《Energy Policy》：Technology and policy options for achieving net zero steel manufacturing in the United States
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美国钢铁行业2050年净零转型路径研究，提出通过电弧炉、绿氢制铁及碳捕集技术实现减排，强调联邦与州级政策支持、国际贸易规则及生命周期分析的重要性，指出《通胀削减法案》单独作用不足，需结合需求侧激励与贸易协作。
作者：Francis G.N. Li、Chris Bataille、Seton Stiebert、Taiba Jafari、Olexandr Balyk、James Glynn
所属机构：Subtext Systems LLC，美国内华达州太浩湖
摘要
本文探讨了到2050年实现美国钢铁行业净零排放的策略，这些策略与《巴黎协定》的目标一致。21世纪20年代末，美国的钢铁生产体系正处于一个关键转折点，此时有机会将新一代清洁钢铁技术整合到产业基础中，并在中期成为全球净零排放钢铁市场的领导者。在这段关键时期，联邦和州层面的有效政策支持对于将高温室气体排放的生产方式转变为更清洁的替代方案至关重要。我们的研究结果表明，仅依靠《通胀削减法案》可能不足以推动钢铁生产的及时净零转型，还需要额外的需求侧、贸易相关及《通胀削减法案》后的政策措施。本文将美国钢铁生产置于全球努力的背景下，利用一个涵盖137个国家和1000多个设施位置的钢铁生产技术经济模型，分析了技术变革、能源需求、减排量以及国际贸易的影响。分析显示，美国完全有能力成为世界上率先实现净零钢铁制造的国家之一，并且可以利用现有技术实现这一目标，但转型的速度和相应的投资模式将受到美国对世界其他地区及紧密盟友的贸易开放程度的政策选择的影响。虽然限制贸易的路径能够加速国内脱碳进程，但也会带来更高的成本和经济风险，这些风险必须谨慎管理。
引言
钢铁生产是全球发展的关键支柱，对能源、交通、水、卫生、通信、建筑施工和制造业等多个相关领域都至关重要。传统的钢铁制造过程能耗高、排放量大，根据分析中计入供应链不同环节的情况，其排放量占全球总排放量的7%至10%（Bataille, 2020a）。鉴于钢铁制造对经济其他领域排放量的重要影响，找到消除该行业排放足迹的解决方案迫在眉睫。本文旨在评估在全球经济背景下，以及未来与美国其他地区的贸易关系中，实现美国钢铁生产净零温室气体排放的技术和政策路径。尽管这一目标常被视为与《巴黎协定》的目标一致（UNFCCC, 2015），但最新证据表明，维持全球1.5°C温控目标的可行性存在不确定性（Bertram et al., 2024; Hansen et al., 2025），尤其是在减缓措施推迟的情况下（Tollefson, 2023; Forster et al., 2025）。因此，应将行业的净零目标理解为在日益紧张的全球碳预算框架下的有条件贡献，而非温度结果的保证。
美国是全球第四大钢铁生产国（2022年产量约为8100万吨（世界钢铁协会，2023年）），也是第二大钢铁进口国（2022年进口量约为2900万吨（世界钢铁协会，2023年））。历史上，美国约有22%至33%的钢铁需求依赖进口（见补充材料）。国内钢铁生产主要分布在112个工厂中，其中8个是大型高炉-basic氧气炉（BF-BOF）联合工厂，使用煤炭生产原生钢铁；3个是直接还原铁（DRI）工厂，采用天然气而非煤炭作为热源和还原剂；其余工厂主要利用电弧炉（EAF）回收废旧钢铁（USGS, 2023a）。自1969年以来，回收钢铁的市场份额稳步上升（Watson, 2022）。虽然美国的历史数据并未追溯到1969年，但例如1985年电弧炉的产量已占钢铁总产量的34%（USBM, 1989），如今这一比例已超过70%（USGS, 2023a）。因此，目前美国约29%的国内钢铁产量仍来自高碳排放的生产方式（每吨钢铁生产中，使用煤炭的高炉-basic氧气炉会产生约2.8吨二氧化碳，而全球平均水平为2.2吨；使用天然气直接还原铁的工厂排放量为0.5至1.1吨（Hasanbeigi et al., 2016）。
根据正常的改造周期（Vogl et al., 2021），美国剩余的以煤炭为基础的钢铁生产工厂在未来5至7年内大多需要进行炉衬更换和全面翻新。这些投资机会需要提前3至5年进行准备，是转向更清洁生产方式的理想时机。然而，需要采取有意识的干预措施，以防止这些工厂仅进行常规翻新，从而继续维持高碳排放的生产方式并锁定其排放足迹数十年。本文旨在描绘这种技术转型在美国与世界其他地区贸易关系背景下的可能发展路径，为政策制定提供参考，政策制定不仅需要考虑能源、排放和技术因素，还需要明确政治、社会和文化方面的变化。
近期多项研究探讨了全球钢铁行业脱碳的挑战与机遇。国际能源署的《钢铁行业脱碳路线图》（IEA, 2020a）提出了多种钢铁行业发展路径，其中最雄心勃勃的方案预计到2050年排放量将降至0.3吉吨二氧化碳当量，相比2019年的基准水平减少约88%。Mission Possible Partnership（2022）利用全球钢铁行业模型展示了到2050年12个地区实现净零排放的转型（相比2020年水平减少94%）。Bataille等人（2021, 2024）通过空间明确的全球钢铁生产和贸易模型展示了到2050年多个地区的净零排放转型（相比2022年水平减少92%），以及这对技术变革、能源需求和约1000个设施位置排放量的影响。Witecka等人（2023）研究了两种在2040年代初实现全球钢铁行业净零排放的路径。Lopez等人（2022）也提出了两种到2050年实现钢铁行业净零排放的方案。Devlin等人（2023）则结合优化和机器学习方法评估了绿色氢气生产的有前景地点，作为绿色钢铁转型路径的一部分。
目前有多项努力正在制定基于不同温室气体排放阈值的标准和实践规范来定义“绿色钢铁”，但截至本文撰写时尚未形成统一标准（Hasanbeigi and Sibal, 2023）。例如，国际能源署提出了“接近零排放钢铁”的定义，该定义既考虑了用于制造钢铁的铁屑比例，也考虑了生产过程中的总体温室气体排放量（Levi et al., 2022）。根据国际能源署的定义，不含回收材料的钢铁的温室气体排放量必须低于或等于0.4吨二氧化碳当量/吨；而使用100%回收材料的钢铁，这一数值降至0.05吨二氧化碳当量/吨。其他提出的标准也有各自的细微差别和认定“绿色钢铁”的阈值。无论最终哪种“绿色钢铁”定义成为主流并正式或事实上的标准，实现气候稳定都需要尽快将钢铁行业的所有排放量降至接近零。
本研究通过关注国家背景并解决美国钢铁行业特有的具体挑战和机遇，补充了现有的分析。美国最近通过了一项重要的政策支持法案——《2022年通胀削减法案》（第117届国会，2021–2022年），其中包含多项有助于减少钢铁制造业排放的条款（详见补充材料）。钢铁行业资本密集型，基础设施开发和技术部署的周期较长。规划和实施行业变革（如转向更清洁的技术或升级现有设施）需要详细的规划和大量投资。尽早开展可行性研究可以为新技术的研究、开发和部署提供必要的准备时间，同时为未来的投资做出战略决策。
我们的研究重点关注几个对政府机构、负责能源和工业政策的决策者、倡导钢铁生产商的行业协会和贸易组织、致力于实现全球气候目标的国际组织、推动负责任实践的环境非政府组织和可持续性倡导者，以及考虑投资可持续性的金融机构和投资者具有重要意义的未知因素。我们的主要研究问题包括：
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在美国，符合《巴黎协定》时间表（即高收入工业化国家在2050年或之前）实现净零钢铁制造的技术可能性是什么？
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美国实现净零钢铁转型对能源需求和排放有何影响？
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实施支持政策以在2050年前触发绿色钢铁转型的机会窗口是什么？
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贸易政策如何影响美国向净零钢铁转型的技术路径？
模型框架
模型框架
在我们的分析中，我们使用了名为SteelPath的复杂全球钢铁行业模型（该模型现在是更广泛的IndustryPath模型框架的一部分），该模型能够在137个国家的1000多个地点对单个钢铁制造设施以及主要采矿国家的关键上游直接还原铁（DRI）铁矿石资源节点进行地理空间描述（Hagemann et al., 2016）。该模型此前已被应用于多项研究（Bataille et al., 2021, 2024），探讨了钢铁行业的转型路径。
技术变革
图5展示了2022至2050年模型时间范围内美国的钢铁生产情况，按技术类型进行了划分。高排放自由贸易（左上角面板）和高排放自给自足（右上角面板）情景主要依赖电弧炉生产的回收钢铁和日益清洁的电力来满足需求。然而，大部分原生钢铁仍由高炉-basic氧气炉生产，这也是这些情景下美国钢铁行业仅实现部分脱碳的原因（详见相关章节）。
观察结果
我们的分析表明，在符合《巴黎协定》的时间框架内（即2050年之前），可以通过使用来自低碳电网电力的电弧炉、绿色氢气直接还原铁，以及在较小程度上使用带有碳捕获和储存技术的直接还原铁来实现美国钢铁生产的净零排放。从实施角度来看，我们的分析（高排放自由贸易和高排放自给自足情景）显示，这些措施的影响……
结论
美国完全有能力成为世界上率先实现净零钢铁制造的国家之一，并且如果本十年内采取适当政策，最早可能在2050年实现这一目标。这不需要重大的根本性技术创新。美国拥有丰富的铁矿石、天然气、碳捕获与封存（CCS）地质条件，以及廉价的风能和太阳能资源，可以利用现有技术实现钢铁生产的脱碳。美国也是……
作者贡献声明
Francis G.N. Li：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、项目管理、方法论研究、数据分析、概念构建。
Chris Bataille：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹集、数据分析。
Seton Stiebert：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论研究、数据管理。
Taiba Jafari：撰写 – 审稿。
Olexandr Balyk：撰写 – 审稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本文得到了哥伦比亚大学国际与公共事务学院全球能源政策中心的资助。
