鋼鐵行業(yè)是社會經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，貢獻了全球約7%的碳排放，其脫碳對于實現(xiàn)《巴黎協(xié)定》設(shè)定的1.5℃溫升目標及國家碳中和目標至關(guān)重要。傳統(tǒng)的流程改造和能效提升等措施難以徹底消除鋼鐵行業(yè)的碳排放，因此，碳捕集與封存技術(shù)對于鋼鐵行業(yè)碳中和目標的達成不可或缺。該技術(shù)涉及碳排放點源與地質(zhì)封存地點的空間匹配，需要精準預(yù)測源與匯的空間分布及二氧化碳的排放/消納能力，從而實現(xiàn)技術(shù)的科學(xué)部署。然而，由于當前技術(shù)成本高昂，碳捕集與封存技術(shù)短期內(nèi)難以實現(xiàn)大規(guī)模部署，更多地被視作遠期碳中和目標階段的關(guān)鍵措施。在此期間，鋼鐵行業(yè)預(yù)計將經(jīng)歷深度綠色轉(zhuǎn)型，其他措施如電氣化、短流程煉鋼等將廣泛應(yīng)用，對行業(yè)碳排放源的空間分布和碳排放水平產(chǎn)生深刻影響。因此，有必要將鋼鐵行業(yè)的長期轉(zhuǎn)型納入碳捕集與封存技術(shù)的部署決策中。

為解決上述問題，溫宗國教授團隊建立了綜合評估框架預(yù)測中國鋼鐵行業(yè)截至2060年的脫碳轉(zhuǎn)型路線圖，綜合考慮6類主要脫碳措施，并將預(yù)測結(jié)果作為碳排放點源的模擬依據(jù)。此外，團隊整合了關(guān)鍵油田、盆地等二氧化碳適宜封存地點，開發(fā)碳捕集與封存技術(shù)源匯匹配模型，以優(yōu)化不同鋼鐵產(chǎn)量規(guī)模下的技術(shù)部署方案；基于最優(yōu)方案，評估碳捕集與封存技術(shù)部署的經(jīng)濟成本及能水資源消耗，識別技術(shù)推廣的主要障礙。該研究為碳捕集與封存技術(shù)的推廣提供了有效支撐，助力鋼鐵及其他難減排行業(yè)實現(xiàn)遠期碳中和目標。

圖1. 研究框架

基于團隊建立的研究框架，該研究實現(xiàn)了中國鋼鐵行業(yè)排放源的遠期高分辨率模擬，并開發(fā)了碳捕集與封存技術(shù)的源-匯匹配模型以優(yōu)化技術(shù)部署方案。結(jié)果顯示，碳捕集與封存技術(shù)對于中國鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)遠期碳中和目標至關(guān)重要：預(yù)計到2060年，該技術(shù)可實現(xiàn)每年4.72-6.10億噸的碳減排潛力。建議在華北及華東地區(qū)的鋼鐵企業(yè)重點部署。

圖2. 中國鋼鐵行業(yè)碳捕集與封存技術(shù)的最優(yōu)部署方案（a-c 碳捕集與封存技術(shù)在高、中、低鋼鐵產(chǎn)量情景下的空間部署方案；d-f 分排放量水平的鋼鐵企業(yè)部署情況）

該研究評估了我國鋼鐵行業(yè)碳捕集與封存技術(shù)部署方案的經(jīng)濟成本及能源、水資源消耗。結(jié)果表明，到2060年，中國鋼鐵行業(yè)部署碳捕集與封存技術(shù)的平準化減排成本為187.4-193.5元每噸二氧化碳，預(yù)計隨著碳排放權(quán)交易價格的上升而具備成本競爭力。然而，技術(shù)部署將導(dǎo)致中國鋼鐵行業(yè)的能耗及水資源消耗分別增加21.7-22.4%和30.9-33.3%。需注意技術(shù)部署對重點地區(qū)（如河北?。┰斐傻臐撛谫Y源短缺風(fēng)險。

圖3. 中國鋼鐵行業(yè)碳捕集與封存技術(shù)部署的能源與水資源消耗（a-b 總能源與水資源消耗量及其組成（碳捕集、碳運輸、碳封存與驅(qū)水回收）；c-d 分省及分地點的能源與水資源消耗）

該研究提出的方法適用于鋼鐵及其他難減排行業(yè)，通過“行業(yè)減排路徑預(yù)測-碳排放源模擬-源匯匹配”框架，識別應(yīng)優(yōu)先部署碳捕集與封存技術(shù)的排放源及對應(yīng)的封存點。整合各行業(yè)的結(jié)果，可形成國家或區(qū)域?qū)用娴奶疾都c封存技術(shù)部署方案，支撐該技術(shù)在全國范圍內(nèi)的應(yīng)用，最終推動難減排行業(yè)實現(xiàn)遠期碳中和目標。

相關(guān)研究成果以“中國鋼鐵行業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中的碳捕集與封存技術(shù)遠期部署策略” （Long-term transformation in China’s steel sector for carbon capture and storage technology deployment）為題于5月7日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）。環(huán)境學(xué)院2022屆畢業(yè)生王奕涵為第一作者，溫宗國教授為共同第一及通訊作者，環(huán)境學(xué)院2021級博士研究生許毛和2021屆碩士畢業(yè)生丁加對該研究亦有重要貢獻。研究得到國家自然科學(xué)基金委員會專項項目、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎研究項目的支持。