（本文是能源转型研究所Energy Transitions Commission与落基山研究所的一篇研究报告《中国2050：一个全面实现现代化国家的零碳图景》的节选部分，该报告详细论述了中国主要工业部门实现零碳的技术与经济可行性）
钢铁行业脱碳
在中国，钢铁行业碳排放占2020 年全国二氧化碳排放总量的19% 左右(2)。随着中国的城市化进程完成，对建筑钢材的需求也将会下降，而且更多的钢材将来自于废钢循环利用，因此钢铁行业碳排放的比例将随之减小。此外，在现有高炉生产技术的基础上，钢铁生产能效还有潜力得到进一步提高。但为了实现钢铁部门的零碳排放，中国还需要在长流程钢铁生产中采用更彻底的脱碳技术。
背景：中国的钢铁生产与消费现状
中国是世界上最大的钢铁生产国和消费国。世界钢铁协会的数据显示，2020 年中国钢铁产量为10.53 亿吨，消费量为10.25 亿吨，分别占全球总量的56% 和54%。中国2015 年出口钢铁5400万吨。
城市化和工业化推动了中国钢铁消费的快速增长。中国超过一半（48%）的钢材用于建筑或铁路和公路等基础设施。制造业钢铁用量中汽车行业占最大份额
中国钢铁行业90%以上的产能是采用高炉（ BOF） 技术生产的长流程钢。使用废钢和电力的电炉技术（ EAF， 也称短流程钢）仅占生产总量的10%，并主要用于生产高端特殊钢制品。
相比于美国钢铁总产量中的70% 来自电炉技术路线，中国的钢铁低回收率反映了一个处于早期发展阶段国家的典型状况——人均钢铁存量仍在增长，废钢供应相对于需求非常有限。
钢铁消费展望以及生产路径转换
发达经济体的人均钢铁存量常常会稳定在10 至15 吨左右的水平，达到饱和。到2021年，中国的人均钢铁存量预计约为10吨/人。已经进入发达经济体的区间。
我们的模型显示，到2050 年，中国的钢铁年均消费量可降至4.75亿吨左右，与国际能源署（ IEA）报告中的“2℃情景” 的估计相一致。此外，我们预计未来将有越来越多的钢材将来自循环利用废钢的短流程生产；随着越来越多的建筑、汽车和其他设备达到使用年限，废钢的供应预计将以每年10%的速度增长，废钢价格也很可能将会大幅下降。
预计到2 0 5 0 年，短流程钢将占中国钢铁总产量的60%。这一目标需要政策设计的支持，以确保最大限度地实现高质量钢铁的回收利用。按照这一预测，中国初级钢（即长流程钢）年产量将可能从目前的9亿吨下降到2050年的1.9亿吨。
钢铁生产过程脱碳
由于电炉钢生产的碳强度远低于高炉生产，因此电炉钢生产份额的增加将自动造成钢铁生产平均碳强度的降低。即使按照目前中国电力系统的碳排放强度（596 克CO2/ 千瓦时）计算，电炉钢生产路线的碳排放强度也只有每吨钢铁0.5 吨CO2 左右，而高炉钢生产路线的碳排放强度约为每吨钢铁2.1吨CO2。随着电力系统的脱碳，电炉钢生产路径的碳排放强度将可逐渐下降至零。
因此，支持中国钢铁脱碳的最主要政策将是支持零碳的可再生能源和核能的发电量扩大。在本报告的零碳情景下，到2050年，电炉短流程钢产量将达到3.33亿吨，这将带来0.16 万亿千瓦时的零碳电力需求。
并且，通过政策支持和适当的市场设计来支持废料回收系统发展也至关重要。许多研究预测，到2050 年，中国每年将有3-4 亿吨的废钢供应，这足以满足我们模型中短流程钢的需求。
剩余长流程钢可选的脱碳技术
对于剩余的长流程钢铁生产，中国还可采用以下的脱碳技术路线：
基于氢气的直接还原铁（ DRI）：如果氢气本身以零碳的方式生产，无论是通过电解水，还是通过将碳捕集和封存（ CCS）技术应用于甲烷蒸汽重整或煤化工制氢，氢气直接还原铁都可以帮助实现钢铁生产的零碳化。全球最大的钢铁公司——安塞乐米塔尔（Arcelor Mittal）公司已经在使用这项技术。在中国，宝武钢铁的富氢碳循环高炉试验项目正在进行第二阶段的工程建设，2020年，河钢集团已经在张家口地区建设富氢气体直接还原示范工程，预计该项目将于2022年5月左右投产。
碳捕集与封存（ CCS）：碳捕集技术可应用于处理高炉尾气中的二氧化碳。一些技术，如印度塔塔钢铁（ Tata Steel）公司正在开发的Hlsarna 技术（使用粉煤并回收顶部高浓度二氧化碳的反应炉技术）可以配合更高效的CCS应用，提高钢铁生产节能和减碳的效率。这一技术路线的可行性将取决于CCS技术的可行容量和位置。
电解法炼钢：通过电解直接还原炼铁也是一种技术可行的路线，并且从长期来看，其经济将进一步提升。安塞乐米塔尔（ ArcelorMittal）、波士顿金属公司（ Boston Metal） 等钢铁公司或研究机构已经开始开发这项炼铁技术。
使用生物质：在高炉内使用木炭而不是焦煤作为燃料和还原剂也是一种可能的路线。目前，巴西正在使用这种技术， 当地丰富的木材资源使得技术经济性较好。如果木炭是由森林再生供给的，该技术就将是零碳的。因此，该技术的可行性取决于当地可用的生物质供应。另外，从技术上讲，生物质可包括废弃物、城市垃圾、农业秸秆等形式，可用于生产生物煤、生物燃料和沼气，并在钢铁脱碳中发挥作用。
针对中国具体情况的经济性分析
氢气直接还原铁（ DRI）技术与碳捕集（ CCS）技术的相对成本在很大程度上取决于用于制氢的零碳电力价格。如图表3-4 所示，根据ETC 的全球模型，对于新建项目，当零碳电力的价格低于每兆瓦时45 美元时，氢气直接还原铁制钢将比配合CCS技术的成本更低；对于已建项目，电力的价格则须达到每兆瓦时25 美元以下，氢气直接还原铁制钢才更具成本竞争力。
而中国目前高炉钢铁生产力巨大，已建高炉设备的碳捕集改造更具有参考价值。因而，短期来看，CCS 改造项目更具有经济性，但是如本文第七章所述，在2050 年前，中国丰富的可再生能源资源有望使得可再生电力价格达到每兆瓦时25美元以下，推动氢气直接还原铁的应用。
● 氢气直接还原铁路线的成本预测，是基于电解水制氢设备的成本会在未来由于大规模生产的规模效应和学习曲线效应的影响，从目前的每千瓦850美元降低至每千瓦200美元的假设得出的。电解槽价格的显著降低将减少制氢成本中的固定投资成本，使得电解槽大规模应用成为可能。在这种情景下，电解水制氢将可以实现尽可能利用弃风弃光等极便宜的电力，尽管运行小时数较低，但仍可实现经济性。
考虑到中国有限的生物质资源，以及航空等其他较缺乏其他脱碳路径的部门对生物质资源的需求，我们认为使用生物质的炼钢在中国应用的可行性不高。
电解法炼钢技术与碳捕集技术相比，经济性也取决于零碳电力的价格。
在钢铁产量的基础情景下，到2050 年，如果中国使用氢气直接还原铁（ DRI）技术满足所有1.9 亿吨长流程钢的生产需求，将带来0.675 万亿千瓦时的零碳电力需求。如果所有的初级钢生产都采用CCS 技术实现零碳排放，那么所需的二氧化碳封存容量将达到每年4 亿吨左右。但是，在中国2050年钢铁总产量7亿吨、长流程钢产量2.8亿吨的高需求情景下，完全采用氢气直接还原铁实现零碳排放需要消费约1万亿千瓦时零碳电力，完全采用CCS技术路线实现零碳排放需要每年封存二氧化碳6亿吨左右。
