（本文是能源轉(zhuǎn)型研究所Energy Transitions Commission與落基山研究所的一篇研究報告《中國2050：一個全面實現(xiàn)現(xiàn)代化國家的零碳圖景》的節(jié)選部分，該報告詳細(xì)論述了中國主要工業(yè)部門實現(xiàn)零碳的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性）

鋼鐵行業(yè)脫碳

在中國，鋼鐵行業(yè)碳排放占2020 年全國二氧化碳排放總量的19% 左右(2)。隨著中國的城市化進(jìn)程完成，對建筑鋼材的需求也將會下降，而且更多的鋼材將來自于廢鋼循環(huán)利用，因此鋼鐵行業(yè)碳排放的比例將隨之減小。此外，在現(xiàn)有高爐生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，鋼鐵生產(chǎn)能效還有潛力得到進(jìn)一步提高。但為了實現(xiàn)鋼鐵部門的零碳排放，中國還需要在長流程鋼鐵生產(chǎn)中采用更徹底的脫碳技術(shù)。

背景：中國的鋼鐵生產(chǎn)與消費現(xiàn)狀

中國是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費國。世界鋼鐵協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國鋼鐵產(chǎn)量為10.53 億噸，消費量為10.25 億噸，分別占全球總量的56% 和54%。中國2015 年出口鋼鐵5400萬噸。

城市化和工業(yè)化推動了中國鋼鐵消費的快速增長。中國超過一半（48%）的鋼材用于建筑或鐵路和公路等基礎(chǔ)設(shè)施。制造業(yè)鋼鐵用量中汽車行業(yè)占最大份額

中國鋼鐵行業(yè)90%以上的產(chǎn)能是采用高爐（ BOF） 技術(shù)生產(chǎn)的長流程鋼。使用廢鋼和電力的電爐技術(shù)（ EAF， 也稱短流程鋼）僅占生產(chǎn)總量的10%，并主要用于生產(chǎn)高端特殊鋼制品。

相比于美國鋼鐵總產(chǎn)量中的70% 來自電爐技術(shù)路線，中國的鋼鐵低回收率反映了一個處于早期發(fā)展階段國家的典型狀況——人均鋼鐵存量仍在增長，廢鋼供應(yīng)相對于需求非常有限。

鋼鐵消費展望以及生產(chǎn)路徑轉(zhuǎn)換

發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的人均鋼鐵存量常常會穩(wěn)定在10 至15 噸左右的水平，達(dá)到飽和。到2021年，中國的人均鋼鐵存量預(yù)計約為10噸/人。已經(jīng)進(jìn)入發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的區(qū)間。

我們的模型顯示，到2050 年，中國的鋼鐵年均消費量可降至4.75億噸左右，與國際能源署（ IEA）報告中的“2℃情景” 的估計相一致。此外，我們預(yù)計未來將有越來越多的鋼材將來自循環(huán)利用廢鋼的短流程生產(chǎn)；隨著越來越多的建筑、汽車和其他設(shè)備達(dá)到使用年限，廢鋼的供應(yīng)預(yù)計將以每年10%的速度增長，廢鋼價格也很可能將會大幅下降。

預(yù)計到2 0 5 0 年，短流程鋼將占中國鋼鐵總產(chǎn)量的60%。這一目標(biāo)需要政策設(shè)計的支持，以確保最大限度地實現(xiàn)高質(zhì)量鋼鐵的回收利用。按照這一預(yù)測，中國初級鋼（即長流程鋼）年產(chǎn)量將可能從目前的9億噸下降到2050年的1.9億噸。

鋼鐵生產(chǎn)過程脫碳

由于電爐鋼生產(chǎn)的碳強(qiáng)度遠(yuǎn)低于高爐生產(chǎn)，因此電爐鋼生產(chǎn)份額的增加將自動造成鋼鐵生產(chǎn)平均碳強(qiáng)度的降低。即使按照目前中國電力系統(tǒng)的碳排放強(qiáng)度（596 克CO2/ 千瓦時）計算，電爐鋼生產(chǎn)路線的碳排放強(qiáng)度也只有每噸鋼鐵0.5 噸CO2 左右，而高爐鋼生產(chǎn)路線的碳排放強(qiáng)度約為每噸鋼鐵2.1噸CO2。隨著電力系統(tǒng)的脫碳，電爐鋼生產(chǎn)路徑的碳排放強(qiáng)度將可逐漸下降至零。

因此，支持中國鋼鐵脫碳的最主要政策將是支持零碳的可再生能源和核能的發(fā)電量擴(kuò)大。在本報告的零碳情景下，到2050年，電爐短流程鋼產(chǎn)量將達(dá)到3.33億噸，這將帶來0.16 萬億千瓦時的零碳電力需求。

并且，通過政策支持和適當(dāng)?shù)氖袌鲈O(shè)計來支持廢料回收系統(tǒng)發(fā)展也至關(guān)重要。許多研究預(yù)測，到2050 年，中國每年將有3-4 億噸的廢鋼供應(yīng)，這足以滿足我們模型中短流程鋼的需求。

剩余長流程鋼可選的脫碳技術(shù)

對于剩余的長流程鋼鐵生產(chǎn)，中國還可采用以下的脫碳技術(shù)路線：

基于氫氣的直接還原鐵（ DRI）：如果氫氣本身以零碳的方式生產(chǎn)，無論是通過電解水，還是通過將碳捕集和封存（ CCS）技術(shù)應(yīng)用于甲烷蒸汽重整或煤化工制氫，氫氣直接還原鐵都可以幫助實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)的零碳化。全球最大的鋼鐵公司——安塞樂米塔爾（Arcelor Mittal）公司已經(jīng)在使用這項技術(shù)。在中國，寶武鋼鐵的富氫碳循環(huán)高爐試驗項目正在進(jìn)行第二階段的工程建設(shè)，2020年，河鋼集團(tuán)已經(jīng)在張家口地區(qū)建設(shè)富氫氣體直接還原示范工程，預(yù)計該項目將于2022年5月左右投產(chǎn)。

碳捕集與封存（ CCS）：碳捕集技術(shù)可應(yīng)用于處理高爐尾氣中的二氧化碳。一些技術(shù)，如印度塔塔鋼鐵（ Tata Steel）公司正在開發(fā)的Hlsarna 技術(shù)（使用粉煤并回收頂部高濃度二氧化碳的反應(yīng)爐技術(shù)）可以配合更高效的CCS應(yīng)用，提高鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能和減碳的效率。這一技術(shù)路線的可行性將取決于CCS技術(shù)的可行容量和位置。

電解法煉鋼：通過電解直接還原煉鐵也是一種技術(shù)可行的路線，并且從長期來看，其經(jīng)濟(jì)將進(jìn)一步提升。安塞樂米塔爾（ ArcelorMittal）、波士頓金屬公司（ Boston Metal） 等鋼鐵公司或研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始開發(fā)這項煉鐵技術(shù)。

使用生物質(zhì)：在高爐內(nèi)使用木炭而不是焦煤作為燃料和還原劑也是一種可能的路線。目前，巴西正在使用這種技術(shù)， 當(dāng)?shù)刎S富的木材資源使得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。如果木炭是由森林再生供給的，該技術(shù)就將是零碳的。因此，該技術(shù)的可行性取決于當(dāng)?shù)乜捎玫纳镔|(zhì)供應(yīng)。另外，從技術(shù)上講，生物質(zhì)可包括廢棄物、城市垃圾、農(nóng)業(yè)秸稈等形式，可用于生產(chǎn)生物煤、生物燃料和沼氣，并在鋼鐵脫碳中發(fā)揮作用。

針對中國具體情況的經(jīng)濟(jì)性分析

氫氣直接還原鐵（ DRI）技術(shù)與碳捕集（ CCS）技術(shù)的相對成本在很大程度上取決于用于制氫的零碳電力價格。如圖表3-4 所示，根據(jù)ETC 的全球模型，對于新建項目，當(dāng)零碳電力的價格低于每兆瓦時45 美元時，氫氣直接還原鐵制鋼將比配合CCS技術(shù)的成本更低；對于已建項目，電力的價格則須達(dá)到每兆瓦時25 美元以下，氫氣直接還原鐵制鋼才更具成本競爭力。

而中國目前高爐鋼鐵生產(chǎn)力巨大，已建高爐設(shè)備的碳捕集改造更具有參考價值。因而，短期來看，CCS 改造項目更具有經(jīng)濟(jì)性，但是如本文第七章所述，在2050 年前，中國豐富的可再生能源資源有望使得可再生電力價格達(dá)到每兆瓦時25美元以下，推動氫氣直接還原鐵的應(yīng)用。

● 氫氣直接還原鐵路線的成本預(yù)測，是基于電解水制氫設(shè)備的成本會在未來由于大規(guī)模生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)和學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)的影響，從目前的每千瓦850美元降低至每千瓦200美元的假設(shè)得出的。電解槽價格的顯著降低將減少制氫成本中的固定投資成本，使得電解槽大規(guī)模應(yīng)用成為可能。在這種情景下，電解水制氫將可以實現(xiàn)盡可能利用棄風(fēng)棄光等極便宜的電力，盡管運(yùn)行小時數(shù)較低，但仍可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

考慮到中國有限的生物質(zhì)資源，以及航空等其他較缺乏其他脫碳路徑的部門對生物質(zhì)資源的需求，我們認(rèn)為使用生物質(zhì)的煉鋼在中國應(yīng)用的可行性不高。

電解法煉鋼技術(shù)與碳捕集技術(shù)相比，經(jīng)濟(jì)性也取決于零碳電力的價格。

在鋼鐵產(chǎn)量的基礎(chǔ)情景下，到2050 年，如果中國使用氫氣直接還原鐵（ DRI）技術(shù)滿足所有1.9 億噸長流程鋼的生產(chǎn)需求，將帶來0.675 萬億千瓦時的零碳電力需求。如果所有的初級鋼生產(chǎn)都采用CCS 技術(shù)實現(xiàn)零碳排放，那么所需的二氧化碳封存容量將達(dá)到每年4 億噸左右。但是，在中國2050年鋼鐵總產(chǎn)量7億噸、長流程鋼產(chǎn)量2.8億噸的高需求情景下，完全采用氫氣直接還原鐵實現(xiàn)零碳排放需要消費約1萬億千瓦時零碳電力，完全采用CCS技術(shù)路線實現(xiàn)零碳排放需要每年封存二氧化碳6億噸左右。