年碳中和目标至关重要。

然而，CCS 的部署并非一帆风顺。一方面，CCS 的实施需要考虑碳源与碳汇的空间匹配，以及碳排放和存储能力的平衡。另一方面，钢铁行业在大规模部署 CCS 之前会发生重大变革，产量预计逐渐下降，同时电气化、废钢回收和节能技术（EETs）等脱碳措施的推广会改变生产模式，这些变化会影响钢铁生产单元（主要碳源）的空间分布和碳排放，而以往的研究大多未考虑这些因素，导致其结果难以有效支持中国钢铁行业的脱碳。此外，CCS 技术的可行性还受经济成本和资源消耗的制约，其高昂的成本阻碍了大规模应用，大量的能源和水消耗也可能加剧资源短缺，尤其是在资源匮乏地区。

为了解决这些问题，来自香港大学土木工程系、清华大学环境学院循环经济产业研究中心等机构的研究人员开展了一项关于中国钢铁行业 CCS 技术部署长期变革的研究。研究成果发表在《Nature Communications》上，为中国钢铁行业 CCS 技术的推广提供了详细的长期规划和政策建议。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，建立了自下而上的行业层面脱碳模型，预测到 2060 年中国钢铁行业的整体转型路径，并量化 CCS 的碳减排潜力。其次，构建碳源模拟模型，确定钢铁生产单元在 2060 年的空间分布和碳排放情况，以及哪些单元会被淘汰、改造或维持现状。最后，开发 CCS 源 - 汇匹配模型，通过混合整数规划（MIP）方法确定 CCS 的最优部署方案，并评估其经济成本、能源消耗和水消耗等多方面性能。

下面来看具体的研究结果：

1. 中国钢铁行业的整体转型路径：研究设定了高、中、低三种钢铁产量情景，预测到 2060 年钢铁产量将下降。同时，研究发现传统的高炉 - 转炉（BF - BOF）+ 煤炭生产模式将被淘汰或改造，到 2060 年，以电弧炉（EAF）为中心的生产模式产出的钢铁预计将占国内钢铁产量的 60%，其中基于废钢的 EAF 模式占比最大。这些变化将显著降低钢铁行业的碳排放，预计到 2060 年，在三种情景下，碳排放量分别降至 194.9 Mt、174.4 Mt 和 151.1 Mt，仅为 2020 年水平（2055.6 Mt）的 7.4% - 9.5%。CCS 的碳减排潜力最大，分别为 609.5 Mt、536.6 Mt 和 472.4 Mt，占未实施减排措施时行业碳排放量的 31.4% - 40.5%。
2. 中国钢铁行业碳源的空间分布和排放：通过模拟，研究人员发现到 2060 年，超过 85% 的钢铁生产单元将被淘汰或改造。不同情景下，钢铁生产单元的碳排放总量不同，且超过 35% 的钢铁生产单元将实现净零排放，但少数碳排放量超过 1 Mt/a 的钢铁生产单元却占行业总排放量的 95% 以上，这些是 CCS 部署的优先考虑对象。从空间分布来看，河北、江苏、山东等省的钢铁生产单元碳排放量较高，部署 CCS 对这些地区实现深度脱碳至关重要。
3. 中国钢铁行业的最优 CCS 部署方案：将模拟的钢铁生产单元输入 CCS 源 - 汇匹配模型，确定了最优部署方案。在不同产量情景下，分别有 102、91 和 72 个钢铁生产单元被选中进行 CCS 改造，可实现的碳减排量略高于行业层面路径的预期。CCS 部署集中在主要钢铁生产地区，且大型钢铁生产单元优先进行 CCS 改造。
4. 方案的经济成本和资源消耗：经济成本方面，由于二氧化碳生成量、CCS 技术成本和油价的不确定性，成本在不同情景下有所波动，平均平准化成本为 187.4 - 193.5 CNY t^-1 CO₂ ，低于其他研究估计值。与未来碳价格比较发现，随着碳价格上升和 CCS 技术成本下降，部署 CCS 在经济上具有成本效益。能源和水消耗方面，CCS 部署方案将使钢铁行业能源消耗增加 21.7 - 22.4%，水消耗增加 30.9 - 33.3%，且河北等省面临较高的能源和水压力。

研究结论和讨论部分指出，该研究提出的方法为实现钢铁行业深度脱碳提供了可行方案，确定了选择进行 CCS 部署的钢铁生产单元的关键原则。但研究也存在局限性，如未考虑 CCS 部署的具体时间和顺序，以及其他环境和社会影响。针对这些问题，研究人员提出了促进 CCS 技术在钢铁行业部署的建议，包括推行经济激励措施、缓解能源和水压力等。此外，该研究方法还可推广到其他碳密集型行业，助力全国 CCS 技术的实施，为中国和其他国家的脱碳进程提供有力支持。