钢铁行业是重要的碳排放来源，也是公认的“难减排“行业，实现”一厂一策”靶向治理，推进深度脱碳技术的使用，是实现全球钢铁行业低碳转型的关键。《自然》发表的一项最新研究Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways发现，及时低碳改造和推广如CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）等深度减碳技术是实现全球钢铁工业大规模减排的关键。从2020年到2050年，如果按照历史方式运营，全球钢铁工业的累积二氧化碳排放将高达1063亿吨。提前采用低碳技术进行低碳改造，将极大的减少现有钢铁厂的剩余碳排放量（碳锁定），在提前5年低碳改造情景下，累积排放可以压缩到368亿吨，为气候目标下的剩余碳预算节省了更多的排放空间。这一项研究自主研发了全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，并在此基础上，从设施层面，详细剖析了全球钢铁行业碳排放模式，构建了全球钢铁行业逐厂级脱碳策略，强调了”因地制宜”靶向性治理对全球钢铁行业低碳转型的重要意义，可为钢铁行业实现零碳未来和可持续发展注入动力。
钢铁行业二氧化碳排放量约占全球工业排放总量的25%，是工业部门中碳排放最高的行业。巴黎协定将本世纪末气候变暖的目标限制在2°C以内。为达到该目标，钢铁行业亟需实现大规模低碳转型。近几十年来，城市化和工业化进程导致全球钢铁需求激增，推动全球范围内新建大量钢铁生产设施，对全球钢铁行业减排带来巨大挑战。目前钢铁行业排放主要来自于长流程炼钢工艺，其工序繁复，涉及多个排放环节，减排技术尚不成熟。因此，钢铁行业是公认的最难减排部门之一，其排放特征及减排路径是碳中和研究领域高度关注的前沿问题。此外，钢铁行业因其能源供应、生产工艺和经济需求的复杂多样性，不存在简单、统一、普适的减排模式。然而，如何将区域和全行业的减排目标落实到工厂层面尚未明确，充分考虑全球钢铁厂运营特点和排放特征的异质性，提出定制化低碳发展路径，对于实现钢铁行业高效、精准减碳发展十分关键。
基于以上问题，清华大学关大博课题组搜集整理了包含炼焦、烧结、球团、炼铁和炼钢等主要工序的全球钢铁行业设施级别基础信息，在此基础上构建基于生产过程和运营模式的排放表征算法，建立了包含全球4,883家钢铁厂，共计19,678个生产机组的全球钢铁行业碳排放数据库，将全球钢铁排放表征能力从区域和行业尺度提升到单个设施和工序尺度。从设施层面出发，详细剖析了全球钢铁行业碳排放特征，分析了生产流程、运营状态、年龄结构等对钢铁厂二氧化碳排放潜力的影响，并综合考虑设施特征、低碳技术发展、钢铁需求的变迁与相关气候目标，构建了全球钢铁行业工厂级脱碳策略，逐厂精细化评估了在2020-2050年期间，不同低碳发展方案下全球钢铁厂的减排潜力，提出了高度差异化的全球钢铁行业碳中和路径。
研究结果表明，（一）全球不同国家的钢铁行业设施在规模、技术、服役年限和碳排放方面存在巨大差异。例如，中国以煤基高炉-转炉（Coal BF-BOF）为主，平均碳排放强度约为1.6（t CO2/t粗钢，下同），低于全球平均水平（1.7）；而印度钢铁行业主要以煤基高炉-转炉和煤基直接还原工艺（Coal-based DRI）为主，平均碳排放强度分别为2.3和2.7。煤基钢铁厂是全球钢铁工业最大二氧化碳排放者，贡献了总排放量的75%（图1）。（二）改造现有钢铁厂已经成为提高效率、延长服役寿命、推动钢铁行业发展的关键策略。全球约有43%的钢铁厂通过升级装置，整合新技术进行了改造，其改造频率取决于所采用的技术和设备的老化程度，但通常在服役15至25年间进行（即改造窗口期）。由于钢铁行业的发展和当地经济状况密切交织，不同地区钢铁厂改造窗口期各不相同（图2）。（三）及时低碳改造和推广如CCUS等深度减碳技术是实现全球钢铁工业大规模减排的关键。从2020年到2050年，在推迟5年改造低碳情景下，钢铁厂的剩余累积二氧化碳排放仍将高达572亿吨，几乎耗尽了国际能源署（International Energy Agency，简称IEA）根据可持续发展情景计算出的全球铁钢工业的606亿吨剩余碳预算，对实现《巴黎协定》下1.5°C温控目标构成潜在威胁。相比之下，如果提前采用低碳技术进行低碳改造，将极大的减少现有钢铁厂的剩余碳排放量（碳锁定），增大其碳减排潜力，在提前5年低碳改造情景下，2020年至2050年钢铁厂的累积排放在提前5年改造低碳情景下可以压缩到368亿吨，进一步减少了约55%的累计碳排放量（图3）。煤基高炉-转炉综合钢铁厂将是钢铁工业最重要的减排贡献者，可贡献2020~2050年间全球减排量的74%左右。由于钢铁厂的生产流程、服役年限等运营特点的差异及其所在地区经济和钢铁工艺发展阶段的不同，每个钢铁厂都有各自适应的低碳改造方案。
本研究的结果为开展钢铁行业碳排放核算、减排技术潜力评估、减排成本效益分析等相关研究工作提供数据基础，为未来精准减少钢铁厂的二氧化碳排放，制定全球钢铁行业减排路线图，投资低碳钢铁冶炼技术提供了科学依据。研究结果强调，"一刀切 "的方法不足以实现钢铁行业的去碳化。及时推进“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，钢铁行业的净零碳转型，离不开每个工厂的努力。
图1 2019年全球钢铁厂分布及其生产流程（17种）和二氧化碳排放量。(a)，全球4883家钢铁厂的位置、加工路线和二氧化碳排放量。(b)–(f)，位于美国(b)、中国(c)、日本(d)、欧洲(e)、印度和伊朗(f)的钢铁厂。钢铁厂按钢铁加工路线分为17类，按2019年二氧化碳排放量分为3类（≤15百万吨、≤30百万吨、≤44百万吨）。点的颜色表示加工路线，点的大小表示二氧化碳排放量。
图2 2019年全球钢铁厂二氧化碳排放量和产量的地区分布、年龄和运营年数结构。a图，d图表示粗钢和生铁产量的运营年数分布，煤基/木炭钢铁厂(a)和其他类型钢铁厂(d)。b图，c图表示钢铁厂二氧化碳排放量的地区分布、年龄和运营年数结构，煤基/木炭的钢铁厂(b)和其他类型的钢铁厂(c)。条形图的颜色代表钢铁厂所处的区域，色调的变化代表了相应区域内钢铁厂的改造情况，从亮（“已改造的钢铁厂”）到暗（“未改造的钢铁厂”）。该图仅涵盖3184家投产时间已知的钢铁厂的二氧化碳排放量，而其余1717家钢铁厂（约占粗钢总产能的12.2%）由于投产年份信息未知，未考虑其排放分布。在本研究中，0年意味着相关钢铁厂从2019年开始运营。
图3 2020-2050年2℃和1.5℃气候目标下的剩余二氧化碳排放预算以及不同情景下钢铁厂的累积二氧化碳排放量。a图, b图, c图, d图分别对照2℃和1.5℃气候目标下的年度净二氧化碳排放范围，钢铁厂在“延迟5年低碳改造”情景(a)、“默认低碳改造”情景(b)、“提前5年低碳改造” 情景(c)、“提前5年CCUS+氢基低碳改造”情景(d)下的年度二氧化碳排放趋势。浅绿色和浅紫色区域分别代表2℃和1.5℃气候目标下各类情景的剩余二氧化碳排放预算的10%和90%四分位数。绿线和紫线分别显示了本世纪末将全球升温限制在2℃和1.5℃以下的所有路径中二氧化碳净排放量的中值。煤基/木炭钢铁厂的二氧化碳排放量以较浅阴影显示，所有钢铁厂的总二氧化碳排放量以较深阴影显示。各个子图中的数字显示了2020年至2050年各情景下的累计二氧化碳排放总量。
