《Energies》：Carbon Reduction in Steel Enterprises Under Carbon–Energy-Material Market Coupling: A System Dynamics Approach
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在全球经济增长背景下，CO2排放随工业扩张而上升，亟需有效的全球变暖治理。为应对全球气候变化，联合国气候变化大会的196个缔约方在巴黎确立了《联合国气候变化框架公约》。尽管如此，全球社会与《巴黎协定》所设定的目标仍存在偏差，需采取进一步减缓措施，以在2050年
在全球经济增长背景下，CO2排放随工业扩张而上升，亟需有效的全球变暖治理。为应对全球气候变化，联合国气候变化大会的196个缔约方在巴黎确立了《联合国气候变化框架公约》。尽管如此，全球社会与《巴黎协定》所设定的目标仍存在偏差，需采取进一步减缓措施，以在2050年前实现净零排放[1]。碳排放交易市场（ETS）是一种能够显著降低CO2排放的机制[2,3,4]。作为全球最大的CO2排放国和最大的钢铁生产国[5]，中国为响应国际社会应对气候变化的倡议，于2011年建立了区域试点碳交易市场以规制和核验排放[6]，并于2021年建立了统一的全国碳排放权交易市场，主要聚焦电力部门的碳排放权市场化运作。2025年3月，经国务院批准，中国生态环境部发布了《全国碳排放权交易市场覆盖钢铁、水泥、铝冶炼行业工作方案》，正式将全国ETS扩展至这三个行业[7]。在分阶段实施框架下，2024年被设定为首个管控排放年度，首个履约截止日期为2025年底。配额分配机制亦遵循渐进过渡原则，2024年配额与核验排放量相匹配，2025年和2026年配额则基于排放强度进行分配。
在新纳入的行业中，钢铁行业作为全球典型的高耗能行业，约占全球工业总排放量的25%[8]，是全球工业部门中碳排放最高的行业[9]。在所有国家中，中国钢铁行业以高能源强度和重污染物排放为特征，主导全球能源使用，贡献全国总能源供应的15%，其碳排放占全球钢铁行业碳排放的50%以上[10]。这一结构性特征表明，钢铁行业的低碳转型对于实现中国“双碳”目标（即2030年前实现CO2排放达峰、2060年前实现碳中和）至关重要[5]。此外，中国钢铁行业的脱碳对全球气候治理具有战略意义[11]。因此，将钢铁行业纳入全国碳市场，有望为其低碳转型提供额外的市场化激励。
为实现全球碳排放管理，需要研究中国钢铁行业的减排路径。然而，在中国碳市场参与主体扩展的背景下，关于钢铁行业在碳市场中交易机制的研究较为匮乏，大多数学者聚焦于电力部门等行业的碳交易市场研究[12,13,14,15,16]。鉴于上述现实需求和理论空白，本研究认为迫切需要开发一个能够充分描述钢铁行业碳市场交易的模型，以探索钢铁行业在多市场耦合下的减排路径，识别碳市场扩展引发的机制兼容性冲突，并寻求解决方案。
一、研究背景与问题
在全球经济增长背景下，CO2排放随工业扩张持续攀升，全球气候治理面临严峻挑战。尽管《巴黎协定》确立了全球温控目标，但国际社会与协定目标仍存在显著偏差，亟需进一步减缓措施以实现2050年净零排放。碳交易市场（ETS）被证实是有效降低CO2排放的重要机制。作为全球最大CO2排放国和最大钢铁生产国，中国于2011年建立区域试点碳市场，2021年建立以电力部门为主的全国碳排放权交易市场，并于2025年3月经国务院批准将钢铁、水泥、铝冶炼行业正式纳入全国ETS。钢铁行业作为典型高耗能行业，约占全球工业总排放量的25%，中国钢铁行业碳排放占全球钢铁行业碳排放的50%以上，其低碳转型对实现中国“双碳”目标及全球气候治理具有战略意义。
然而，现有研究存在明显不足：多数文献聚焦于电力部门碳市场运行，对钢铁行业纳入碳市场的交易机制研究匮乏；已有钢铁行业减排研究多采取生命周期碳足迹、钢铁消费、技术创新等单一视角，缺乏协同视角，易陷入碳市场“水床效应”（即ETS内配额需求下降导致其他部门排放上升的抵消效应）；关于“技术—市场”协同下联合碳减排效应的研究尚不充分，多主体互动产生的动态反馈难以捕捉。因此，亟需构建能够充分描述钢铁行业碳市场交易、探索多市场耦合下减排路径并识别机制兼容性冲突的系统模型。
二、研究内容与主要结论
研究人员采用系统动力学方法，创新性地构建了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，以2021年为基准年、时间步长为1个月，模拟2021—2030年共108个月的动态过程。模型将钢铁企业划分为买方企业和卖方企业，将钢铁生产划分为长流程（高炉-转炉）和短流程（电弧炉）两种工艺，分别核算铁矿石、焦炭、石灰石、废钢和电力等原料能源的消耗量及对应碳排放，并纳入碳配额交易、技术创新和政策调控等机制。研究人员基于中国统计年鉴、世界钢铁协会（Worldsteel）数据、国家温室气体排放因子数据库等来源获取参数，采用灰色预测模型填补缺失数据，并通过单位一致性检验、极端条件测试、行为敏感性分析及1000次蒙特卡洛模拟验证模型有效性，模拟碳排放与参考值的平均绝对百分比误差（MAPE）为8.26%，验证了模型的结构合理性和动态行为可靠性。
研究得出以下主要结论：第一，碳市场机制对碳价格具有显著杠杆效应，若缺乏外部调控，碳市场运行一段时间后将出现紊乱，具体表现为碳价格波动，政策干预如动态调整碳配额和价格稳定机制可有效缓解市场崩溃风险。第二，短流程炼钢占比的提升依赖政策引导和技术创新的双重驱动，在政策激励情景和高碳减排技术情景下，短流程占比分别于约58个月和约75个月突破20%的目标值。第三，企业碳减排能力的差异将加剧行业结构性调整，减排能力强的卖方企业通过出售富余碳配额扩大利润空间，推动优质产能增长，而减排能力弱的买方企业被迫减产，在马太效应下实现高质量产能对低质量产能的替代。第四，需求侧减排是实现“双碳”目标最有效的路径，在钢铁需求收缩情景下，生产规模缩减带来的减排效应最为显著，是唯一在模拟期内实现排放达峰的情景。
三、关键技术方法
研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是系统动力学建模方法，构建包含五个子系统的耦合模型，通过存量-流量图描述碳配额持有量、钢铁产量、碳价格等变量的动态反馈关系；二是灰色预测模型（GM(1,1)），用于预测高等教育机构研发课题数等未来年份缺失数据，预测误差控制在3%以内；三是情景分析方法，设计政策激励、碳减排技术水平（低、中、高）、卖方盈利能力提升和钢铁需求收缩四类情景；四是模型验证方法，包括Vensim PLE软件的单位一致性检验、极端条件测试、行为敏感性分析以及1000次蒙特卡洛模拟，通过MAE、MSE、RMSE、MAPE等误差指标量化模拟偏差。
四、研究结果
（1）碳价格波动分析。在基准情景下，碳价格先平稳上升、后波动、最后急剧下降。约45个月后卖方市场碳配额存量逐渐耗尽，耦合系统开始内部要素再分配调控，45—82个月期间碳价格出现一定程度波动上行。约80个月时基准情景卖方市场出现异常升值，而买方市场保持相对稳定并呈下降趋势。在低碳减排技术情景下，碳价格在第40个月出现下降，约60个月后恢复至原有水平；中碳减排技术情景最早触及碳价格上限并维持高位；需求收缩情景碳价格持续上行并长期保持高位；高碳减排技术情景碳价格先降后升至阈值、模拟末期再次下降；盈利能力和政策激励情景碳价格在特定范围内波动且低于基准情景。
（2）钢铁产量分析。在长流程和短流程产量占比方面，所有情景均未能在48个月内（即2025年前）实现短流程占比超过20%的目标。政策激励情景在约58个月时短流程占比超过0.2，高技术水平情景在约75个月时快速达到0.3。低碳技术情景下短流程占比最终出现收缩，原因是碳市场交易量减少、盈利不足导致研发支持减弱。在总产量方面，除需求收缩情景外，其他情景总钢铁产量均未出现大幅下降，卖方产量上升幅度大于买方产量下降幅度，盈利能力提升情景下总产量增长最为显著；买方产量持续下降，尤其在中低碳技术情景下下降明显。
（3）CO2排放分析。除需求收缩情景外，累计碳排放增长总体呈线性趋势。模拟期末，除盈利能力提升情景外，其他情景累计CO2排放均低于基准情景。低碳技术情景在76个月前总产量最低，但88个月后成为仅次于盈利能力情景的第二高总产量情景，长期来看累计排放将超过基准情景。所有情景中仅需求收缩情景实现了模拟期内排放达峰，表明钢铁需求和生产规模的变化对总体排放轨迹具有决定性影响。
五、讨论与结论
研究人员指出，碳市场机制对碳价格具有显著杠杆效应，若缺乏外部调控，碳市场运行一段时间后将出现紊乱，政策干预如动态调整碳配额和价格稳定机制可有效缓解市场崩溃风险。短流程炼钢占比提升依赖政策引导和技术创新的双重驱动。企业碳减排能力差异将加剧行业结构性调整，减排能力强的卖方企业通过出售富余碳配额扩大利润空间，推动优质产能增长，而减排能力弱的买方企业被迫减产，在马太效应下实现高质量产能对低质量产能的替代。需求侧减排是实现“双碳”目标最有效的路径，抑制钢铁总需求和生产规模能产生最显著的减排效果。
在政府政策建议方面，研究人员提出政府的技术研发与产业转型需要协同推进，政策激励和支持对碳减排效益的产生具有显著正向作用，政府可考虑从碳市场交易收益中提取部分资金设立专项基金，补贴技术落后、高碳排放的钢铁企业，鼓励其淘汰落后炼钢技术并推广低碳工艺；政府监管约束与市场引导需要并重，应加强产能调控，严格控制新增钢铁产能、逐步淘汰落后产能，同时在公共基础设施采购中优先采购低碳钢材，通过需求侧激励促进供给侧结构转型。在企业行动路径方面，钢铁企业需要实现低碳技术突破和优化生产工艺，优先推进电炉和氢基炼钢工艺创新，逐步替代传统高炉-转炉生产结构，在原料和能源方面布局废钢杂质分离、生物质替代焦炭等低碳炼钢技术；钢铁企业需要实现供应链协同，可设立自身废钢回收部门，与废钢回收企业和绿色电力供应商签订长期协议，龙头企业应发挥社会责任，建立低碳创新联盟，与高校实现产学研联动。
本研究仍存在局限性：由于统计年鉴公布数据所限，最新数据仅追溯至2022年；部分碳市场相关要素如CCER（中国核证自愿减排量）、绿证、绿电和碳税未纳入研究，模型有所简化。未来研究可基于钢铁碳市场实际运行情况，在模型初始构建时纳入相关参数，研究更为宏观的碳市场运行机制。
