2023-09-20 | GID团队
9月20日，GID团队在《自然-气候变化》（Nature Climate Change）在线发表题为“全球钢铁行业工厂级脱碳策略”（Plant-by-plant decarbonization strategies for the global steel industry）的研究论文，利用全新构建的全球钢铁行业设备级碳排放数据库，揭示了全球钢铁厂碳排放强度、服役年限、技术和产能的巨大差异性，并在此基础上设计了面向减排潜力与经济性的靶向指标以识别工厂脱碳优先级，探究了不同脱碳策略组合的减排成本效益。
近几十年来，全球城市化和工业化进程导致钢铁需求激增。钢铁行业能源和排放强度大，导致其2019年贡献了全球约7%的人为二氧化碳排放。钢铁行业碳排放主要来自于长流程炼钢，目前全球可用于短流程炼钢的高质量废钢资源存量不足，可替代的低碳转型技术尚不成熟，需求增长又催生了大量年轻的高碳长流程生产设施，因此全球气候治理背景下长流程钢铁厂的中短期脱碳矛盾尤为突出。
针对这一迫切需求，GID团队通过多源大数据智能融合与建模技术，整理出全球1.3万多个在运和已退役钢铁生产设备的基础信息，覆盖炼焦、烧结、球团、炼铁和炼钢等主要工序；开发了统一的动态排放表征算法，首次建成了长时间序列（1970-2019年）全球钢铁厂动态碳排放数据库（Global Iron and Steel emission Database，简称GISD）。
研究进一步基于GISD数据库剖析了全球长流程钢铁厂在能效、技术水平和碳排放等维度的显著差异性，基于此设计了碳排放强度和服役年限-产能比例（定义为工厂设备平均服役年限和粗钢产能的比例）两个靶向指标，分别从减排潜力和经济性两方面出发识别长流程工厂的脱碳优先级；进而建立工厂级脱碳成本效益评估体系，针对所识别的长流程钢铁工厂，设计包括过剩产能淘汰、长流程能效提升和转向短流程等多种脱碳策略，对逐个工厂的脱碳潜力和成本效益进行了精细化评估，从而揭示了全球和重点区域兼顾减排“量”与“效”的工厂级脱碳策略。
研究发现，2019年全球长流程钢铁工厂的服役年限-产能比例和碳排放强度存在显著差异（图1）。以碳排放强度为例，生产全球3%粗钢的长流程钢铁厂造成了全球长流程炼钢9.3%的碳排放。将服役年限-产能比例和碳排放强度作为靶向指标也具有显著的区域异质性，在印度等发展中国家钢铁厂平均能耗较高，碳排放强度指标具有更大减排潜力，而发达国家钢铁厂平均服役年限较长，服役年限-产能比例往往更有效。同时，不同脱碳策略的减排潜力亦存在巨大差异。尽管能效提升在发展中国家可作为推动碳减排的有力举措，长流程转向短流程仍是更为可持续的低碳策略，其全球碳减排潜力最大可超过13亿吨。
在全球尺度上，不同脱碳策略的单位减排成本较为接近，且随着减排深入大都呈现上升趋势，即边界效应递减（图2）。而由于大多数发达国家长流程工厂能效水平已较高，能效提升减排潜力较小，因此长流程转向短流程的单位减排成本显著小于能效提升，而在发展中国家，两者差异相对较小。在长流程转短流程和能效提升基础上，进一步考虑过剩产能优先淘汰可显著提升成本效益，因为淘汰老旧工厂几乎不需要承担搁浅资本。最后，综合服役年限-产能比例和碳排放强度两个靶向指标可以进一步有效提升成本效益。以长流程转向短流程为例，因其可以更具目标性地识别出兼具减排潜力和经济性的工厂，综合两个靶向指标的累积单位减排成本可比单个指标低5%-6%。
研究首次揭示了全球钢铁工业逐厂级脱碳策略及其成本效益，为全球钢铁行业中短期低碳转型提供了成本效益优化的科学路径，表明了“因地制宜”靶向性治理对全球钢铁行业低碳转型具有重要意义，可为全球钢铁行业实现零碳未来和可持续发展注入动力。
清华大学地球系统科学系博士生徐若翀为论文第一作者，同丹助理教授为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学环境学院、碳中和研究院院长贺克斌院士，地球系统科学系张强教授，加州大学欧文分校史蒂夫·戴维斯（Steven J. Davis）教授，GID团队程静博士、施沁人博士、刘洋博士、闫柳博士，博士研究生覃馨莹、陈翠红、严禧哲、王化璇和郑栋升。研究得到了国家自然科学基金委和能源基金会支持。