全国碳市场扩围下中国钢铁行业碳减排路径与效益——基于五方耦合系统动力学模型的2021—2030年模拟

《Energies》：Gas-Content Prediction in Deep Coal Rock Using a KGA-XGB Model: A Case Study in the Central Ordos Basin, China

　　

在钢铁行业碳排放日益受到关注的背景下，作为全球最大钢铁生产国，中国于2025年3月正式将钢铁行业纳入全国碳排放交易体系（ETS）。本研究利用实际数据和预测数据核算中国钢铁行业2021—2030年碳排放，并探讨碳市场下的碳减排效益。本研究采用系统动力学方法创新性构建五方耦合模型，从而克服单一视角分析的局限并缓解减排中的水床效应（waterbed effect）。模拟结果表明：（1）碳市场机制对碳价产生显著杠杆效应，是驱动工业低碳转型的核心信号；（2）企业间碳减排能力差异将加剧结构调整，短流程炼钢比例提升依赖政策引导与技术创新双重驱动；（3）需求侧减排是实现“双碳”目标的最有效路径，因其直接抑制过剩生产并契合可持续消费模式。本研究为中国钢铁行业提供碳市场下的碳减排选项，有助于中国政府制定碳减排战略，并为全球碳管理提供启示。

研究背景与问题：在全球经济增长与工业扩张背景下，二氧化碳（CO₂）排放上升，全球气候治理仍需进一步减排措施以争取2050年前实现净零排放。碳交易市场被视为可显著降低CO₂排放的机制。中国作为全球最大CO₂排放国和最大钢铁生产国，2011年建立区域碳交易试点，2021年建立全国碳排放交易市场，初期主要覆盖电力部门；2025年3月，经国务院批准，生态环境部发布将钢铁、水泥、铝冶炼行业纳入全国碳排放交易市场的工作方案，正式扩围。钢铁行业是高耗能、高排放行业，中国钢铁行业碳排放占全球钢铁行业碳排放50%以上，其低碳转型对中国“双碳”目标及全球气候治理具有战略意义。既有研究多聚焦电力行业碳市场，钢铁行业碳市场交易机制研究不足；钢铁行业减排研究多从生产端优化或市场机制单一视角展开，涉及全生命周期碳足迹、钢铁消费、技术创新等，缺乏协同视角，难以刻画碳市场机制、技术创新、生产结构与市场需求之间的动态反馈，且可能落入水床效应（waterbed effect）。因此，研究人员需要构建能够描述钢铁行业碳市场交易及多市场耦合的模型，识别碳市场扩围中的机制兼容冲突并寻求解决方案。研究人员采用系统动力学方法构建五方耦合模型，模拟中国钢铁行业在碳市场下的碳减排路径与效益。研究结论表明，碳市场机制对碳价具有显著杠杆效应；短流程炼钢比例提升依赖政策与技术创新的双重驱动；企业减排能力差异会加剧产业结构调整；需求侧减排是实现“双碳”目标的最有效路径。该研究为中国钢铁行业提供碳市场下的减排选项，为政府碳减排战略制定提供支持，并为全球碳管理提供参考。
技术方法概括：研究人员采用系统动力学（system dynamics）方法，构建包含碳市场运行子系统（CMOS）、碳减排创新子系统（CRIS）、政策驱动子系统（PDS）、能源—材料供应子系统（EMSS）和自然环境子系统（NES）的五方耦合模型；将钢铁企业分为买方与卖方，将钢铁生产分为长流程与短流程；按铁矿石、焦炭、石灰石、废钢和电力五类投入及相应排放因子核算CO₂排放；数据来源于中国统计年鉴、中国科技统计年鉴、Worldsteel、中国钢铁工业协会、国家温室气体排放因子数据库及GB/T 32151.5-2026等；以2021年为基年，时间步长1个月，模拟2021—2030年共108个月；采用灰色预测补齐缺失值，使用Vensim PLE (version 10.3)开展单位一致性、模型结构与方程检查、极端条件测试、行为敏感性分析和1000次Monte Carlo模拟，并以平均绝对百分比误差（MAPE）等指标进行验证。
研究结果：
4.1 碳价波动。通过系统动力学情景模拟发现，基准情景下碳价先稳步上升、后波动、最终急降；约45个月后卖方剩余配额逐步消耗，45—82个月出现波动上升，约80个月卖方市场异常升值而买方市场相对稳定并下降。低技术情景下碳价在第40个月下降，约60个月恢复至原水平；中等碳减排技术情景最早达到碳价阈值并维持高位；需求收缩情景碳价也上升并长期处于阈值；高技术情景碳价先降、后升至阈值、末期再降；盈利提升和政策激励情景碳价在基准陡降前低于基准，碳配额交易量总体较低、市场略低迷。
4.2 钢铁产量。通过长、短流程产量模拟发现，若仅依靠科技创新，所有情景均未能在48个月（2025年）内实现短流程比例超过0.2；政策激励情景约58个月超过0.2，高技术情景约75个月达到0.3。基准情景短流程比例继续上升，但替代仍需约一年完成；需求收缩情景短流程比例相对较高；低技术情景短流程比例最终收缩。总产量方面，除需求收缩情景外，其他情景总产量未出现大幅下降，卖方增产大于买方减产，盈利提升情景总产量更高；卖方因碳配额盈余和碳交易收益持续扩产，买方产量持续下降，尤其在中、低技术情景下更明显。
4.3 二氧化碳排放。通过将总产量分解为长、短流程产量，并按原料排放因子折算排放增量，模拟累计CO₂排放发现，除需求收缩情景外，累计排放总体近似线性增长；除盈利提升情景外，多数情景末期累计排放低于基准；高技术情景早期减排减缓不明显，但后期将与政策激励情景交叉；低技术情景前76个月总产量最低，但76个月后超过基准，88个月时成为仅次于盈利情景的第二高总产量情景，长期将超过基准成为第二高累计CO₂排放情景。
讨论部分总结：讨论部分从政府政策与企业行动两方面提出建议。政府层面，需要促进技术研发与产业转型协同，对碳市场运行及其耦合系统实施必要干预；可考虑将部分碳市场交易收益设立专项基金，补贴技术落后、高碳排放的钢铁企业，推动淘汰落后炼钢技术并采用低碳工艺；同时将监管约束与市场引导结合，严控新增钢铁产能、逐步淘汰落后产能，在公共基础设施采购中优先采用低碳钢材，并根据市场与排放表现动态调整政策、定期评估。企业层面，应推进电炉、氢基炼钢等低碳技术突破，优化生产流程，布局废钢除杂、生物质替代焦炭等技术，提高废钢利用并降低铁矿石依赖；同时建立废钢回收部门，与废钢回收企业和绿色电力供应商签订长期协议，龙头企业建立低碳创新联盟，推动产学研联动。局限性方面，受统计年鉴数据限制，最新数据仅追溯至2022年；CCER、绿证、绿电和碳税等未纳入模型，模型有所简化；未来可基于钢铁碳市场实际运行纳入相关参数，研究更宏观的碳市场运行机制。
研究结论翻译：（1）碳市场机制对碳价具有显著杠杆效应。若无外部因素调节，碳市场运行一段时间后将出现失序，具体表现为碳价波动。动态调整碳配额和价格稳定机制等政策干预可有效缓解市场崩溃风险。需求收缩和中等碳减排技术情景下碳市场更活跃，而盈利和政策激励情景下碳市场增长后期略弱。（2）短流程炼钢比例提升由政策和技术创新双重驱动。除需求收缩情景外，所有情景总产量均增长。尽管所有情景均未实现2025年短流程炼钢比例达到20%以上的目标，但高技术情景和政策激励情景可随时间实现该目标。（3）企业碳减排能力差异将加剧产业结构变动。减排能力强的卖方钢铁企业可获得剩余碳配额并出售，扩大利润空间，促进优质产能增长；减排能力低、配额短缺的买方企业被迫减产并调整低质量产能。在马太效应（Matthew Effect）下，行业发生结构变化，低碳技术研发投资直接影响企业长期竞争力，推动优质产能替代低质量产能。（4）钢铁生产规模变化对总碳排放具有重要影响。技术创新和生产结构调整可缓解碳排放，但钢铁产量持续增长可能抵消这些减排效果。与基准情景相比，盈利提升情景累计碳排放更高，其他情景在模拟期末不同程度降低累计排放；然而，除需求收缩情景外，所有情景年碳排放继续上升，需求收缩是唯一在模拟期内实现排放峰值的情景，表明在钢铁需求下降假设下，抑制钢铁总需求及其生产规模具有最明显的减排效果。