美国碳捕集部署的供应链碳惩罚：基于环境扩展投入产出模型（EEIO）的净减排绩效评估

《Journal of Cleaner Production》：Supply chain carbon penalties of U.S. carbon capture deployment: An EEIO-based assessment of net abatement performance

　　

碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）正日益被视为排放密集型行业脱碳的关键选项，但其净减排价值不仅取决于主设施捕获的排放量，还取决于部署支出所引发的经济范围效应。现有研究很少将产出传播、供应链新增排放、移除排放和净绩效指标整合在一个统一的美国范围高分辨率框架内。本研究通过开发一个环境扩展投入产出（Environmentally Extended Input-Output, EEIO）模型来弥补这一空白，以量化美国CCS部署的经济范围生产影响、供应链碳惩罚和净绩效。研究人员将CCS的年化资本和运营支出表示为外生最终需求冲击，并将其映射到包含402个部门的USEEIO v2.5框架中，同时利用特定部门的捕获率评估排放量。在电力、石灰和石膏产品、水泥以及钢铁的模型化90%捕获情景下，总CO₂移除量达到1.14 Gt，供应链活动新增0.08 Gt CO₂，净减排量仍高达1.06 Gt CO₂。相应的排放惩罚比约为每移除一吨CO₂新增67 kg CO₂，净减排成本为73 $/tCO₂。情景分析表明，CCS总成本降低20%可使排放惩罚比降低19%，净减排成本降低20%；而电力部门CO₂强度降低90%可使惩罚比降低59%，但净减排成本仅略有下降。这些结果表明，CCS能够实现显著的净减排，成本降低主要改善经济绩效，而电力部门脱碳则为降低上游碳惩罚提供了更大的杠杆。由于该分析采用静态的国家EEIO结构，因此无法解析区域异质性、设施级技术差异或经济与生产关系的随时间内生变化。

**论文解读：美国碳捕集部署的供应链碳惩罚与净减排绩效评估**

**研究背景、问题与意义**
随着大气CO₂浓度持续上升，气候风险加剧，深度且持续的减排需求日益迫切。美国作为全球累计CO₂排放的主要贡献者之一，其电力、水泥、钢铁等难以脱碳的行业排放仍是核心障碍。碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）被视为弥补其他减排方案不足的关键技术，但现有评估多局限于项目边界，忽略了部署支出通过供应链引发的经济范围生产扩张和额外排放。此外，既有研究未能将支出传播、供应链新增排放、移除排放与净绩效指标整合在一个统一的高分辨率美国框架内，也缺乏对CCS成本假设和电力部门脱碳情景下净绩效稳健性的系统分析。为此，本研究开发了一个环境扩展投入产出（EEIO）模型，旨在量化CCS部署的经济范围生产影响、供应链碳惩罚和净减排绩效，为美国净零排放目标下的战略规划提供依据。论文发表在《Journal of Cleaner Production》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用环境扩展投入产出模型（EEIO），以美国2017年USEEIO v2.5框架（402个部门）为基础，将CCS的年化资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）构建为外生最终需求冲击。通过桥梁矩阵将工程成本组件映射至投入产出部门，利用Leontief逆矩阵计算总产出变化，并基于部门特定排放强度核算新增CO₂排放。同时，应用部门特定捕获率（基准90%）计算移除量，定义排放惩罚比（每吨移除CO₂新增的kg CO₂）和净减排成本（$/tCO₂ net abated）两项指标。研究还通过独立变化CAPEX/OPEX（±20%）、电力部门CO₂强度降低（至90%）以及两者的组合情景进行敏感性分析。数据来源包括美国能源部国家能源技术实验室（NETL）、美国环保局（EPA）、政府间气候变化专门委员会（IPCC）等发布的公开技术经济评估报告，成本数据根据消费者价格指数（CPI）调整至分析年份。

**研究结果**

**4.1. CC支出对部门产出的影响**
研究人员将CCS部署目标设定为电力、石灰和石膏产品、水泥和钢铁四个优先点源部门，基准捕获率为90%。通过EEIO模型，CCS支出作为最终需求冲击导致产出变化高度集中于上游部门：天然气产出增加304亿美元，电力增加166亿美元，两者合计占显示产出增长近一半。重规格金属罐和预制管道与管件位居第三、第四，分别增加85亿和80亿美元。其他基本有机化学品、无机化学品、初级钢铁、压缩机和泵等也显著增长。间接效应方面，房地产、企业管理、就业服务、批发贸易等服务部门同样出现可观的产出增加，表明CCS部署的经济影响远超出直接采购范围。随着捕获率从30%升至90%，部门排名保持稳定，产出增长近比例放大，表明更具雄心的捕获目标主要放大现有供应链压力，而非改变结构。

**4.2. CCS支出的部门碳排放效应**
在90%捕获情景下，供应链新增CO₂总排放量为0.08 Gt，其中电力部门贡献51.5 Mt（约67%），天然气贡献10.06 Mt（约13%），两者合计占近80%。制造业（初级钢铁、有机/无机化学品、石化、炼油、金属罐、管道等）贡献约8.1 Mt（10.5%），运输和仓储（管道和卡车运输）贡献约2.5 Mt（3.3%）。总体净减排量为1.06 Gt CO₂，排放惩罚比为67 kg CO₂/tCO₂ removed，净减排成本为73 $/tCO₂ net abated。部门间排放惩罚比差异很小，电力部门略低（约67），工业部门接近70，且随捕获率增加电力部门惩罚比呈下降趋势，工业部门基本持平。净减排成本方面，电力部门随捕获率增加而下降（从77降至73 $/tCO₂），工业部门则保持稳定约77 $/tCO₂。

**4.3. 基于情景的不确定性分析**
**对CAPEX和OPEX假设的敏感性**：在90%捕获率下，排放惩罚比在CAPEX和OPEX同时降低20%时降至54.4 kg CO₂/tCO₂，同时升高20%时升至80.3 kg CO₂/tCO₂。OPEX变化对惩罚比的影响远大于CAPEX，因为OPEX集中在电力、天然气和化学品等高排放强度部门。净减排成本在成本降低20%时降至58.6 $/tCO₂，升高20%时升至88.9 $/tCO₂，同样对OPEX更敏感。
**电力部门脱碳的影响**：在固定成本下，电力部门CO₂强度降低90%使排放惩罚比从67.5降至27.7 kg CO₂/tCO₂（降幅59%），但净减排成本仅从73.64降至73.17 $/tCO₂，变化极小。
**CCS成本与电力碳强度的综合效应**：两者同时变动时，排放惩罚比在成本降低20%且电力强度降低90%时达到最低22.2 kg CO₂/tCO₂；净减排成本则主要受总成本影响，电力脱碳的改善作用有限。结果表明，电力部门脱碳对碳效率改善作用显著，而成本降低主要影响经济绩效。

**讨论与结论**
讨论部分指出，静态国家EEIO框架无法解析区域异质性、设施级技术差异或经济关系的动态变化，且部门平均系数掩盖了工厂间差异。同时，模型未考虑价格响应、产能约束、进口替代、融资结构及政策激励等动态因素。未来研究可结合混合EEIO方法、多区域空间模型、动态扩展及概率分析，以更全面地评估CCS部署路径。

结论部分总结：本研究通过高分辨率EEIO框架量化了美国CCS部署的经济范围产出和排放影响。在90%捕获情景下，总CO₂移除1.14 Gt，供应链新增0.08 Gt，净减排1.06 Gt，排放惩罚比67 kg CO₂/tCO₂，净减排成本73 $/tCO₂。上游排放集中于能源、材料和运输密集型部门，电力部门脱碳可大幅降低上游碳惩罚，而成本降低主要改善经济绩效。研究贡献在于将产出传播、供应链排放、捕获排放和净绩效指标整合于统一框架，并评估了CCS成本和电力脱碳对不同维度绩效的影响。实际意义在于，针对上游关键部门的脱碳可直接提升净减排效果，而协调成本降低与电力脱碳可增强CCS的经济可负担性和碳效率。