2030–2050年间中国钢铁产业脱碳的明确空间路径

《Resources, Conservation and Recycling》：Spatially explicit transition pathways for decarbonizing China’s steel industry during 2030–2050

中国钢铁行业碳中和路径依赖区域资源分布与技术组合，通过空间分析法整合生物质/氢能供应、钢厂位置及二氧化碳封存设施，构建技术经济模型，证明BECCS、氢能炼钢和再生钢电弧炉混合方案实现2050碳中和对全国最经济有效，负排放可跨省补偿其他区域成本。

　　中国钢铁行业面临实现碳中和的挑战，特别是在2060年之前，理想情况下是在2050年达成这一目标。当前的脱碳路线图在很大程度上忽视了资源地理分布对低碳技术的影响，例如基于废钢、氢气和生物质结合二氧化碳捕集与封存（BECCS）等技术。本文通过一种空间显式的分析方法，结合省域可用的生物质和氢气资源、钢铁厂位置以及二氧化碳封存地点，并引入技术经济选择模型，探索了中国钢铁行业从2030年到2050年的碳中和路径。研究结果表明，该模型能够识别出实现全国碳中和的最经济有效的解决方案，通过多种低碳技术的平衡组合，其中BECCS起到了关键作用。不同省份对氢气和生物炭的可用性及价格水平决定了技术组合的选择，某一省份实现的负温室气体排放可以抵消其他省份昂贵的减排措施。因此，为了实现国家层面的碳中和目标，需要根据区域资源的可用性制定省份特定的低碳钢铁厂优先发展策略，以应对资源方面的挑战。

钢铁行业作为全球碳排放最密集的产业之一，对能源消耗和直接温室气体（GHG）排放的贡献率分别达到了8%和7%（IEA, 2021a; International Energy Agency, 2021）。中国占全球粗钢产量的一半以上（World Steel Association, 2024），其钢铁生产占全国能源消耗和GHG排放的15%（S. Zhang et al., 2022）。为实现《巴黎协定》中将全球变暖控制在1.5°C以内的承诺，中国宣布了到2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的国家目标（IEA, 2021b）。目前，中国的钢铁生产主要依赖于两种工艺路线：高炉-转炉（BF-BOF）路线和基于废钢的电弧炉（scrap-EAF）路线。高炉-转炉路线非常耗能，生产初级钢的平均温室气体排放量为每吨热轧卷（HRC）2.2吨二氧化碳当量（CO?eq）（IEA, 2020a）。相比之下，基于废钢的电弧炉路线虽然能耗较低，但需要更多的废钢原料，并且生产的回收钢平均温室气体排放量为每吨HRC 0.6吨CO?eq（IEA, 2020a; Ji et al., 2021）。目前的脱碳措施主要集中于提高高炉-转炉路线的能源效率和增加回收钢的产量（He and Wang, 2017; Li and Zhu, 2014; Tan et al., 2019; Vercammen et al., 2017; Wen et al., 2014, 2019）。然而，文献表明，能源效率措施只能减少温室气体排放的28%（He and Wang, 2017; Li and Zhu, 2014），而回收钢生产则受到废钢供应量和生产钢质量较低的限制（Vercammen et al., 2017; World Steel Association, 2021）。高炉转炉工艺中废钢的最大负荷为30%，而独立运行的电弧炉工艺（不同于直接还原铁-电弧炉工艺）通常使用100%的废钢（Gan et al., 2017; Kildahl et al., 2023）。

实现钢铁行业深度脱碳的关键步骤包括部署创新技术、应用二氧化碳捕集与封存（CCS）以及提高可再生能源的使用比例（Griffin and Hammond, 2019; Yang et al., 2021b）。Hisarna-BOF（冶炼还原）和直接还原铁（DRI）-电弧炉是比高炉-转炉更节能的替代方案，分别比高炉-转炉减少约20%和40%的温室气体排放（Abdul Quader et al., 2016; Hasanbeigi et al., 2014; Midrex Technologies Inc., 2018; Yang et al., 2021a）。当结合CCS技术时，Hisarna-BOF的温室气体减排效果达到80%，优于高炉-转炉-CCS（37%）和直接还原铁-电弧炉-CCS（43%）的减排效果（Abdul Quader et al., 2016; Ariyama et al., 2019; Yang et al., 2021a）。使用可再生能源，如Hisarna-BOF中的木炭或DRI-电弧炉中的氢气，可以分别减少温室气体排放57%和52%。BECCS技术具有零或甚至负的温室气体排放潜力（?0.09至?0.64吨GHG/吨HRC）（Tanzer et al., 2020; Yang et al., 2021a），并且Hisarna-BOF-BECCS的减排成本低于高炉-转炉-BECCS和直接还原铁-电弧炉-BECCS（Yang et al., 2021a）。减排成本指的是将生命周期温室气体排放从基准情况减少到研究情况所需的成本（Yang et al., 2021a）。另一种可能的路径是将可再生氢气注入DRI-电弧炉工艺中，这可以减少约98%的温室气体排放（Fischedick et al., 2014; Vogl et al., 2018）。钢铁生产的可持续性很大程度上取决于能源来源的可持续性，例如电力（Vogl et al., 2021; Wang et al., 2022）和氢气（Midrex Technologies Inc., 2018; Yang et al., 2021a）。如果实现具有成本效益的可再生电力和氢气储存，基于氢气的DRI-电弧炉工艺可能成为一种吸引人的选择（Fischedick et al., 2014）。因此，尽管这些低碳技术在中国尚未得到充分研究，但BECCS或来自可再生能源的氢气对于钢铁行业实现碳中和至关重要。

在中国，已有几位研究人员对钢铁行业的脱碳措施进行了探讨。然而，大多数研究集中于提高高炉-转炉路线的能源效率，其温室气体减排潜力约为28%-30%（Tan et al., 2019; Wen et al., 2019, 2014）。Xu等人（2023）指出，低成本的减排措施归因于关闭所有低效的钢铁厂并增加废钢电弧炉的部署。Li等人（Li and Hanaoka, 2020）开发了一个排放缩小模型，用于估算未来工厂的容量分布。他们发现，通过关闭过时的高炉-转炉钢铁厂并建设新的废钢电弧炉工厂，中国钢铁行业的温室气体排放可以显著减少（Li and Hanaoka, 2020）。到2050年，几乎30%的关闭产能将出现在温室气体排放最多的京津冀地区（Li and Hanaoka, 2020）。根据Lei等人（2023）的研究，在没有干预的情况下，现有钢铁厂在2020年至2050年间累积的二氧化碳排放量估计将超过50十亿吨。早期的改造措施可以减少约30十亿吨的累积二氧化碳排放。然而，上述研究并未实现碳中和目标。Wang等人（2022, 2021）提到，通过实施包括电解-/生物质-/氢气基选项、结合CCS的直接还原铁/冶炼还原、废钢电弧炉、高炉改进和低碳轧制技术的组合，全球钢铁行业，包括中国的钢铁行业，可能在2047年实现碳中和。Shen等人（2021）、Ren等人（2021）以及S.Zhang等人（2022）分别评估了中国钢铁行业在2050年、2060年和2100年的深度脱碳路线图，基于不同的低碳钢铁价值链情景。通过在钢铁生产中使用CCS或氢气，到2050年可以实现约70%-80%的温室气体减排。Ren等人（2021）估计，在2020年至2050年间，温室气体减排成本可能达到每吨二氧化碳0.9美元，实现80%的减排。根据Shen等人（2021）的研究，如果碳价从每吨二氧化碳7美元提升至29美元，温室气体减排成本可以从每吨二氧化碳30美元降至每吨二氧化碳?20美元，同时实现2020年至2050年间83%的温室气体减排。然而，这些研究并未探讨不同资源在地理分布上的影响，以及如何影响省域层面的碳中和路径。此外，这些研究也未进行钢铁厂的区域分析。

因此，本研究的主要目标是探讨不同资源的地理分布对选择低碳技术及中国钢铁行业脱碳路径的影响。研究分析了2030年至2050年间，考虑政府的温室气体排放目标、氢气和生物质的物流以及CCS供应链的省域层面低碳钢铁生产路径。本研究采用了一种空间显式的分析方法，结合了质量-能量流、温室气体排放以及中国钢铁行业的技术经济选择模型。我们选择的低碳钢铁生产技术包括Hisarna-BOF-BECCS、氢气-直接还原铁-电弧炉（H?-DRI-EAF）和废钢电弧炉（scrap-EAF），这些技术的选择基于我们之前的研究（Yang et al., 2021a）。本研究还考虑了将钢铁厂的二氧化碳排放源与二氧化碳封存地点匹配，并结合二氧化碳运输系统。研究结果表明，实现全国范围内的最低成本碳中和依赖于所有研究的低碳技术的组合，特别是具有负排放潜力的BECCS技术。钢铁厂的低碳技术选择受到氢气和生物炭地理分布的影响。在省域层面，由于生物质或氢气的稀缺，钢铁厂的位置与生物质和/或氢气的可用性之间的不匹配会对碳中和路径产生不利影响。拥有充足生物炭的省份可以应用具有负排放潜力的BECCS技术。某一省份实现的负温室气体排放可以抵消其他省份所需的更昂贵的减排策略。

本研究的方法论结合了基于过程的分析与成本优化模型。研究框架如图1所示，涵盖了2030年至2050年中国低碳钢铁行业的空间显式转型路径分析。该方法首先从选择低碳钢铁技术和估算各工厂的潜在钢铁产量开始。随后，分析了基于自下而上的过程模型中每个工厂的质量-能量流和温室气体排放情况。本研究还考虑了二氧化碳来源与封存地点的匹配，并结合了二氧化碳运输系统。研究结果表明，全国范围内的最低成本碳中和可以通过研究的低碳技术的平衡组合实现，特别是具有负排放潜力的BECCS技术。这些技术的组合能够实现每吨二氧化碳当量?12美元的负减排成本。在2030年至2050年间，钢铁行业的总产量、温室气体排放和能源消耗情况如图3所示。在2030年，两种情景的结果相同。钢铁产量从2025年的1065百万吨下降到2050年的894百万吨（Zero_C60）和880百万吨（Zero_C50）（图3a）。低碳钢铁产量从2025年的11%增加到2050年的77%（Zero_C60）和95%（Zero_C50）的总产量。废钢的使用几乎达到100%的利用率，废钢电弧炉是每种情景中最吸引人的低碳选择。废钢的使用情况显示了其在实现低碳生产中的重要性。研究进一步指出，为了实现全国范围内的碳中和目标，需要根据各省份的资源分布和可用性，选择最适合的低碳技术组合。这种组合不仅能够有效降低温室气体排放，还能在经济上具有可行性。研究还强调了在省域层面，需要考虑到不同资源的可用性差异，以及这些差异如何影响低碳技术的选择和应用。例如，某些省份由于生物质或氢气的稀缺，可能会面临更高的减排成本，而其他省份则可能拥有更多的资源，从而能够实施更有效的减排措施。这种区域差异需要在制定全国脱碳战略时得到充分考虑，以确保不同地区的协调发展。此外，研究还指出，通过合理规划和优化资源配置，可以实现全国范围内的碳中和目标，同时减少区域间的不平衡和资源竞争。这种综合性的分析方法为未来中国钢铁行业的低碳转型提供了重要的参考依据。