钢铁行业应对全球气候挑战的策略分析

□ 代铭玉

一、材料的未来

1. 世界材料挑战

我们的世界及我们的生活方式，都是在使用各种材料的基础上建立起来的。所有制造这些材料的行业都面临着同样的问题——满足全球日益增长的人口的需求，同时显著降低其对气候的影响。

在过去30年中，全球材料消费显著增长，并对经济发展起到了推动作用，使超过10亿人摆脱了贫困。今天，全球主要材料（水泥、钢铁、铝、其他金属、塑料和纤维、玻璃、砖块、纸板和纸张）的生产排放占全球二氧化碳排放量的19%以上。这些排放主要来自于使用以化石燃料为基础的能源将初级原料转化为我们使用的材料（铁矿石、铝矾土、塑料等）。二次原料（即在其寿命结束时回收再利用的材料）在今天的材料生产中所占的比例很小，这主要是因为材料需求的强劲增长超过了可回收的存量，同时也是因为大多数材料不能完全回收，但是钢材是例外。

随着新兴经济体追求实现联合国可持续发展目标所需的基础设施建设，以及随着世界向低排放能源转型，材料需求预计将持续增长几十年。因此，材料生产商面临的挑战是降低材料生产的碳排放量，同时满足持续的需求增长。能源效率和生产效率的提高，以及从目前流行的使用后丢弃的线性模式转向循环再利用模式是解决之道；开发和应用用于材料生产的低排放技术是关键。

2. 钢材的光明未来

在过去的30年中，全球主要材料产量显著增长；而钢铁是唯一可以完全回收利用的制造材料。各种主要材料的产量和可回收性能见图1。

图1 各种主要材料的产量和可回收性能

钢材是当今唯一能够应对未来全面循环经济挑战的主要材料。钢材的可回收性是任何其他主要材料都无法比拟的。目前，高达85%～90%的钢产品在其使用寿命结束时被回收，用于生产新的钢材。钢材的磁性能使其很容易与其他材料分离。其他材料通常是下降性循环，但钢材可以保留其所有的原始特性，使其成为最容易回收利用的材料之一。

与其他材料相比，在许多应用中，钢铁生产中的二氧化碳排放量也更少。例如，在汽车行业，对于车辆的“白车身”结构，用先进高强钢制成的汽车部件的二氧化碳排放量小于铝制同等汽车部件二氧化碳排放量的一半，小于碳纤维增强塑料材料制成的同等汽车部件二氧化碳排放量的1/3。

钢材还是许多领先的全球二氧化碳减排技术的核心材料。这些技术包括海上风力涡轮机、高效变压器和电机、轻型车辆等。波士顿咨询公司BCG和德国钢铁协会VDeh的一项研究[1]发现，平均而言，使用钢材过程中所带来的二氧化碳减排量是生产这些钢材过程中二氧化碳排放量的1～6倍，因此很难想象钢铁在可持续循环经济中不是一种关键材料。

二、钢铁行业的碳排放挑战

尽管钢材应用过程中二氧化碳排放量比许多其他材料都要少，但全球钢铁生产的规模庞大，目前，钢铁行业每年的二氧化碳排放量超过300亿吨，约占世界总排放量的7%。预计未来几十年对钢铁的需求仍将继续增长，因此钢铁行业面对的碳排放挑战巨大。

1.用初级原料产钢的需求将持续

1990年以来，因为世界各国（尤其是中国和发展中国家）的钢铁产品、设备、建筑和基础设施都在增加，全球钢铁需求量翻了一番多。钢的制造原材料分为初级原料和二次原料。目前大部分的钢是通过初级原料（铁矿石）路线生产的，其第一步是冶炼或还原铁矿石。从铁矿石中将铁与氧分离需要大量的能量，而目前这些能源主要由各种形式的碳来提供，其结果就是二氧化碳的排放。

近几十年来，通过二次原料（废钢）路线生产的钢产量不断增加，该路线使用电力作为主要能源输入，以熔化废钢，这一工艺路线降低了二氧化碳排放量。尽管成熟经济体的钢材库存已趋于稳定，但发展中国家对钢铁的强劲需求仍在增长，目前废钢仅能满足全球钢铁生产中金属投入的适度份额（约22%）。不过，预计全球废钢量将增加，这将支持以废钢为基础的炼钢产量的增加。同时，当用清洁能源供应电力时，将进一步降低炼钢过程的碳强度。但是对于钢材来说，废料的获取比需求滞后几十年，这意味着直到21世纪末，世界仍将主要依赖铁矿石炼钢。

2.钢材需求增长

根据目前的消费模式，全球粗钢需求量预计将从2018年的17亿吨增加到2050年的26亿吨以上。这主要是因为发展中国家的需求持续增长，以及为支持全球能源转型而增加的钢铁需求，因为每单位可再生能源发电所需的钢材量将超过传统技术发电的用钢量。另一方面，产量的提高和循环经济的增长又可能会缓和需求的增长。

3.向低排放过渡

全球钢铁行业在应对日益增长的钢铁需求的同时面临着按照《巴黎协定》的目标减少二氧化碳排放量的挑战。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的数据，为了将全球变暖限制在2℃以下，全球需要在2070年左右达到零二氧化碳净排放；若要达到将全球变暖限制在1.5℃以下的极限值，这一日期需提前到2050年左右[2]。能源效率和钢铁生产效率的提高及社会向循环经济转变将有助于实现这一宏伟目标，这将需要整个行业从根本上过渡到低排放。

4.废钢在向低排放炼钢过渡中的作用

全球使用的大部分废钢都是通过电弧炉（EAF）直接加工成钢材的，使用电力作为主要能源输入。炼钢使用的废钢来源：一是消费前废料，由钢铁生产和钢铁产品制造中的产量损失引起；二是在使用寿命结束时回收的钢材产品，通常在产品生产后10～50年或更长时间，具体取决于应用情况。因此，废钢的可用期比钢材需求滞后几十年。

尽管预计废钢的可获得性将增长（见图2），但全球钢材需求也在增长，到2050年，废钢将只能满足不到50%的钢铁需求。随着全球生活水平的提高和基础设施的成熟，对钢材的需求终将趋于平稳。之后，将有足够的废钢来满足大部分钢材需求，从而形成一个完整的钢材循环价值链。

图2 钢材生产的2种原料路径比例

5.解决方案

要应对钢铁行业的碳挑战，需要不断提高能源效率和产量、向循环经济转型，以及采用低排放技术。

用图3来表示各种方案所能带来的二氧化碳排放减少份额。图中常规预测值表示在市场和生产工艺未产生任何变化的情况下预测出的钢材需求所带来的二氧碳排放量，其中包括了预测废钢量的增加。

图3 钢铁行业的二氧化碳排放情况预测

（1）产量提高

钢铁供应链的持续改善，特别是通过数字革命和不断发展的制造技术，将推动从粗钢生产到产品、设备、建筑和基础设施等最终钢材的产量持续提高。这将减少正常预测值情景下相同产品、设备、建筑和基础设施所需的钢产量。

（2）向循环经济转型

与常规预测方案相比，产品、设备、建筑和基础设施的设计用钢量减少将减缓钢材需求的增长速度。与常规预测方案相比，向循环经济转型——新的商业模式侧重于更大程度地共享物资、延长产品寿命和在生命末期回收再利用——也将减少对钢材的需求。

（3）能源效率提高

在过去的50年里，钢铁行业每吨钢铁的能耗降低了61%。世界钢铁协会最新研究[3]显示，能源强度有可能进一步降低15%～20%。

（4）采用低排放技术

为了实现《巴黎协定》的目标，主要钢铁生产将不得不过渡到采用低排放技术以减少铁矿石生产路线的碳排放量，这需要通过使用清洁能源、循环碳，以及继续使用化石燃料与碳捕获和储存相结合的方式。

三、低排放技术路径

1.适合初级原料炼钢的新型能源

如前文所分析，直至21世纪末钢铁生产仍将主要依靠初级来源（铁矿石）来满足需求（见图2）。近几十年来，钢铁工业在能源和生产效率方面取得了显著的改善，降低了钢铁生产的排放强度。进一步的技术创新将导致未来10年排放强度的持续降低。新型能源能够有效解决铁矿石炼钢生产路线的碳排放量问题，其包括清洁能源、循环碳、配合碳捕获和储存的化石燃料形式的新能源。

——用清洁能源作为氢气炼铁的能源，在更远的未来也可用于直接电解炼铁，以及其他低排放技术。

——循环碳能源，包括来自社会和工业的生物质和废塑料，以及农林废弃物。

——配合碳捕获和储存（CCS）的化石燃料使现有的钢铁生产工艺得以继续使用，同时将其转化为低排放途径。这一转变需要国家和区域建设必要的大型基础设施网络，以运输和储存二氧化碳。

2.使用不同新型能源的低排放技术路径

使用不同新型能源的低排放技术路径见图4，低排放技术路径说明见表1。

图4 使用不同新型能源的低排放技术路径

表1 低排放技术路径说明

四、政策分析

1.政策需求

低排放炼钢的所有技术路径都需要更高的成本，并且需要时间、投资和清洁能源基础设施。要成功过渡到低排放炼钢将需提供政策抵消更高成本，提供充足的清洁能源和财政支持以加速技术创新。

（1）确保公平竞争环境的政策

如果碳政策促使钢铁制造商采用低排放技术，将涉及到结构上更高的运营成本，那么应当通过调整绿色边界等机制使这些钢铁制造商的产品能够与高排放钢铁制造商的进口产品公平竞争。

（2）能源基础设施和按行业制定的国家和区域政策

这可能会影响绿色氢气和蓝色氢气、循环碳（生物废物、废塑料、农林残余物）和大规模碳运输和储存基础设施的可用性。

（3）引导私人和公共投资支持的政策

这将决定低排放创新项目的发展速度，同时可以评估技术的商业可行性。

2.政策情景

根据不同级别的政策承诺对钢铁行业应对碳挑战能力的影响，可划分为4种政策情景，不同政策情景对钢铁行业的影响见表2。

表2 不同政策情景对钢铁行业的影响

其带来的结果为：

——停滞：缺乏足够和负担得起的清洁能源；没有机制解决受影响国家/地区钢铁生产商在结构成本上缺乏竞争力的高风险；低排放炼钢技术发展缓慢；随着生产转向碳管制程度较低的地区，全球钢铁行业二氧化碳排放量没有明显减少；在实现《巴黎协定》目标方面取得了微不足道的全球进展。

——等待：技术取得了令人鼓舞的进展，并有可能在10～20年内进行大规模部署；但只能零星地获得负担得起的清洁能源；没有机制解决受影响国家/地区钢铁生产商在结构成本上缺乏竞争力的高风险；全球范围内，随着生产转移到碳管制较少的地区，钢铁行业二氧化碳排放量微量减少；在实现《巴黎协定》目标方面进展有限。

——区域性加速：技术取得了令人鼓舞的进展，并有可能在10～20年内进行大规模部署；支持国家/地区获得充足且负担得起的清洁能源；在气候立法更加积极的地区确保建立机制，使钢铁生产保持竞争力，例如调整绿色边界；支持国家/地区的钢铁行业二氧化碳显著减少；《巴黎协定》目标的部分全球进展。

——全球性加速：技术取得了令人鼓舞的进展，并有可能在10～20年内进行大规模部署；在全球范围内获得足够且可负担得起的清洁能源；大多数国家都制定了低碳立法，理想情况是建立一个共同的全球框架或机制，确保钢铁生产在全球保持竞争力；显著降低全球钢铁行业二氧化碳排放量；全球行业与《巴黎协定》目标一致。

3.钢铁企业的政策建议

钢铁企业应为每一个低排放技术方案分析能源、成本和基础设施需求，并且评估不同政策情景对这些技术应用速度的影响。钢铁企业应保持灵活的技术创新路线，以适应未来各种技术发展时间表、清洁能源的可获取性和政策情景。

钢铁企业应积极与客户、投资者、政策制定者和全球组织对钢铁行业的低排放炼钢前景进行沟通，包括国际钢铁协会、世界可持续发展商业委员会、国际能源协会等国际组织，以及各国各地区钢铁协会、绿色环保组织、环境委员会等，以宣传和理解政策支持对行业发展的必要性和重要性。

钢铁企业应积极参与政策制定。钢铁企业能够发起行业标准认证，认证标准包括碳排放及其他气体排放、水责任、生物多样性、人权、劳动法、当地社区、商业诚信和供应链管理等多方面的要求。钢铁企业也可积极推动产品的生命周期评价。这些认证与评价在确保产品绿色的同时，彰显出钢铁材料的优越性，促进政策向有利于钢铁行业低碳发展方向制定。

天空没有边界，未来社会将以发展、循环和可持续为主题，每个企业、行业、地区和国家都应该尽最大努力有效地为低碳世界做出有意义的贡献。○