自然中国：钢铁工业“碳中和”亟需生产和消费协同变革

钢铁是世界使用量最大、应用范围最广的金属资源，其生产流程具有碳排放量高、碳减排难度大、碳锁定效应明显等特征。作为全球关键基础原料部门，钢铁工业的“脱碳化”不仅对行业自身低碳发展至关重要，更关乎下游建筑、交通、能源等行业的碳减排乃至全球温控目标的实现。在当前世界各国协力推动“碳中和”的时代背景下，全球钢铁工业必须要革新发展理念，从产业历史变迁、工艺技术变革、能源结构改善、供需格局演变等多个维度，深入厘清钢铁工业的脱碳进展与障碍，充分研究钢铁工业“碳中和”的主要措施与实现路径，加快推进全球钢铁工业的碳达峰、碳中和进程。

中国科学院城市环境研究所陈伟强研究组联合丹麦理工大学等多个研究团队在全球钢铁工业脱碳障碍与路径研究方面取得重要进展，相关研究成果以《全球钢铁工业脱碳进程停滞与脱碳策略研究》（Efficiency Stagnation in Global Steel Production Urges Joint Supply-and-Demand-side Mitigation Efforts）为题，在线发表在Nature Communications 上。该研究基于全生命周期视角，综合运用物质流分析和生命周期评价方法，以1900-2015年为时间边界，系统研究了采矿、烧结（球团）、炼铁、炼钢、轧钢等19个钢铁生产工艺流程的技术发展历程，量化分析了全球钢铁生产、消费、报废的时空格局及其演变特征，全面评估了钢铁全生命周期各工艺流程的能耗和温室气体排放历史变化趋势，深入探索了钢铁冶炼工艺技术创新、物质代谢格局演变与温室气体排放增长之间的相互影响机制，分析得到全球钢铁工业低碳发展的主要趋势与重要挑战如下：

第一，钢铁工业碳排放居高不下，已成为全球碳减排的关键和重点领域。研究核算发现，2015年，全球钢铁工业超过了世界第三大排放国，温室气体排放量达到37亿吨。在过去115年内，钢铁工业的排放总量达到1470亿吨，是钢铁产品生产总量（450亿吨）的三倍。同时，钢铁工业脱碳措施有限、进程缓慢，钢铁工业占全球温室气体排放比例不降反升，由1995年的5.2%持续上升到2015年的7.7%，严重落后于能源、交通等部门脱碳进程。伴随着钢铁需求量的上升，如果不采取任何措施，钢铁工业碳排放总量及其在全球中的占比将会持续升高，钢铁工业必将会承受来自各方的减排压力，成为全球温控减排的重点领域和前沿阵地。

**第二，钢铁工业脱碳极为艰难，主要受限于冶金原理、工艺和产能的三重约束。**基于对钢铁冶金工艺技术和流程清单的详细分析，研究发现当前钢铁工业脱碳十分艰难，具体表现为：1）在当前钢铁冶金原理中，铁和碳已经深度耦合，几乎钢铁生产的各个工艺流程都需要含碳资源作为还原剂、能源和工艺的重要支撑；2）在钢铁生产工艺流程中，碳已经直接或间接地内嵌到原料、反应、电力、热力等多个系统及其交织网络中，钢铁流程脱碳将会面临“牵一发而动全身”的挑战；3）经研究计算，钢铁工业产能过剩严重。然而，大多钢厂过于年轻，提前淘汰过剩钢铁产能及其支撑部门（如原料厂、焦煤厂、煤炭运输企业、附属基建和服务业等）将面临巨大的社会和经济压力。

**第三，钢铁工业技术降碳效果遭遇“天花板”，其碳排放强度近三十年趋于停滞。**通过对全球钢铁工艺历史演变的分析及其碳排放总量的计算，研究发现，早在“全球变暖”概念出现之前，钢铁工业就已经在节能减排上付出了巨大努力，使得吨钢的碳排放强度直接下降了一半以上。近百年来，在规模化生产和能源成本等内在因素驱动下，钢铁工业通过技术和产业升级，充分化解了多次经济和能源危机的冲击，实现钢铁工业的持续增长和生产成本的持续下降。随着生产工艺流程日趋成熟，钢铁工业正以非常接近理论极限的状况下持续运行，使得基于现有技术实现大规模减排的潜力十分有限。研究结果也显示，研究结果也显示，世界钢铁工业碳排放强度自1995年后就达到天花板，并在近三十年来停滞不前，出现“碳效停滞”的现象。

**第四，全球钢铁工业发展不平衡、不充分问题突出，成为其实现“双碳”目标的重要制约。**基于对钢铁工业排放的因素分解分析，研究发现，在过去115年内，钢铁产量对碳排放具有绝对的主导作用（97%）。同时，全球钢铁工业发展不平衡、不充分的问题十分突出，不同区域流程工艺之间的碳排放强度存在显著差异（2-3倍）。在过去30年内，部分区域（如欧洲、日本、中国等）的先进企业积极采用新工艺，实现了国家产业内部的碳强度持续下降。随着世界经济活动的重心发生转移，世界钢铁生产和消费重心也逐步从钢铁生产碳强度低区域（企业）向新兴的碳强度高区域（企业）转移。这些新兴区域的钢铁生产总量上升了8倍，充分抵消了先进区域的技术减排进步，外加废钢短流程的占比持续下降，使得全球钢铁平均碳排放强度居高不下。

**第五，钢铁工业脱碳时间紧迫，脱碳任务十分艰巨。**基于情景预测方法，该研究模拟了碳排放强度、消费格局等因素对实现全球钢铁工业碳中和目标的影响。研究发现，全球钢铁工业脱碳时间紧迫、任务十分艰巨。为了实现1.5°C温控目标，全球钢铁工业的平均碳排放强度需要每十年就下降0.85吨二氧化碳当量，并在2047年左右全面实现碳中和，其中未来15年将会是全球钢铁实现双碳目标的重要时期：当前钢铁工业“碳效停滞”现象还在持续，如果其延续到2035年左右，则钢铁工业将彻底耗尽1.5°C温控目标的碳排放配额。随着新兴经济体（如印度、东南亚、中东）的快速工业化和城市化，全球钢铁需求将会持续快速上涨，钢铁工业发展不平衡、不充分问题将会持续突出，将会带来更为严峻的脱碳挑战。

在此背景下，通过对钢铁工业潜在的37种颠覆性脱碳技术和十多种钢铁高效利用技术的进展、成本、推广时间和产权等进行了综述和分析，结合全球钢铁生产、消费与回收的时空演变趋势的情景分析结果，研究指出寄希望于生产侧技术突破实现钢铁工业脱碳的单一路径并不可取，要实现钢铁工业“双碳”目标，必须要立足于全球尺度，同步推动钢铁生产和消费革命，实现碳强度及碳排放逐步趋零，具体措施建议如下：

**首先，要积极推进钢铁生产技术革命。**钢铁工业必须要大力开展基础理论和颠覆性工艺的创新研究，开发和推广低碳、零碳及负碳工艺技术，推动钢铁生产革命，实现铁碳在冶金机理、工艺技术、生产流程和能源网络中全面“解耦”。研究发现，当前最具前景的突破性/颠覆性技术有氢能冶金技术、电解炼钢技术、直接还原与碳捕捉技术、生物质冶金技术、高效高炉技术（如氧气高炉）、电炉能源去碳化技术和低碳轧钢技术等7大类。然而，这些颠覆性技术（如HYBRIT，SALCOS，SIDERWIN，MOE）被欧、美企业高度垄断，无法快速、经济地推广至印度、东南亚、中东等新兴经济体。因此，亟需建立全球低碳冶金创新联盟，打造创新技术和产能交流对接平台，推动低碳技术在印度、东南亚、中东等新兴经济体快速落地，最大化颠覆性技术的脱碳成果。

**其次，要同步推进钢铁消费方式变革。**钢铁工业脱碳亟须突破钢铁厂区边界，联动钢铁产业链多个主体，在钢铁生产革命的基础上，同步推进钢铁消费革命：1）研究结果表明，目前碳配额将很难支撑钢铁需求的持续快速增长，亟需推动钢铁需求减量化、高效化、高值化和绿色化发展，限制钢铁产能（特别是生铁产能）增长，实现钢铁需求减量化；2）集成新兴材料研发、钢材轻量化设计、增材制造等多种措施，延长钢铁产品使用寿命，提升钢铁材料的使用效率，减小不必要钢铁的使用和浪费，充分降低钢铁材料生产、使用、维护等全生命周期的总成本，有效消除钢铁脱碳化对生产成本的影响；3）立足于全生命周期视角，对接新能源、电动车、绿色建筑等新兴领域，利用大数据等信息技术实现钢铁全生命周期的互联互通，推进钢铁制造业向低碳服务业转型。

**再次，要逐步建立钢铁循环产业体系。**相较于以铁矿石为原料的高炉长流程，以废钢为原料的电炉短流程可以降低约65%的单位碳排放量，并可以通过电力脱碳实现“零碳”排放，使得废钢成为全球钢铁工业重要的“脱碳资源”。然而，在钢铁需求迅速增长的背景下，由于废钢资源相对有限和回收不足，全球电炉短流程占比由1995年的35%持续下降到2015年的21%，而中国的短流程占比仅为10%。研究结果表明，随着钢铁社会存量不断累积和释放，全球即将迎来钢铁报废高峰。其中，中国自2030年起将超越美国成为全球最大的废钢产生国，2040年起就可以建立以废钢短流程主的钢铁生产流程体系，废钢资源将为中国和全球带来巨大的减碳红利。因此，亟需加大对废钢的智能拆解回收技术、质量检测技术、先进冶炼技术及高品质钢设计和制备技术的开发力度，加快废钢循环利用的科研、技术和政策体系的建设，优化产业布局，逐步推进钢铁流程产能置换，充分释放废钢短流程的减碳潜能。

**最后，要注重钢铁脱碳资产的市场开发。**钢铁是国际贸易量与社会流通量最大的金属资源。为了有效规避碳泄露，碳边境调节税和碳交易市场将成为部分国家施加贸易壁垒和维护本土钢企利益的重要手段。在此背景下，脱碳技术、氢能资源、高品质铁矿、废钢资源、绿色标签等“脱碳资产”将和钢铁产品价格、质量、服务一样，成为钢铁企业参与全球市场竞争的重要要素。谁掌握了这些钢铁工业“脱碳资产”，谁就拥有了低碳市场竞争的主动权。因此，各国钢铁企业要摒弃高碳排放产品和业务，依托信息技术和市场工具，加强数字化支撑和低碳标准统计体系建设，加快低碳技术创新和市场开发，提升“脱碳资产”开发和利用能力，积极参与全球低碳合作和竞争，重塑钢铁工业形象和发展格局，推动钢铁生产和消费双重革命。

该研究作者包括城市环境所助理研究员汪鹏（独立第一作者）、丹麦理工大学助理教授Morten Ryberg（共同通讯作者）、丹麦理工大学教授Michael Hauschild、重庆大学教授杨易、新南威尔士大学教授Sami Kara（共同通讯作者）、山东大学教授冯奎双和城市环境所研究员陈伟强（共同通讯作者）。城市环境所为论文第一完成单位。该成果在中科院前沿科学重点研究项目和国家自然科学基金项目的支持下完成，得到新南威尔士大学博士后论文基金、中科院特别研究助理项目、中国科协青年托举人才计划项目的支持。