1 引言
工业领域占美国温室气体排放量的近四分之一，位列第三，仅次于交通运输和发电领域。美国能源信息署预测，随着电力部门部署更多可再生能源发电设施，温室气体工业排放量可能超过发电排放量。与此同时，工业领域也可能将部分工艺流程电气化。钢铁工业面临重大挑战。美国钢铁产量约占金属总产量的95%，其二氧化碳排放量占美国工业总排放量的10%。此外，美国是全球第四大钢铁生产国，仅次于中国、印度和日本，但全球仅有4%的钢铁产自美国。尽管美国在全球钢铁产量中占比较小，但美国必须降低国内生产排放以实现净零目标。受可再生能源基础设施材料需求推动，预计美国国内钢铁需求将增长，这进一步强调了该行业脱碳的重要性。
在本研究中，模拟了在全经济范围净零排放目标背景下美国钢铁生产的脱碳路径。大量研究探讨钢铁生产的脱碳问题，但很少有关注该行业在更广泛能源经济体系中的脱碳路径。特别是，现有文献主要关注氢基直接还原铁的生产，但这些研究在很大程度上没有考虑电或氢的潜在竞争性用途。这一逻辑在Shafiee与Schrag的研究中得到了佐证。该研究指出，氢能在净零转型中的应用范围可能远没有传统观点设想的那么广泛。因此，在推进全经济领域脱碳的背景下，探索钢铁制造业及其他难减排行业的深度脱碳路径至关重要。全球范围内，大多数钢材产自综合钢厂，其生产过程包含三个主要的高排放环节：炼焦、炼铁和炼钢。具体流程为：煤炭在隔绝氧气的环境中经高温加热制成焦炭，随后焦炭与铁矿石、石灰石共同投入高炉冶炼生成铁水。铁水经转运进入氧气顶吹转炉，与废钢混合进行精炼。然后，加入氧气以除去碳和杂质，产生钢水。整个工艺流程合计产生约2200kgCO2/t钢，其中主要由高炉排放。高炉工艺的脱碳尤为困难，因为其依赖碳元素实现铁矿石的化学还原反应。尽管全球范围内综合钢厂是钢铁生产的主流工艺路线，但其在美国钢铁产量中的占比仅约30%。在美国，约70%的钢铁产自电弧炉，且有预测表明全球范围内最早至2050年，电弧炉钢占比可达50%。电弧炉可熔炼废钢、直接还原铁或两者结合。直接还原铁通过将团块铁矿加入回转窑或竖炉，并添加还原剂进行还原反应制得。当前美国多数直接还原铁装置以天然气作为热源兼还原剂，但也可使用氢气。直接还原铁通常与废钢按目标钢材纯度要求配比入炉，废钢本身提供碳源，若需补充碳元素，则向电弧炉添加含碳添加剂。该工艺排放强度主要取决于原料结构及电力碳强度，吨钢排放范围达420-1950kgCO2。相较之下，全废钢冶炼不仅能耗更低，其碳排放量也远低于大量使用直接还原铁的冶炼工艺路线。
高炉-转炉长流程工艺中，碳捕集技术是当前广受研究的脱碳方案。尽管碳捕集技术尚未在高炉领域实现应用，但其在其他工业领域已取得显著成效。Tata钢铁已在高炉上安装了碳捕集装置；而ArcelorMittal正在设计建设一套可捕获高炉煤气中50%-70%二氧化碳的碳捕集系统。国际能源署将高炉煤气碳捕集技术的重要性认定为“极高”，这对实现全球净零排放目标具有关键意义。
以零碳电力驱动的全废钢电弧炉冶炼工艺可实现趋零排放。理论上高质废钢能减少直接还原铁需求，但废钢资源总量有限，且杂质会在循环过程中不断富集。迄今全球仅有两座工业级直接还原铁冶炼基地应用碳捕集技术。值得注意的是，氢基直接还原铁技术正获得钢铁企业、研究机构的重点关注，使用绿氢配合零碳电力的电弧炉冶炼，可将钢铁生产排放降至趋零水平。
创新型钢铁冶炼技术不断涌现。熔融氧化物电解工艺通过向液态氧化铁施加电流，直接分解产生液态铁与纯氧。尽管该技术尚未通过商业化规模验证，但初创企业Boston Metal计划2024年前建成示范工厂，并力争2026年实现工业化应用。采用零碳电力的熔融氧化物电解炼钢工艺虽可实现趋零排放，但Boston Metal的设计方案仍需消耗少量天然气满足工艺辅助用能。该工艺仍将残留部分化学过程排放（约80kgCO2/t钢）。
本研究通过建模模拟了多组不同技术成熟度脱碳方案。据国际能源署评估：天然气基直接还原铁掺混氢气方案技术成熟度为7级；纯氢基直接还原铁技术成熟度为5级；碳捕集型直接还原铁技术成熟度达9级。熔融氧化物电解与电解沉积等电解冶炼技术成熟度预估为4级。鉴于电解沉积虽与熔融氧化物电解工艺原理不同，但二者均需高昂前期资本投入及巨量电力消耗，在相同模型条件下将呈现相似部署特征，故仅选取熔融氧化物电解作为建模对象。
学术界及政府机构、行业专家发布的诸多报告深入探讨了钢铁行业未来脱碳路径。美国能源部已发布多份工业脱碳专题报告，主要强调：要实现钢铁生产的趋零温室气体排放，必须采用多元化解决方案，包括能效提升、氢基直接还原铁、碳捕集与封存技术、以及工业过程电气化。这些技术的规模化应用均需以工业级示范项目推进与技术突破为前提。
当前多数研究聚焦于单一钢铁脱碳技术的技术经济分析，但少有研究能在全能源系统框架下对钢铁行业脱碳路径进行系统性建模。技术经济深度分析的代表性案例可见Elsheikh与Eveloy的研究：该团队基于五类差异化电力特征区域，对可再生能源驱动的氢基直接还原铁进行建模。分析表明，相较传统天然气基直接还原铁炼钢，仅需增加10%成本即可实现70%的减排效果。Rosner团队的技术经济分析揭示了氢基直接还原铁与天然气竞争所需的价格拐点：当绿氢价格降至1.63-1.70美元/千克时方可实现成本对标。核心脱碳路径（电力/氢能/碳捕集）的可行性，本质上取决于钢铁行业在终端应用领域的资源竞争力，这对于氢能尤为关键：作为普适性脱碳策略的氢能，当前面临绿氢产能不足的制约，其跨部门协同减排的最优应用场景仍存在不确定性。
能源系统优化模型是模拟未来脱碳路径的重要工具。该类模型基于技术参数（投资运营成本、排放因子、能耗水平及使用寿命）模拟技术部署路径，通过优化全经济系统成本实现能源经济系统的协同运行。然而，现有模型既未能精准捕捉钢铁生产技术的工艺细节，也难以支撑深度减排目标的路径推演。
本研究采用全经济系统优化模型Temoa，在美国整体脱碳政策框架下，模拟美国钢铁行业的多维脱碳路径（涵盖氢基直接还原铁、碳捕集及熔融氧化物电解技术）。主要探究以下3种问题：①通胀削减法案条款如何影响钢铁脱碳技术部署的机制；②何种钢铁脱碳技术有助于最小成本净零排放能源系统；③量化特定技术可用性对钢铁行业全经济系统脱碳贡献率的影响规律。
2 材料和方法
2.1 模型和数据库
本研究采用自下而上式、开源能源系统优化模型，能源模型优化与分析工具对美国能源系统进行动态模拟。此类模型需输入涵盖全能源经济领域技术的详细技术经济参数，其目标函数致力于最小化能源系统运行成本的全生命周期现值。模型核算成本包括能源转换技术的燃料成本、投资成本、固定运维成本及变动运维成本。同类建模工具还包括MARKAL/TIMES模型、OSeMOSYS及MESSAGE。
分析采用的数据库将美国能源系统划分为六大领域：发电、燃料供应、交通运输、商业建筑、住宅建筑及重工业。模型将美国本土划分为九大区域，时间跨度覆盖2020至2050年（以五年为周期阶梯递进）。该模型采用近视化优化求解策略，即在单周期内进行成本优化时，不预判未来年度的约束条件、技术可行性及成本变动。这种近视化求解机制可实现能源系统更高精度的建模表征。
该数据库包含整个能源系统中各项技术的详细技术经济特性表征。模拟了以下制氢途径：带碳捕获和不带碳捕获的蒸汽甲烷重整、电解水制氢以及结合碳捕获的生物质能制氢。对于大多数燃料，使用年度能源展望中关于化石燃料价格的外生预测；但Temoa模型内生计算电力价格，生物质成本则基于供应曲线获得。本研究还模拟了两种二氧化碳移除技术。
2.2 钢铁行业建模方案
本研究从美国能源部发布的美国钢铁制造业能源使用与潜在节能机会能效潜力研究报告中获取了焦炉、高炉、转炉、电弧炉以及直接还原铁生产过程的能耗数据。依据全球能源监测的钢铁厂追踪数据库，描述了现有钢铁设施的年限、产能及其地理位置信息。相关碳捕获参数取自Panja等人的研究，并假设直接还原铁工艺的捕获率为90%，高炉工艺的捕获率为65%。对于需要非能源原料的生产工艺，其可变运营成本中包含了原料成本。除了钢铁生产技术本身，本研究还表征了焦炭生产过程、钢水浇铸以及热轧和冷轧环节的二氧化碳排放与能源消耗。由于Temoa并非全生命周期模型，其系统边界不包括采矿、运输或更下游的加工环节。假设所有粗钢均经过热轧处理，且其中30%的热轧钢会进行冷轧加工。
本研究从2020年至2050年从普林斯顿大学的零净美国报告中得到了钢铁需求。据悉，目前不存在区域或州级开源的钢铁需求数据。因此，尽管Temoa模型中其他所有需求均已区域化，本研究仅对国家层面的钢铁总需求进行建模。实际操作中，这意味着钢铁可以在美国任何地方生产以满足全国总需求。若未来可获得分区域数据，此建模方案将进行相应更新。基于历史平均消费量，将废钢年消耗量限制在5500万公吨。
2.3 通胀削减法案政策建模框架
通胀削减法案彻底改变了美国的能源政策格局。其中与本研究最相关的条款是清洁氢生产税收抵免和碳捕获税收抵免。本研究还模拟了针对新建可再生能源发电的生产税收抵免和投资税收抵免、针对现有核能发电的生产税收抵免，以及零排放乘用车和商用车的税收抵免政策。虽然这些政策并非直接针对工业领域，但针对经济中某一领域的政策仍可能影响钢铁生产。
2.4 情景概览
本研究模拟了多种情景，以探究不同钢铁脱碳技术路径的成本与排放影响。首先，建立了一个现行政策情景，随后，模拟了多个覆盖整个经济体系的二氧化碳当量净零排放情景。Temoa模型核算了整个能源系统的二氧化碳排放，以及天然气系统上游甲烷泄漏所产生的排放。严格区分“零排放”与“净零排放”：净零排放允许存在正排放，只要这些排放能被碳移除技术所抵消，这些技术包括碳捕集与封存的生物质能或直接空气捕集。在每一个净零排放情景中，设定强制性约束，要求排放量从2020年水平开始线性递减，至2050年实现净零排放目标。
第一个净零排放情景允许使用所有可行的钢铁生产技术方案。接下来，测试了三种情景，限制使用不同的脱碳技术方案，以探究在特定技术受限或未能按预期成熟时的影响机制。考察了高炉不允许应用碳捕集技术情景；高炉和直接还原铁生产均不允许应用碳捕集技术情景；钢铁行业既不允许应用碳捕集，也不允许应用材料或能源替代情景；不限制可用废钢供应量情景；以及废钢供应量受到限制，低于历史可用量水平情景。最后，通过禁用生物质能碳捕集与封存技术来强制推动更直接的脱碳路径。在此情景下，本研究还规定在2040年前禁止使用直接空气捕集，但允许在2045年和2050年有限度地应用直接空气捕集。这是因为在当前Temoa模型中，若完全不采用任何二氧化碳移除技术，整个能源系统实现净零排放是不可行的。
3 结果和讨论
3.1 钢铁行业生产
图1展示了模拟情景下的钢铁产量。在当前的政策中，该模型在早期对部分高炉产能部署了碳捕集技术。在这种情况下，未配备碳捕集技术的天然气基直接还原铁-电弧炉年产量将扩大至400万吨，接近钢铁总产量的5%。
在大多数净零排放情景中，废钢电弧炉和高炉+碳捕集转炉技术在整个分析周期内主导钢铁生产，其他技术仅贡献少量产量。该模型还包含限制氢基设施部署速度的约束条件。因此，氢能将优先分配到能创造最大成本优势的领域。而剩余氢能将以较低比例渗透到其他经济领域。
研究结果表明，在当前成本假设且所有技术均可用的条件下，在全经济体系净零排放约束下，直接还原铁并非最具成本效益的选择。尽管高炉配备碳捕集技术仍存在残留排放，模型仍判定该路径成本最低。在高炉或直接还原铁无法应用碳捕集的情景中，模型将转向熔融氧化物电解和氢基直接还原铁。除非氢基直接还原铁成为唯一可用的脱碳选项（即无碳捕集、无熔融氧化物电解），否则模型不会大规模采用该技术。需要强调的是，Temoa模型框架假设存在中央决策者对整个能源系统进行优化决策。而现实中，众多市场主体将自主制定脱碳策略并参与多元市场，因此钢铁企业可能面临鼓励部署氢基直接还原铁的金融环境。图2展示了按成本构成分解的钢铁生产成本，量化了驱动脱碳技术应用的经济因素。该图揭示：电力、天然气、废钢及其他可变成本（主要为原料成本）构成绝对主导，其规模远超新建设施的固定成本与其他投资成本。
在模型的时间跨度内，实现最低成本的净零排放情景下，钢铁生产成本较现行政策情景高出约7%，相当于2020年美国国内生产总值的0.15%。而在成本最高的净零排放情景中，钢铁生产成本比现行政策情景增加约20%。
图3（a）展示了模型时间跨度内钢铁生产的累计温室气体排放情况。在所有情景中，天然气燃烧产生的直接排放均占据最大份额。值得注意的是，超过50%的排放属于非天然气类直接排放，具体包括：焦炭燃烧、石灰石/熔剂分解、以及氧气将碳氧化为二氧化碳的工艺排放。在采用氢能炼钢的净零情景中，氢气本身不产生排放，因其通过零排放电解或生物能碳捕集制氢工艺生产。所有净零情景下钢铁排放均显著下降，但未能完全归零。图3（b）展示了2050年整个经济体的排放量，以将钢铁排放量置于更广泛的经济体中，突显生物能碳捕集受限，直接空气捕集情景实现的直接减排成效。
图4展示了2050年的氢气消耗量。氢主要用于重型燃料电池车辆，工业过程供热，以及航空，航运，商业和住宅建筑的合成燃料。在生物能源碳捕集和直接空气捕集部署受限的情况下，该模型产生的氢气比其他净零情况下更多，大部分额外的氢气用于工业过程加热或燃烧发电。
3.2 绿氢直接还原铁技术推广
鉴于氢基直接还原铁作为钢铁生产脱碳关键技术日益受到关注，本研究模拟了针对100%绿氢直接还原铁工艺制定的绿钢生产税收抵免政策。这些模拟设定每吨钢材100-400美元不等的抵免额度，分析Temoa模型选择部署氢基直接还原铁作为脱碳策略的临界条件。该税收激励政策在整个模型周期内持续有效。
当每吨100-200美元的绿钢税收抵免与通胀削减法案的绿氢税收抵免叠加时，氢基直接还原铁技术在2025-2039年间实现规模化应用。然而在此抵免额度下，随着法案税收优惠到期，氢基直接还原铁+电弧炉工艺的年产量占比将萎缩至不足5%。该情景设定存在现实局限性，钢铁企业通常不会在设备经济使用寿命结束前废弃直接还原铁装置；若缺乏持续激励政策推动零排放氢能应用，企业更可能转而采用蒸汽甲烷重整制氢或天然气。
通胀削减法案可能通过规模效应和技术学习降低氢基技术成本，但若缺乏持续政策支持或显著成本削减，这些技术仍可能失去成本竞争力。研究结果强调：在通胀削减法案政策之外仍需清洁技术扶持机制，且需深入分析该法案的长期效应。当税收抵免额达到300美元/吨时，模型开始稳定采用氢基直接还原铁技术；而只有当抵免额提升至400美元/吨时，氢基直接还原铁才成为主导路径，该额度相当于2023年二季度钢材均价的60.8%，属于高额补贴。
4 结论
氢能作为多行业脱碳的潜在战略载体，其应用场景包括：驱动燃料电池车辆、制备合成燃料、作为天然气掺混组分以及燃烧发电。当前制氢过程成本高昂且能耗密集，引发关键问题：在实现全经济体系净零温室气体排放目标时，氢能的最优部署领域是什么？经济系统建模显示，氢基直接还原铁并非优先方案，氢能资源将优先配置于交通运输部门及工业过程供热及锅炉领域。
为评估绿钢生产税收抵免对氢基直接还原铁经济性推广的激励效能，模拟了基于零排放电力制氢工艺、每吨钢材100-400美元的补贴方案。当抵免额度为100美元/吨时，通胀削减法案有效期内可驱动模型部署氢基直接还原铁。此结论揭示了氢基技术持续政策扶持的必要性，以及深化研究通胀削减法案长期技术学习率影响的迫切需求。
在全经济体系净零排放约束条件下，2020至2050年间钢铁行业年温室气体排放量下降约60%，这揭示了实现整体能源经济净零目标与单一行业深度脱碳之间的本质性矛盾。尽管发电等部分行业可实现完全脱碳，但研究证明：通过碳移除技术抵消部分钢铁排放具有成本优势。本研究揭示了氢能助力美国钢铁行业脱碳的实施条件：基于当前参数设定，需300美元/吨钢材以上的生产税收抵免方可推动氢基直接还原铁大规模部署。
此外，虽然全经济模型能够为钢铁行业脱碳提供系统级分析，但本研究方法存在若干局限：技术细节简化，在全经济模型中模拟技术细节需进行简化假设以降低计算需求。尽管技术经济参数来源于行业和文献资料，但钢铁技术经济性会因地方层级差异、部署时间点和工厂规模而变动，而本模型仅聚焦美国整体层面。关键技术成本不确定性：熔融氧化物电解及电解制氢技术成本轨迹存在显著不确定性，碳捕集与封存成本同样不确定（尤其缺乏大规模部署验证）。基于美国地质调查局数据估算的地质封存总量存在精度局限，气态封存的长期稳定性仍不明确。未来研究需对这些不确定性展开深度探究。
尽管仍需深入研究，但研究结果对以下观点提出了挑战：从整个经济体系的角度考量氢气的替代用途时，氢基直接还原技术能为美国钢铁行业提供最具成本效益的脱碳解决方案。本研究表明，尽管氢基直接还原铁技术获得了大量关注和资金投入，但除非出现重大技术突破与成本下降、其他脱碳方案表现不佳、无法实施或出现变革性技术实现其他行业脱碳从而释放绿氢资源用于直接还原铁工艺，否则该技术可能并非实现2050年全经济体系净零排放的最低成本路径。研究结果预示，除非成本发生重大变化，否则碳捕集与封存技术在脱碳综合炼钢工艺中将扮演重要角色；若高炉碳捕集因既有工厂布局和配置的困难而被证明不可行，则配备碳捕集的天然气直接还原铁也可能发挥重要作用。仅当碳捕集技术不可用且废钢供应受限时，本研究预测氢气在美国直接还原铁生产中会占据主导地位，而这种情况可能限制钢铁行业在实现美国本世纪中叶净零目标中的作用。
