关联全球综合评估模型与混合投入产出模型以支持欧洲钢铁行业脱碳政策

《Environmental Science & Technology》：Linking Global Integrated Assessment and Hybrid Input–Output Models To Support Steel Decarbonization Policies in Europe

　　

制定欧洲钢铁行业脱碳战略，对于实现欧盟气候目标并保持竞争力至关重要。本研究开发了一个集成建模框架，将技术丰富的全球综合评估模型GCAM与多区域投入产出框架MARIO相链接，以追踪欧盟钢铁的生产、贸易及其直接与隐含温室气体（GHG）排放。研究人员考察了四种情景：一条与当前承诺一致的基准情景，以及三条近似代表2025–2050年欧盟主要政策组合的路径，重点是碳边境调节机制（CBAM）和绿色钢铁补贴方案。结果表明，CBAM可促进低排放钢铁技术采用，降低欧盟钢铁消费中的总隐含排放（2030年最高减少46%，2050年最高减少23%），并有助于在转型期稳定该行业。互补的绿色钢铁支持措施可加速低碳产能部署并增强长期竞争力。在各情景下，钢铁生产的排放强度下降（2050年最高下降80%），与欧盟钢铁需求相关的消费侧足迹也随之减少。GCAM–MARIO耦合为情景设计与经济-wide足迹核算之间提供了透明联系，阐释了边境措施与定向补贴如何相互作用。总体而言，将CBAM与对绿色钢铁技术的持续支持相结合，可在保持国际竞争力的同时，为欧洲钢铁行业脱碳提供有效路径。

论文解读：《Linking Global Integrated Assessment and Hybrid Input–Output Models To Support Steel Decarbonization Policies in Europe》

一、研究背景与问题提出

欧洲钢铁行业脱碳是欧盟长期气候雄心和工业竞争力的核心。钢铁生产目前约占欧盟温室气体（GHG）排放的5%，主要源于高排放的高炉-转炉（BF-BOF）路线。向低碳技术（如氢基直接还原（DR）和电弧炉（EAF）废钢回收）转型是战略重点。欧盟碳排放交易体系（ETS）收紧及免费配额取消推动了这一进程，但也引发了对碳泄漏和生产外迁的担忧。为平衡脱碳目标与产业竞争力，欧盟推出碳边境调节机制（CBAM），通过对进口钢铁的隐含碳征税来减少碳泄漏并鼓励低碳消费，同时行业也呼吁对本土低碳生产给予补贴。

现有研究多依赖宏观经济可计算一般均衡（CGE）或投入产出（IO）模型，缺乏技术细节；少数技术丰富的模型（如GCAM）又未充分结合消费侧全供应链的GHG足迹核算。研究人员认为，将技术 Explicit 的转型路径与供应链排放核算相联系，对政策制定至关重要。因此，本研究通过耦合GCAM与MARIO/Exiobase，量化CBAM及配套绿色补贴对欧盟钢铁生产、贸易及消费侧碳足迹的影响。

该论文发表于《Environmental Science & Technology》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用“软链接（soft link）”方式集成两类模型：

1. 1.
   GCAM模型：一个多部门全球综合评估模型，覆盖32个地缘区域，可内生求解成本最优的钢铁生产、消费、进出口及技术组合（含电力与钢铁供应结构），时间步长为2025–2050年（5年步长），历史数据校准至2015/2020年。
2. 2.
   MARIO框架与Exiobase数据库：一个基于环境扩展的多区域投入产出（MRIO）模型。研究人员将GCAM输出的区域钢铁与电力生产结构（mixes）更新至Exiobase（44国+5区域，200种产品），保持IO表结构不变，仅更新技术系数，从而计算技术特异且年份特异的钢铁碳足迹及消费嵌入排放。
3. 3.
   技术边界扩展：GCAM钢铁技术从9种扩充至22种（参考Zelt等、Bilici等、Agora Industry），涵盖BF-BOF、DRI-EAF、电解等路线及CCS/BECCS变体；Exiobase中原两分法（原生/再生）同步扩展以匹配。区域尺度上，将Exiobase的27个欧盟成员国聚合为GCAM的EU-12与EU-15。
4. 4.
   贸易与CBAM建模：GCAM采用Armington方法，将全球钢铁贸易池按排放强度（高/中/低）和来源（EU/非EU）分为6池。CBAM征税基于各非EU池的平均直接排放，并以全球平均碳价调整抵扣出口国已付碳价。欧盟进口分配按各区域对该池的出口份额比例映射至MARIO。
5. 5.
   情景设计：
   • •
     NDC_LTT：基准，各国依NDC与长期目标定碳价，EU ETS逐步覆盖（2030年60%免费配额），无CBAM。
   • •
     CBAM：2030年起引入CBAM，初始为ETS的60%，2035年达100% parity。
   • •
     CBAM-G_SUBS：叠加欧盟对低碳原生钢资本成本补贴（2030年30%→2040年10%）。
   • •
     CBAM-G_SUBS_HI：叠加对非能源运营成本的固定补贴（20%，2030–2050）。
     所有情景均按IEA STEPS限制废钢可用性以约束二次钢占比。

三、研究结果

3.1. GCAM结果：欧盟钢铁生产、消费与贸易

• •
  基准趋势（NDC_LTT）：短期EU–非EU气候目标差异削弱欧盟竞争力，2020–2030年生产?19%、出口?20%，消费略降但进口+42%，高/中排放钢生产下滑部分被同类进口替代。
• •
  CBAM效应（短中期）：CBAM缓解生产收缩（2020–2030生产仅?6~?8%），进口相对NDC_LTT减少12–17%（2030）。三种CBAM情景短期结果接近，表明资本或运营补贴短期未显著改变成本竞争力。
• •
  长期（2030–2050）：全球碳定价普及推高国际钢价，各情景下欧盟生产约恢复至2020水平，出口增长、进口受控。CBAM-G_SUBS_HI（运营成本补贴）驱动最显著的产量与出口扩张；CBAM-G_SUBS（资本补贴）长期产量趋同于单独CBAM。
• •
  技术结构转型：高排放BF-BOF从2020年59%降至2050年0.3–0.5%；DRI-EAF-COAL未被部署。中排放技术占比极低。低排技术主导，其中废钢基EAF为骨干。CBAM-G_SUBS_HI维持更持久的初级低碳钢（如DRI-EAF-H₂）扩张，2050年达16.98 Mton，技术组合更分散。

3.2. MARIO结果：环境影响评估

3.2.1. 钢铁技术环境影响

以2020年EU电力结构计：

• •
  BF-BOF：2.52 t_CO2eq/t_steel，Scope 1为主。加CCS（73%/86%）降至1.44/1.24；结合BECCS进一步至0.83/0.74。
• •
  DRI-EAF路线：天然气基1.31；绿氢（DRI-EAF-H₂）0.70；加CCS至0.98；生物能+CCS可达净负（?0.12至?0.26）。
• •
  电解基（MOE、AEL-EAF）：约1.28–1.35，Scope 2占比高。
  当应用GCAM提供的2050高可再生电力mix，DRI-EAF-H₂碳强度再降~40%，MOE/AEL-EAF降超80%。

3.2.2. 情景环境影响

• •
  生产侧强度：各情景下欧盟钢平均碳强度从2020年1.53降至2050年0.30 t_CO2eq/t_steel。2035年CBAM-G_SUBS_HI因总产量更高导致低排钢占比略低（0.42 vs NDC_LTT 0.35），但长期2050趋同。
• •
  消费侧足迹：CBAM情景在2030年将欧盟钢铁消费碳足迹降至约0.62–0.64 t_CO2eq/t_steel（NDC_LTT为1.13），源于进口量缩减+进口结构低碳化。总消费嵌入排放2030年最高?46%、2050年最高?23%，30年累计约?25%。
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  补贴的边际环境贡献：CBAM叠加补贴对消费侧总嵌入排放改善有限，其主要作用是提升产业规模与出口而非额外深度减排。

四、讨论与结论总结

研究人员讨论指出，CBAM的长期生产/贸易影响有限（因非EU地区也逐步碳定价），其核心价值在短期（~2030）稳定欧盟产业、抑制高排进口。运营成本补贴（CBAM-G_SUBS_HI）比资本补贴更能持续提升低碳钢产量与出口，意味着长期竞争力更依赖平准化运营成本而非一次性投资激励。CBAM推动的低排钢增量初期多为废钢基，使生产侧平均足迹短期略高于基准（产量效应），但消费侧因进口替代而快速下降。

研究局限：GCAM的Armington池贸易未模拟双边流向，无法捕捉出口国将低排钢专供EU而继续外销高排钢的行为；未来可引入双边贸易与关键参数（废钢供给、全球碳价）敏感性分析。

结论翻译：

欧洲钢铁行业脱碳对减少部门温室气体排放至关重要，但可能削弱欧盟钢铁在国内外市场的竞争力并引发碳泄漏。为应对风险，欧盟推出CBAM对碳密集钢铁进口征税。鉴于欧盟是全球最大钢铁进口方，CBAM可能影响出口国。现有文献多评估CBAM对全球或别国产业的经济环境效应。本研究通过GCAM–MARIO/Exiobase耦合，分析CBAM及绿色钢铁补贴对欧盟生产、消费、贸易及钢铁碳足迹的影响。GCAM结果显示，CBAM对长期生产贸易水平影响有限（非欧盟地区也引入碳定价）。其作用在短期更明显（尤其约2030年），可部分抵消欧盟钢铁行业竞争力损失，限制生产下滑与进口上升。长期唯一具持续效果的是CBAM-G_SUBS_HI中针对绿色钢铁技术的运营成本补贴，推动产量（超2020水平）与出口更显著提升。这表明资本补贴（CBAM-G_SUBS）作为初期投资激励，对中长期的钢铁平准化成本贡献有限，竞争力改善不超越单独CBAM；真正可持续的产量与出口增长需持续运营支持而非一次性资本注入。CBAM还影响欧盟生产/消费/贸易的钢种结构（低/中/高排）。2025–2035年，CBAM情景下欧盟低排钢产量高于基准，高/中排钢生产基本不变，短期产量提升关联于欧盟内部低碳（主要是废钢基）产能的采用。CBAM情景短期更高国内产量意味着生产侧碳足迹略高于NDC_LTT，但消费侧（几乎各情景相同）总嵌入排放在2030前后开始下降，2050累计更低，源于进口减排（量减+结构低碳化）。然而，若出口国将低排钢定向输欧、继续对外供常规钢，可能削弱CBAM对国内生产的益处。本框架未模拟双边贸易流，未来应纳入并开展废钢可得性、全球均价等敏感性分析。