□ 代銘玉

一、材料的未來(lái)

1. 世界材料挑戰(zhàn)

我們的世界及我們的生活方式，都是在使用各種材料的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。所有制造這些材料的行業(yè)都面臨著同樣的問(wèn)題——滿足全球日益增長(zhǎng)的人口的需求，同時(shí)顯著降低其對(duì)氣候的影響。

在過(guò)去30年中，全球材料消費(fèi)顯著增長(zhǎng)，并對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了推動(dòng)作用，使超過(guò)10億人擺脫了貧困。今天，全球主要材料（水泥、鋼鐵、鋁、其他金屬、塑料和纖維、玻璃、磚塊、紙板和紙張）的生產(chǎn)排放占全球二氧化碳排放量的19%以上。這些排放主要來(lái)自于使用以化石燃料為基礎(chǔ)的能源將初級(jí)原料轉(zhuǎn)化為我們使用的材料（鐵礦石、鋁礬土、塑料等）。二次原料（即在其壽命結(jié)束時(shí)回收再利用的材料）在今天的材料生產(chǎn)中所占的比例很小，這主要是因?yàn)椴牧闲枨蟮膹?qiáng)勁增長(zhǎng)超過(guò)了可回收的存量，同時(shí)也是因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料不能完全回收，但是鋼材是例外。

隨著新興經(jīng)濟(jì)體追求實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)所需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及隨著世界向低排放能源轉(zhuǎn)型，材料需求預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)幾十年。因此，材料生產(chǎn)商面臨的挑戰(zhàn)是降低材料生產(chǎn)的碳排放量，同時(shí)滿足持續(xù)的需求增長(zhǎng)。能源效率和生產(chǎn)效率的提高，以及從目前流行的使用后丟棄的線性模式轉(zhuǎn)向循環(huán)再利用模式是解決之道；開(kāi)發(fā)和應(yīng)用用于材料生產(chǎn)的低排放技術(shù)是關(guān)鍵。

2. 鋼材的光明未來(lái)

在過(guò)去的30年中，全球主要材料產(chǎn)量顯著增長(zhǎng)；而鋼鐵是唯一可以完全回收利用的制造材料。各種主要材料的產(chǎn)量和可回收性能見(jiàn)圖1。

圖1 各種主要材料的產(chǎn)量和可回收性能

鋼材是當(dāng)今唯一能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)全面循環(huán)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)的主要材料。鋼材的可回收性是任何其他主要材料都無(wú)法比擬的。目前，高達(dá)85%～90%的鋼產(chǎn)品在其使用壽命結(jié)束時(shí)被回收，用于生產(chǎn)新的鋼材。鋼材的磁性能使其很容易與其他材料分離。其他材料通常是下降性循環(huán)，但鋼材可以保留其所有的原始特性，使其成為最容易回收利用的材料之一。

與其他材料相比，在許多應(yīng)用中，鋼鐵生產(chǎn)中的二氧化碳排放量也更少。例如，在汽車行業(yè)，對(duì)于車輛的“白車身”結(jié)構(gòu)，用先進(jìn)高強(qiáng)鋼制成的汽車部件的二氧化碳排放量小于鋁制同等汽車部件二氧化碳排放量的一半，小于碳纖維增強(qiáng)塑料材料制成的同等汽車部件二氧化碳排放量的1/3。

鋼材還是許多領(lǐng)先的全球二氧化碳減排技術(shù)的核心材料。這些技術(shù)包括海上風(fēng)力渦輪機(jī)、高效變壓器和電機(jī)、輕型車輛等。波士頓咨詢公司BCG和德國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)VDeh的一項(xiàng)研究[1]發(fā)現(xiàn)，平均而言，使用鋼材過(guò)程中所帶來(lái)的二氧化碳減排量是生產(chǎn)這些鋼材過(guò)程中二氧化碳排放量的1～6倍，因此很難想象鋼鐵在可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中不是一種關(guān)鍵材料。

二、鋼鐵行業(yè)的碳排放挑戰(zhàn)

盡管鋼材應(yīng)用過(guò)程中二氧化碳排放量比許多其他材料都要少，但全球鋼鐵生產(chǎn)的規(guī)模龐大，目前，鋼鐵行業(yè)每年的二氧化碳排放量超過(guò)300億噸，約占世界總排放量的7%。預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年對(duì)鋼鐵的需求仍將繼續(xù)增長(zhǎng)，因此鋼鐵行業(yè)面對(duì)的碳排放挑戰(zhàn)巨大。

1.用初級(jí)原料產(chǎn)鋼的需求將持續(xù)

1990年以來(lái)，因?yàn)槭澜绺鲊?guó)（尤其是中國(guó)和發(fā)展中國(guó)家）的鋼鐵產(chǎn)品、設(shè)備、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施都在增加，全球鋼鐵需求量翻了一番多。鋼的制造原材料分為初級(jí)原料和二次原料。目前大部分的鋼是通過(guò)初級(jí)原料（鐵礦石）路線生產(chǎn)的，其第一步是冶煉或還原鐵礦石。從鐵礦石中將鐵與氧分離需要大量的能量，而目前這些能源主要由各種形式的碳來(lái)提供，其結(jié)果就是二氧化碳的排放。

近幾十年來(lái)，通過(guò)二次原料（廢鋼）路線生產(chǎn)的鋼產(chǎn)量不斷增加，該路線使用電力作為主要能源輸入，以熔化廢鋼，這一工藝路線降低了二氧化碳排放量。盡管成熟經(jīng)濟(jì)體的鋼材庫(kù)存已趨于穩(wěn)定，但發(fā)展中國(guó)家對(duì)鋼鐵的強(qiáng)勁需求仍在增長(zhǎng)，目前廢鋼僅能滿足全球鋼鐵生產(chǎn)中金屬投入的適度份額（約22%）。不過(guò)，預(yù)計(jì)全球廢鋼量將增加，這將支持以廢鋼為基礎(chǔ)的煉鋼產(chǎn)量的增加。同時(shí)，當(dāng)用清潔能源供應(yīng)電力時(shí)，將進(jìn)一步降低煉鋼過(guò)程的碳強(qiáng)度。但是對(duì)于鋼材來(lái)說(shuō)，廢料的獲取比需求滯后幾十年，這意味著直到21世紀(jì)末，世界仍將主要依賴鐵礦石煉鋼。

2.鋼材需求增長(zhǎng)

根據(jù)目前的消費(fèi)模式，全球粗鋼需求量預(yù)計(jì)將從2018年的17億噸增加到2050年的26億噸以上。這主要是因?yàn)榘l(fā)展中國(guó)家的需求持續(xù)增長(zhǎng)，以及為支持全球能源轉(zhuǎn)型而增加的鋼鐵需求，因?yàn)槊繂挝豢稍偕茉窗l(fā)電所需的鋼材量將超過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)發(fā)電的用鋼量。另一方面，產(chǎn)量的提高和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)又可能會(huì)緩和需求的增長(zhǎng)。

3.向低排放過(guò)渡

全球鋼鐵行業(yè)在應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的鋼鐵需求的同時(shí)面臨著按照《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)減少二氧化碳排放量的挑戰(zhàn)。根據(jù)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）的數(shù)據(jù)，為了將全球變暖限制在2℃以下，全球需要在2070年左右達(dá)到零二氧化碳凈排放；若要達(dá)到將全球變暖限制在1.5℃以下的極限值，這一日期需提前到2050年左右[2]。能源效率和鋼鐵生產(chǎn)效率的提高及社會(huì)向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變將有助于實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，這將需要整個(gè)行業(yè)從根本上過(guò)渡到低排放。

4.廢鋼在向低排放煉鋼過(guò)渡中的作用

全球使用的大部分廢鋼都是通過(guò)電弧爐（EAF）直接加工成鋼材的，使用電力作為主要能源輸入。煉鋼使用的廢鋼來(lái)源：一是消費(fèi)前廢料，由鋼鐵生產(chǎn)和鋼鐵產(chǎn)品制造中的產(chǎn)量損失引起；二是在使用壽命結(jié)束時(shí)回收的鋼材產(chǎn)品，通常在產(chǎn)品生產(chǎn)后10～50年或更長(zhǎng)時(shí)間，具體取決于應(yīng)用情況。因此，廢鋼的可用期比鋼材需求滯后幾十年。

盡管預(yù)計(jì)廢鋼的可獲得性將增長(zhǎng)（見(jiàn)圖2），但全球鋼材需求也在增長(zhǎng)，到2050年，廢鋼將只能滿足不到50%的鋼鐵需求。隨著全球生活水平的提高和基礎(chǔ)設(shè)施的成熟，對(duì)鋼材的需求終將趨于平穩(wěn)。之后，將有足夠的廢鋼來(lái)滿足大部分鋼材需求，從而形成一個(gè)完整的鋼材循環(huán)價(jià)值鏈。

圖2 鋼材生產(chǎn)的2種原料路徑比例

5.解決方案

要應(yīng)對(duì)鋼鐵行業(yè)的碳挑戰(zhàn)，需要不斷提高能源效率和產(chǎn)量、向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，以及采用低排放技術(shù)。

用圖3來(lái)表示各種方案所能帶來(lái)的二氧化碳排放減少份額。圖中常規(guī)預(yù)測(cè)值表示在市場(chǎng)和生產(chǎn)工藝未產(chǎn)生任何變化的情況下預(yù)測(cè)出的鋼材需求所帶來(lái)的二氧碳排放量，其中包括了預(yù)測(cè)廢鋼量的增加。

圖3 鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放情況預(yù)測(cè)

（1）產(chǎn)量提高

鋼鐵供應(yīng)鏈的持續(xù)改善，特別是通過(guò)數(shù)字革命和不斷發(fā)展的制造技術(shù)，將推動(dòng)從粗鋼生產(chǎn)到產(chǎn)品、設(shè)備、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施等最終鋼材的產(chǎn)量持續(xù)提高。這將減少正常預(yù)測(cè)值情景下相同產(chǎn)品、設(shè)備、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施所需的鋼產(chǎn)量。

（2）向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型

與常規(guī)預(yù)測(cè)方案相比，產(chǎn)品、設(shè)備、建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)用鋼量減少將減緩鋼材需求的增長(zhǎng)速度。與常規(guī)預(yù)測(cè)方案相比，向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型——新的商業(yè)模式側(cè)重于更大程度地共享物資、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命和在生命末期回收再利用——也將減少對(duì)鋼材的需求。

（3）能源效率提高

在過(guò)去的50年里，鋼鐵行業(yè)每噸鋼鐵的能耗降低了61%。世界鋼鐵協(xié)會(huì)最新研究[3]顯示，能源強(qiáng)度有可能進(jìn)一步降低15%～20%。

（4）采用低排放技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)，主要鋼鐵生產(chǎn)將不得不過(guò)渡到采用低排放技術(shù)以減少鐵礦石生產(chǎn)路線的碳排放量，這需要通過(guò)使用清潔能源、循環(huán)碳，以及繼續(xù)使用化石燃料與碳捕獲和儲(chǔ)存相結(jié)合的方式。

三、低排放技術(shù)路徑

1.適合初級(jí)原料煉鋼的新型能源

如前文所分析，直至21世紀(jì)末鋼鐵生產(chǎn)仍將主要依靠初級(jí)來(lái)源（鐵礦石）來(lái)滿足需求（見(jiàn)圖2）。近幾十年來(lái)，鋼鐵工業(yè)在能源和生產(chǎn)效率方面取得了顯著的改善，降低了鋼鐵生產(chǎn)的排放強(qiáng)度。進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新將導(dǎo)致未來(lái)10年排放強(qiáng)度的持續(xù)降低。新型能源能夠有效解決鐵礦石煉鋼生產(chǎn)路線的碳排放量問(wèn)題，其包括清潔能源、循環(huán)碳、配合碳捕獲和儲(chǔ)存的化石燃料形式的新能源。

——用清潔能源作為氫氣煉鐵的能源，在更遠(yuǎn)的未來(lái)也可用于直接電解煉鐵，以及其他低排放技術(shù)。

——循環(huán)碳能源，包括來(lái)自社會(huì)和工業(yè)的生物質(zhì)和廢塑料，以及農(nóng)林廢棄物。

——配合碳捕獲和儲(chǔ)存（CCS）的化石燃料使現(xiàn)有的鋼鐵生產(chǎn)工藝得以繼續(xù)使用，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為低排放途徑。這一轉(zhuǎn)變需要國(guó)家和區(qū)域建設(shè)必要的大型基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，以運(yùn)輸和儲(chǔ)存二氧化碳。

2.使用不同新型能源的低排放技術(shù)路徑

使用不同新型能源的低排放技術(shù)路徑見(jiàn)圖4，低排放技術(shù)路徑說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖4 使用不同新型能源的低排放技術(shù)路徑

表1 低排放技術(shù)路徑說(shuō)明

四、政策分析

1.政策需求

低排放煉鋼的所有技術(shù)路徑都需要更高的成本，并且需要時(shí)間、投資和清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施。要成功過(guò)渡到低排放煉鋼將需提供政策抵消更高成本，提供充足的清潔能源和財(cái)政支持以加速技術(shù)創(chuàng)新。

（1）確保公平競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的政策

如果碳政策促使鋼鐵制造商采用低排放技術(shù)，將涉及到結(jié)構(gòu)上更高的運(yùn)營(yíng)成本，那么應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整綠色邊界等機(jī)制使這些鋼鐵制造商的產(chǎn)品能夠與高排放鋼鐵制造商的進(jìn)口產(chǎn)品公平競(jìng)爭(zhēng)。

（2）能源基礎(chǔ)設(shè)施和按行業(yè)制定的國(guó)家和區(qū)域政策

這可能會(huì)影響綠色氫氣和藍(lán)色氫氣、循環(huán)碳（生物廢物、廢塑料、農(nóng)林殘余物）和大規(guī)模碳運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。

（3）引導(dǎo)私人和公共投資支持的政策

這將決定低排放創(chuàng)新項(xiàng)目的發(fā)展速度，同時(shí)可以評(píng)估技術(shù)的商業(yè)可行性。

2.政策情景

根據(jù)不同級(jí)別的政策承諾對(duì)鋼鐵行業(yè)應(yīng)對(duì)碳挑戰(zhàn)能力的影響，可劃分為4種政策情景，不同政策情景對(duì)鋼鐵行業(yè)的影響見(jiàn)表2。

表2 不同政策情景對(duì)鋼鐵行業(yè)的影響

其帶來(lái)的結(jié)果為：

——停滯：缺乏足夠和負(fù)擔(dān)得起的清潔能源；沒(méi)有機(jī)制解決受影響國(guó)家/地區(qū)鋼鐵生產(chǎn)商在結(jié)構(gòu)成本上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的高風(fēng)險(xiǎn)；低排放煉鋼技術(shù)發(fā)展緩慢；隨著生產(chǎn)轉(zhuǎn)向碳管制程度較低的地區(qū)，全球鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量沒(méi)有明顯減少；在實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)方面取得了微不足道的全球進(jìn)展。

——等待：技術(shù)取得了令人鼓舞的進(jìn)展，并有可能在10～20年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模部署；但只能零星地獲得負(fù)擔(dān)得起的清潔能源；沒(méi)有機(jī)制解決受影響國(guó)家/地區(qū)鋼鐵生產(chǎn)商在結(jié)構(gòu)成本上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的高風(fēng)險(xiǎn)；全球范圍內(nèi)，隨著生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到碳管制較少的地區(qū)，鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量微量減少；在實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)方面進(jìn)展有限。

——區(qū)域性加速：技術(shù)取得了令人鼓舞的進(jìn)展，并有可能在10～20年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模部署；支持國(guó)家/地區(qū)獲得充足且負(fù)擔(dān)得起的清潔能源；在氣候立法更加積極的地區(qū)確保建立機(jī)制，使鋼鐵生產(chǎn)保持競(jìng)爭(zhēng)力，例如調(diào)整綠色邊界；支持國(guó)家/地區(qū)的鋼鐵行業(yè)二氧化碳顯著減少；《巴黎協(xié)定》目標(biāo)的部分全球進(jìn)展。

——全球性加速：技術(shù)取得了令人鼓舞的進(jìn)展，并有可能在10～20年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模部署；在全球范圍內(nèi)獲得足夠且可負(fù)擔(dān)得起的清潔能源；大多數(shù)國(guó)家都制定了低碳立法，理想情況是建立一個(gè)共同的全球框架或機(jī)制，確保鋼鐵生產(chǎn)在全球保持競(jìng)爭(zhēng)力；顯著降低全球鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放量；全球行業(yè)與《巴黎協(xié)定》目標(biāo)一致。

3.鋼鐵企業(yè)的政策建議

鋼鐵企業(yè)應(yīng)為每一個(gè)低排放技術(shù)方案分析能源、成本和基礎(chǔ)設(shè)施需求，并且評(píng)估不同政策情景對(duì)這些技術(shù)應(yīng)用速度的影響。鋼鐵企業(yè)應(yīng)保持靈活的技術(shù)創(chuàng)新路線，以適應(yīng)未來(lái)各種技術(shù)發(fā)展時(shí)間表、清潔能源的可獲取性和政策情景。

鋼鐵企業(yè)應(yīng)積極與客戶、投資者、政策制定者和全球組織對(duì)鋼鐵行業(yè)的低排放煉鋼前景進(jìn)行溝通，包括國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)、世界可持續(xù)發(fā)展商業(yè)委員會(huì)、國(guó)際能源協(xié)會(huì)等國(guó)際組織，以及各國(guó)各地區(qū)鋼鐵協(xié)會(huì)、綠色環(huán)保組織、環(huán)境委員會(huì)等，以宣傳和理解政策支持對(duì)行業(yè)發(fā)展的必要性和重要性。

鋼鐵企業(yè)應(yīng)積極參與政策制定。鋼鐵企業(yè)能夠發(fā)起行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)包括碳排放及其他氣體排放、水責(zé)任、生物多樣性、人權(quán)、勞動(dòng)法、當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、商業(yè)誠(chéng)信和供應(yīng)鏈管理等多方面的要求。鋼鐵企業(yè)也可積極推動(dòng)產(chǎn)品的生命周期評(píng)價(jià)。這些認(rèn)證與評(píng)價(jià)在確保產(chǎn)品綠色的同時(shí)，彰顯出鋼鐵材料的優(yōu)越性，促進(jìn)政策向有利于鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展方向制定。

天空沒(méi)有邊界，未來(lái)社會(huì)將以發(fā)展、循環(huán)和可持續(xù)為主題，每個(gè)企業(yè)、行業(yè)、地區(qū)和國(guó)家都應(yīng)該盡最大努力有效地為低碳世界做出有意義的貢獻(xiàn)?！?/p>