清华大学：中国钢铁行业碳捕集与封存技术远期部署策略

钢铁行业是清华期部社会经济的支柱产业之一，贡献了全球约7%的大学碳排放，其脱碳对于实现《巴黎协定》设定的中国1.5℃温升目标及国家碳中和目标至关重要。传统的钢铁流程改造和能效提升等措施难以彻底消除钢铁行业的碳排放，因此，行业碳捕集与封存技术对于钢铁行业碳中和目标的碳捕达成不可或缺。该技术涉及碳排放点源与地质封存地点的集封空间匹配，需要精准预测源与汇的存技空间分布及二氧化碳的排放/消纳能力，从而实现技术的术远署策科学部署。然而，清华期部由于当前技术成本高昂，大学碳捕集与封存技术短期内难以实现大规模部署，中国更多地被视作远期碳中和目标阶段的钢铁关键措施。在此期间，行业钢铁行业预计将经历深度绿色转型，碳捕其他措施如电气化、短流程炼钢等将广泛应用，对行业碳排放源的空间分布和碳排放水平产生深刻影响。因此，有必要将钢铁行业的长期转型纳入碳捕集与封存技术的部署决策中。

为解决上述问题，温宗国教授团队建立了综合评估框架预测中国钢铁行业截至2060年的脱碳转型路线图，综合考虑6类主要脱碳措施，并将预测结果作为碳排放点源的模拟依据。此外，团队整合了关键油田、盆地等二氧化碳适宜封存地点，开发碳捕集与封存技术源汇匹配模型，以优化不同钢铁产量规模下的技术部署方案；基于最优方案，评估碳捕集与封存技术部署的经济成本及能水资源消耗，识别技术推广的主要障碍。该研究为碳捕集与封存技术的推广提供了有效支撑，助力钢铁及其他难减排行业实现远期碳中和目标。

图1. 研究框架

基于团队建立的研究框架，该研究实现了中国钢铁行业排放源的远期高分辨率模拟，并开发了碳捕集与封存技术的源-汇匹配模型以优化技术部署方案。结果显示，碳捕集与封存技术对于中国钢铁行业实现远期碳中和目标至关重要：预计到2060年，该技术可实现每年4.72-6.10亿吨的碳减排潜力。建议在华北及华东地区的钢铁企业重点部署。

图2. 中国钢铁行业碳捕集与封存技术的最优部署方案（a-c 碳捕集与封存技术在高、中、低钢铁产量情景下的空间部署方案；d-f 分排放量水平的钢铁企业部署情况）

该研究评估了我国钢铁行业碳捕集与封存技术部署方案的经济成本及能源、水资源消耗。结果表明，到2060年，中国钢铁行业部署碳捕集与封存技术的平准化减排成本为187.4-193.5元每吨二氧化碳，预计随着碳排放权交易价格的上升而具备成本竞争力。然而，技术部署将导致中国钢铁行业的能耗及水资源消耗分别增加21.7-22.4%和30.9-33.3%。需注意技术部署对重点地区（如河北省）造成的潜在资源短缺风险。

图3. 中国钢铁行业碳捕集与封存技术部署的能源与水资源消耗（a-b 总能源与水资源消耗量及其组成（碳捕集、碳运输、碳封存与驱水回收）；c-d 分省及分地点的能源与水资源消耗）

该研究提出的方法适用于钢铁及其他难减排行业，通过“行业减排路径预测-碳排放源模拟-源汇匹配”框架，识别应优先部署碳捕集与封存技术的排放源及对应的封存点。整合各行业的结果，可形成国家或区域层面的碳捕集与封存技术部署方案，支撑该技术在全国范围内的应用，最终推动难减排行业实现远期碳中和目标。

相关研究成果以“中国钢铁行业低碳转型中的碳捕集与封存技术远期部署策略” （Long-term transformation in China’s steel sector for carbon capture and storage technology deployment）为题于5月7日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。环境学院2022届毕业生王奕涵为第一作者，温宗国教授为共同第一及通讯作者，环境学院2021级博士研究生许毛和2021届硕士毕业生丁加对该研究亦有重要贡献。研究得到国家自然科学基金委员会专项项目、新基石科学基金会科学探索奖研究项目的支持。

(责任编辑：娱乐)