《Energy》：Profit-driven CCS deployment in steel production processes under the dual pressure of CBAM and China's carbon market
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鋼鐵行業面臨中國碳交易市場與歐盟碳邊境調節機制的雙重政策壓力，需量化低碳轉型的經濟拐點。本研究構建融合生命周期評估與利潤最大化的技術經濟優化模型，模擬2025-2050年CCS技術采納情景，發現碳價超300元/噸且技術成本降至280元/噸（降幅40.4%）為采納閾值，短流程鋼企在180元/噸碳價時即實現盈利逆轉，且其成本優勢隨碳價上漲擴大。該成果為政企協同決策提供數據支撐。
作者：車志昌、孫靜超、程思紅、崔永康、邢毅、蘇偉
北京科技大學能源與環境工程學院，北京，100083，中國
摘要：
摘要：鋼鐵企業面臨著中國碳交易市場和歐盟碳邊境調整機制雙重監管框架帶來的日益增加的壓力。為了量化低碳轉型的經濟臨界點，本研究建立了一個結合生命周期評估與利潤最大化的技術經濟優化模型。通過模擬2025年至2050年的情況，評估了在這些協同約束下碳捕獲與儲存（CCS）技術的采用潛力。結果表明，當碳價格超過300元人民幣/噸且CCS技術成本降至280元人民幣/噸以下（降低了40.4%）時，企業開始采用CCS技術。此外，模擬還發現了一個盈利轉折點，即碳價格為180元人民幣/噸時，擁有較高短流程比例的企業能夠獲得更好的經濟效益。具體而言，隨著CCS碳價格的上漲，短流程結構的盈利優勢顯著增強。與長流程生產結構相比，短流程比例較高的結構采用CCS的意愿較低，因為其較低的碳排放減少了減排的緊迫性。這些發現為企業戰略規劃和政策調整提供了精確的數據驅動參考。
引言
《巴黎協定》設定了將全球平均氣溫升幅限制在工業化前水平以上不超過2°C的目標，同時努力將升溫幅度控制在1.5°C以內[1]。這要求世界各地的各種行業和地區更快、更全面地采取低碳措施。作為最大的工業排放源，鋼鐵行業約占全球工業二氧化碳排放量的25%[2]。2023年，中國的粗鋼產量超過了10億噸，導致總二氧化碳排放量達到2.94億噸[3]。中國發布了《鋼鐵行業碳達峰實施計劃》，對生產能力及能源消耗實施了嚴格的雙重控制[4]。同樣，歐盟推出了《凈零工業法案》，要求推廣戰略性凈零技術[5]。在這種嚴格的監管壓力下，中國建立了碳交易市場（CCTM），該市場明確將鋼鐵行業納入其中。與此同時，歐盟于2024年啟動了碳邊境調整機制（CBAM），重點關注包括鋼鐵在內的關鍵行業[6]。因此，在這些多重政策的協同影響下，評估深度脫碳技術的可行性對鋼鐵企業而言變得十分緊迫。
碳捕獲與儲存（CCS）的脫碳潛力巨大且得到廣泛認可。盡管正在探索替代原料（如非常規天然氣[7]和綠色氫氣），但CCS仍然是實現深度脫碳不可或缺的技術。國際能源署（IEA）估計，到2060年，CCS可大幅貢獻全球減排量，總捕獲量可達107億噸[8]。Fan預測到2050年，CCS可能占減排量的10%至15%[9]，而Chisalita估計累計集成容量可達94億噸[10]。具體而言，Ding指出，對于一個年捕獲能力為50萬噸的新建鋼鐵廠，其整個生命周期內的總碳減排量可達1125萬噸[11]。這種必要性凸顯了CCS在其他難以減排行業（如石油精煉[12]、[13]）中的關鍵作用。CCS技術在實現深度脫碳方面的高環境效益已得到廣泛驗證。然而，其大規模部署受到資源需求的限制。生命周期評估（LCA）研究表明，CCS系統的運行需要大量的能源和材料投入，例如溶劑再生所需的蒸汽和壓縮所需的電力[14]、[15]、[16]。這些高昂的運營成本成為商業應用的主要障礙。
先前的評估通常估計CCS的成本在每噸75美元到100美元以上，形成了一個顯著的財務基準[17]、[18]、[19]。由于高昂的經濟成本，CCS在鋼鐵行業的商業應用受到嚴重限制。根據IEA的技術評估[20]，鋼鐵行業實施CCS的總成本通常在每噸34美元到90美元以上，具體取決于技術路線。Leeson進一步報告稱，平均成本約為每噸76.6美元，上限超過119美元/噸[21]。關鍵的是，成本結構分解顯示，捕獲階段構成了主要的財務負擔，占總CCS鏈成本的60%至80%[22]。Rubin指出，這種資本密集性主要是由于從復雜工業煙氣中分離二氧化碳時所需的溶劑再生和氣體壓縮所需的大量能源所致[23]。這些成本的宏觀經濟影響深遠。Lee量化表明，如果沒有技術進步，到2050年，CCS的強制實施可能導致鋼鐵產量下降9%，GDP損失0.5%[24]。因此，Ding觀察到，中國鋼鐵行業中CCS項目的停滯主要是由于這些經濟障礙以及政策激勵不足[11]。這突顯了探索政策機制如何彌合高CCS成本與企業盈利能力之間差距的緊迫性。
對于中國鋼鐵企業而言，外部市場環境日益受到中國碳交易市場（CCTM）[25]和歐盟碳邊境調整機制（CBAM）[26]的雙重影響。從理論上講，CCTM作為一種基于市場的工具，有助于內部化環境成本。Zhu提供了企業層面的證據，表明這一機制使受監管企業的低碳創新（如CCS技術）增加了5-10%，從而成為技術升級的可衡量驅動力[27]。從根本上說，這一機制的有效性取決于碳價格，而碳價格由政策約束的配額供應與排放覆蓋需求之間的市場均衡決定[28]。正如Tang所指出的，碳價格是這一交易系統中的決定性因素[29]。自2021年7月中國國家市場正式啟動以來，初始價格為每噸48元人民幣，許多專家預測了價格走勢[30]、[31]，一致認為碳價格對政策調整非常敏感。關于未來預測，Liu基于2019年的中國碳價格調查，預計到2030年碳價格將達到每噸116元人民幣，并在2050年上升至每噸186元人民幣[32]。雖然文獻建議碳價格應與CCS等技術的減排成本相匹配以實現經濟可行性[33]、[34]，但實際情況存在顯著差異：當前的碳價格遠低于前述CCS系統的總平準化成本[35]。這一國內價格水平與國際市場環境形成對比。世界銀行的數據表明，歐盟排放交易系統（EU ETS）的碳價格一直高于中國[36]。鑒于鋼鐵生產的碳排放強度因地區經濟發展階段不同而有所差異[37]、[38]、[39]，歐盟提出了CBAM，通過對進口產品征收碳關稅來緩解“碳泄漏”。這一機制的影響深遠。Zhang開發了一個動態多目標優化模型來評估CBAM對綠色發展的影響[40]。Sabyrbekov分析了該政策的國際地緣政治支持[41]。Clora強調了其與國際貿易規則的兼容性不確定性[42]。關鍵的是，這一政策與CCTM的協同作用可能間接重塑鋼鐵行業中CCS的采用情況[43]、[44]。然而，盡管這些雙重政策具有潛力，但缺乏將這些復雜政策約束與利潤驅動模型相結合的研究，以確定不同鋼鐵生產路線中CCS應用的具體臨界點。
為了解決上述研究空白，本文建立了一個基于鋼鐵企業利潤最大化視角的全面技術經濟優化模型。通過將CCS的生命周期成本與不同生產路線的具體碳排放特征相結合，該模型模擬了2025年至2050年在CCTM和CBAM協同約束下CCS部署的經濟可行性。本研究的主要貢獻在于將雙重政策驅動因素與企業財務決策相結合。具體而言，它量化了這些政策約束對企業盈利能力的動態影響，確定了觸發自愿采用CCS所需的具體碳價格閾值和技術成本降低幅度。此外，它還為具有不同生產結構的企業提出了優化的低碳轉型策略。這些發現為企業戰略規劃和政策調整提供了數據驅動的參考。
本文的其余部分安排如下：第2節詳細介紹了方法、模型構建和邊界條件。第3節描述了數據來源和情景假設。第4節展示了模擬結果和討論。最后，第5節總結了主要結論和啟示。
方法
在歐盟CBAM政策和鋼鐵行業納入CCTM的背景下，本文建立了一個基于鋼鐵企業碳排放和運營利潤的綜合性分析模型。整個研究框架如圖1所示。該框架整合了三個核心分析模塊，以探討2025年至2050年CCS技術的發展趨勢和應用可行性。首先，采用生命周期評估方法來量化凈
數據來源和假設
本研究采用了一個典型的碳捕獲與儲存（CCS）系統和一個鋼鐵生產系統。本文討論的鋼鐵企業是中國北方的一家典型鋼鐵公司，年生產能力為100萬噸，其中約10%的產品出口到歐盟。所使用的CCS技術是一種成本效益較高的胺吸收碳捕獲技術。本文使用的碳交易數據來源于中國碳交易的公開信息
研究對象和碳排放
本研究的研究范圍涵蓋了包括長流程和短流程在內的全面鋼鐵生產過程。它包括焦化、燒結、高爐操作、轉爐工藝、電弧爐、連續鑄造和軋制以及鋼鐵廠的自有發電廠等階段，所有這些環節都可能產生大氣污染物和二氧化碳排放。圖2提供了鋼鐵生產過程中物質和能量流動的示意圖
結論
本研究調查了鋼鐵企業在雙重監管框架下的盈利能力，并量化了利潤驅動型CCS部署的經濟臨界點。通過建立全面的技術經濟優化模型，評估了2025年至2050年間政策驅動因素、生產結構和技術成本之間的動態互動。
CRediT作者貢獻聲明
程思紅：方法論、數據整理。蘇偉：寫作——審稿與編輯、調查。崔永康：寫作——初稿撰寫、可視化。邢毅：資金籌集。車志昌：寫作——初稿撰寫、監督、軟件開發、項目管理、方法論、調查、數據分析、概念化。孫靜超：項目管理、方法論、數據整理
利益沖突聲明
作者聲明他們與本研究無任何利益沖突。
致謝
作者感謝國家自然科學基金（52330003）提供的財政支持。
