【专家视角】PNAS｜桥接国家气候目标与企业决策：基于主体模型的中国钢铁行业脱碳路径研

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科学问题

钢铁行业贡献了全球能源系统约7%至11%的二氧化碳排放，是实现《巴黎协定》目标必须深度脱碳的关键部门。中国产出占全球钢铁的一半以上，其行业排放超过全球钢铁部门二氧化碳的60%，并占中国全国排放总量的14%至16%，根源在于占其产量近90%、碳强度极高的煤基高炉—转炉（BF-BOF）长流程工艺。然而，钢铁脱碳受到工艺锁定与区域发展差异的双重制约，传统建模范式难以刻画驱动这一转型的真实微观决策。具体而言：

1. 自上而下的综合评估模型与自下而上的工程模型各有所长，但对企业层面的异质性、有限理性与行为动力学仍较难充分刻画。在此背景下，如何将国家层面的政策信号（碳排放上限、污染物排放标准、资源约束）与成千上万家异质性企业的投资决策进行耦合？

2. 在限制性规制与支持性技术创新两类驱动力的不同组合下，钢铁行业的脱碳路径将呈现何种差异，又会在“碳锁定”与“资产搁浅”之间产生哪些权衡？

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将国家气候目标落实为产业层面的减排行动，需要理解大量异质性企业如何响应政策与技术信号。本研究构建了一个融合自上而下与自下而上动力学的基于主体模型（agent-based model, ABM），将碳排放上限、污染物排放标准和资源约束等宏观政策信号作为外部驱动，而3430个钢铁设施主体则被刻画为有限理性、自主决策的异质性个体，通过全生命周期净现值（NPV）评估在强制政策期限下选择最优技术路径。模型采用因子设计，沿政策强度（如碳排放上限）与技术进步速度（如技术成本下降）两个维度分别调节其强弱，构建并评估四种脱碳情景：参考情景（REF）、激进政策情景（APC）、技术突破情景（TBT）与整合路径情景（INT）。

研究发现，单一手段的脱碳路径并不充分，且会引发技术权衡。四种情景虽均可在2060年实现90%至95%的深度二氧化碳减排，但激进政策驱动会诱导企业普遍以碳捕集与封存（CCS）改造既有高炉，形成“技术锁定”，其累积排放在2035年后甚至反超参考情景；技术突破单驱动虽长期减排更深，但初期减排节奏滞后。只有政策与技术协同的整合路径，能够在2040年前完全淘汰未减排的高炉—转炉产能，实现最快速的减排曲线，将单位钢铁碳强度在2050年前削减逾95%，并带来最显著的空气质量协同效益。研究表明，将严格的气候政策与技术成本的快速下降相同步，是引导中国钢铁行业驶向碳中和、规避“碳锁定”与“资产搁浅”双重风险的必要条件，并为全球重工业的稳健气候战略设计提供了借鉴。

图文导读

许多自上而下与自下而上模型难以兼顾企业异质性与行为动力学，从而可能错误刻画气候政策的分布性影响，并低估政策诱发市场失灵的风险。为弥补这一分析空白，本研究构建了中国钢铁行业的基于主体模型，将宏观政策与市场信号作为自上而下驱动，同时将单个钢铁生产者模拟为在约束下自主决策的异质性、有限理性主体，由此捕捉技术竞争、市场出清与政策响应等关键动力学。图1a刻画了连接自上而下系统性驱动与自下而上涌现性转型的宏观—微观反馈回路；图1b则给出了支配单个主体决策的显式算法，详细说明主体如何应对强制性政策期限、并通过全生命周期NPV评估在可行技术路径中择优（图1）。

图1 基于主体模型的综合框架与微观决策逻辑

随后，基于该模型分析四种由政策强度与技术进步速度组合而成的脱碳情景（REF、APC、TBT、INT），并模拟其2023年至2060年的排放与技术演化。结果显示，所有情景均实现深度减排，但在规模、速度与协同效益上存在显著差异（图2）。整合情景（INT）将年二氧化碳排放削减逾95%至2060年的5300万吨，逼近与1.5℃相容的轨迹；参考情景（REF）依据现行政策实现93%的减排，降至8700万吨。单一手段情景则表现出关键权衡：激进政策情景（APC）虽加速初期减排，却因政策压力过早而诱导企业普遍以CCS改造高炉，触发“技术锁定”，其累积二氧化碳排放在2035年后反超REF情景（图2 a、f）；技术突破情景（TBT）初期减排较慢，但长期减排更深，2060年降至4900万吨。INT情景通过氢基直接还原铁（H2-DRI-EAF）与废钢电弧炉（Scrap-EAF）对存量资产的快速替换，在2040年前完成未减排高炉—转炉工艺的彻底退出（图2h），实现最低的累积碳与大气污染物排放（图2）。

图2 不同情景下中国钢铁部门的排放路径与技术部署预测

在空间维度上，钢铁脱碳触发了深刻的空间与技术格局重构，其性质由政策与创新共同决定（图3）。2023年，生产与排放高度集中，华北与华东合计占全国产量逾65%、二氧化碳排放逾75%，这一格局在REF与APC情景中基本固化。INT情景则推动显著重构：华北虽仍为关键生产枢纽，但其绝对产量到2060年下降40%，体现的是向更高效率的集约化转变而非产业外迁（图3A）；相应地，华北排放从4.6亿吨降低95%至2060年的2500万吨，成功实现排放与生产的脱钩（图3B）。时空地图（图3 c–r）进一步可视化了驱动这一变化的技术革命：以河北、江苏等省的传统高炉—转炉工厂为主导的初始格局，到2060年被氢基与废钢基的新机组彻底取代；INT与APC情景中的激进早期政策，使未减排高炉—转炉产能在2035年前降至初始水平的30%以下。

图3 生产、排放与技术的空间动态

资源版图随之变化，需求转向绿氢与废钢（图4）。绿氢是TBT与INT路径的基础，在INT情景中作为早期减排的“桥接”燃料，其全国需求约在2025年出现，2040年前后达到约1500万吨的峰值，随后随循环经济成熟、废钢供给增加而回落（图4 a–d）。该需求高度集中，河北成为绝对核心：2030年仅华东就需要近600万吨绿氢，2060年华北的600万吨需求即占全国半数以上。与此同时，废钢消费在所有情景中稳健增长，支撑循环经济扩张（图4 e–h）：INT情景下华东废钢需求从2030年的1.1亿吨增至2060年的1.6亿吨，全国废钢供给潜力则需提升至逾4.5亿吨，并配套更精细的物流网络以服务更分散的产业布局。

图4 不同脱碳情景下废钢与绿氢的区域消耗

最后，转型需要规模巨大且空间集中的资本投入（图5）。在APC与INT情景中，省级脱碳目标在2040年后愈发难以达成，迫使企业需要更早采取行动。资本流向以河北、江苏等产业集群为主，但投资性质存在关键区别：REF与APC情景主要为维系存量高炉资产（BF-BOF→BF-BOF）融资，而INT情景则触发向电弧炉转换（BF-BOF→EAF）的变革性投资趋势（图5 a–d），标志着从资产维护到技术全面更新的战略转向。这一投资过程重塑了成本效益格局（图5e）：河北等地虽实现最大绝对减排，却以较高成本进入“高减排、高成本”区间。货币化的环境协同效益规模可观但区域差异显著（图5f）：INT情景下华东仅二氧化碳减排即产生逾2.2万亿元效益；但华北则呈现关键权衡，其以废钢电弧炉为主、氢基炼钢为辅的技术转型实现巨大碳减排效益，却因相对于产量更快下降的基线而出现负向的空气污染协同效益，凸显出以碳为核心的路径可能需要互补政策以最大化空气质量协同效益。

图5 中国钢铁转型的投资格局与成本效益

文章来源：生态环境科学