美国钢铁工业脱碳的成本与分布影响

脱碳的成本和分布影响钢铁工业 在美国 PaulinaJaramilloValerieJ.Karplus P.ChrisPistoriusEdsonSevernini 卡内基梅隆大学 国际合作：工业脱碳 分析、基准和行动(INDABA)伙伴关系 清华大学能源环境与经济研究所 北京,中国 ie3TU-Dortmund, 多特蒙德,德国 气候与环境经济学，ZEWMannheimMannheim,德国 开普敦大学能源系统研究小组 南非开普敦 美国国家科学基金会资助 CMU调查员团队: 卡内基梅隆大学 匹兹堡,美国 PaulinaJaramillo和ValerieKarplus，工程与公共政策系，材料科学与工程系ChrisPistorius EdsonSevernini，亨氏公共政策与信息学院系统2 全球范围内的美国钢铁生产，进口，出口和排放 Country2022年生产中国 1,017,959 54% 印度 125,377 7% Japan 89,227 5% 美国 80,535 4% 俄罗斯 71,469 4% 韩国 65,846 3% Germany 36,849 2% Türkiye 35,134 2% 巴西 34,090 2% 伊朗 30,593 2% Other 298,658 16% 分享 （千吨） 全球能源相关二氧化碳排放量的7%美国温室气体排放量的2% 3 来源：世界钢铁协会（2022年，2023年） 钢铁生产：两条主要路线 CO2 煤炭、天然气 、 废钢铁液 氢气制铁 综合(BF-BOF)路线 ~2.2tCO2/tcs产量的72% 30%在美国 铁矿石 可乐、助焊剂 废钢 电力 电弧炉路线 ~0.5tCO2/tcs产量的28% 70%在美国 铁矿石 煤、天然气、氢气 直接还原铁(DRI) CO2 高炉（BF） 生铁 电力 碱性氧气炉(BOF) 钢包冶金,钢 电弧炉(EAF) 钢铁生产 钢包冶金,钢 钢铁工艺，鲜活的色彩 电弧炉路线 直接还原铁, CorpusChristi,TX,美国 电弧炉, Osceola,AR,美国 综合路线高炉，瓦伦西 亚，西班牙 碱性氧气炉 ，匹兹堡， PA，美国 孟谷工程， 大河钢铁， 自1990年代初以来，EAF路线提供的钢铁产量有所增加。 百万吨 打开炉膛 EAF BF-BOF 6 我们比较了以下途径的成本 BF-BOF和EAF生产的脱碳 BF-BOF通路刮屑或DRI-EAF通路7 用于估算成本和二氧化碳排放量的关键假设 •排放范围：范围1（直接来自生产），范围2（主要是电力），范围3（主要是上游矿石开采和加工） •BF-BOF代表2023年最佳可用技术。 •基于美国2021年电网平均值的电力二氧化碳，H2/CCS除外，假设只有在零C电力下运行时才进行部署。 •100%NGDRI、50%H2和100%H2DRI假定输入气流部分用于预热。 •价格是固定的：H2的成本为$4.68/kg（Pistorius，2022年），电价为4美分/千瓦时，零CO2电力为3美分/千瓦时。 误导是因为... •如今，BF-BOF和EAF钢并不是完美的替代品-用于制造不同等级（暴露的汽车与钢筋） •EAF路线的“脱碳”可能需要考虑更高的排放反事实-增加DRI在EAF费用中的份额（基于矿石的金属如生铁或DRI比废料的温室气体强度更高，但对于制造更高等级的产品是必要的） •我们的100％DRI-EAF估计值应被视为基准，可用于加权平均值，以评估EAF费用中DRI份额的排放量 评估脱碳成本 •“路由特定”(RS)方案：维持BF-BOF和EAF技术的方案共享并以至少成本 （通常受到劳动力和BF-BOF生产商的青睐）大幅减少二氧化碳排放。 •“就地替换”(SP)方案：用DRI-EAF炼钢代替BF-BOF炼钢的方案，其矿石基金属含量高于当今的废EAF炼钢（通常受到EAF生产商，气候倡导者的青睐）。 对输入使用文献值 美国钢铁生产大幅减少二氧化碳排放的成本-“信封的背面” Estimate RS方案 SP方案 BF-BOF增量资本成本 160亿美元 $0十亿 DRI增量资本成本 72亿美元 112亿美元 EAF增量资本成本 $0十亿 $124billion 总资本成本 232亿美元 226亿美元 BF-BOF每年增量可变成本 23亿美元 $0十亿 EAF每年增量可变成本 25亿美元 35亿美元 每年的总增量可变成本 58亿美元 35亿美元 EAF每年零CO2电力成本 $8billion 12亿美元 每tcs的平均CO2排放量 0.289tCO2/tcs 0.213tCO2/tcs 每tcs的CO2排放量减少百分比 71% 80% •总体而言，如果DRI-EAF能够满足产品要求，它可能是减少二氧化碳排放的最具成本效益的方法。 •没有认识到用更有限的DRI实现减排潜力的模型可能会得出相反的结论。 •比较总成本和当地成本/收益的选项很重要： •作业(-) •公共创收（？） •空气质量(+) •环境正义（EJ）关注：污染工厂的选址 •暴露于直径<2.5μm的细颗粒物（PM2.5） •PM2.5被确定为全球死亡率第五高的危险因素 •Colmer等人（科学，2020年）：PM2.5暴露的绝对差异已经下降 ，但相对差异仍然存在 •1981年污染最严重的人口普查区仍然是2016年污染最严重的 •1981年最暴露的流行亚组仍然是2016年最暴露的 •Jbaily等人（Nature，2022）：开发一个数据平台，将2000-2016年美国的人口统计与PM2.5数据联系起来 •邮政编码>平均黑人，亚洲和西班牙裔/拉丁裔人口比邮政编码更容易受到PM2.5的影响>平均白人和美洲原住民人口 •低收入人群的邮政编码暴露于PM2.5水平高于高收入人群的邮政编码 •与美国环保署和世卫组织制定的安全标准相比，暴露方面存在差异增加随着时间的推移 •脱碳可能会产生减少PM2.5的共同收益 •Hernandez-Cortes和Meng（JPubE，2023年）：加利福尼亚州的碳市场（2013年） •2012-2017年间，温室气体、PM2.5、PM10和NOx排放量每年降低3-9% •导致这些设施的PM2.5、PM10和NOx的EJ差距每年缩小6-10% 本工作：钢铁脱碳 •美国钢铁生产用熔炉的位置 •全球能源监测(GEM) •人口和社会经济变量 •家庭收入中位数（2019美元） •贫困线以下的人口比例 •25+pop的份额。w/或w/o大学学位 •非洲裔美国人（或非白人）的份额 •16+pop的份额。失业 •16+pop的份额。劳动力 •人口（总量和密度） •美国社区调查（ACS）：5年平均值 •2010-2014和2015-2019 •人口普查区一级的数据：600-3,000人 •PM2.5：vanDonkelaar等人（EST，2021） •在0.01ox0.01o分辨率（0.7x0.7英里）下的年平均值，单位为µg/m3 •卫星+化学传输模型+校准(地面OBS) 经验战略 •世界钢铁生产能力：72%BF-BOF&28%EAF •2022年3月：计划产能反映了这些比例 •2023年3月：计划发生显著变化-57%的BF-BOF和43%的EAF •美国目前钢铁产能：30%BF-BOF&70%EAF •这反映了世界正在走向的环境 按技术类型划分的操作炼钢能力 经验战略 •描述性分析 •从钢铁厂开始的不同距离的平均结果按 •炼钢技术（BF-BOF与EAF）和时间（2010-2014年与2015-2019年） •距离：0-2英里，2-5英里，5-10英里，10-20英里，20-30英里 •差异分析 •相对于距植物0-2英里的BF-BOF和EAF区域内的Δ结果 •DiD：BF-BOF差减去EAF差-每个距离仓 加热炉 距离箱 结果：按到钢铁厂的距离计算的平均PM2.5水平 2021WHO 年度PM2.5指南：5µg/m3 当前美国BF-BOF和EAF设施地图 比较： Currie等人 （2023）的“2005”NAAQS 的估计影响 PM2.5： 0.73µg/m3 额外的控制 比较： Currie等人 （2023）的“2005”NAAQS 的估计影响 PM2.5： 0.73µg/m3 结果：人口（100K） 结束语 •BF-BOF与EAF附近的社区空气质量较差 •CCS安装可能无法解决当地空气质量问题 •从BF-BOF过渡到EAF（DRI-EAF，甚至DRI-BOF）：减少PM2.5的共同收益 •Hernandez-Cortes和Meng（JPubE，2023年）：加利福尼亚州的碳市场（2013年） •2012-2017年间，温室气体、PM2.5、PM10和NOx排放量每年降低3-9% •这些设施中PM2.5、PM10和NOx的EJ差距每年缩小6-10% •清洁电力计划监管影响分析的反事实证据 •Currie，Voorheis和Walker（AER，2023年）：自2000年以来，黑白PM2.5暴露>60％的收敛归因于《清洁空气法》 •黑人人口较多的地区PM2.5与CAA相关的下降幅度更大 谢谢! 问题？评论？vkarplus@andrew.cmu.eduedsons@andrew.cmu.edu 评估工业脱碳途径时应牢记的挑战 •工业生产涉及多个相互依赖的步骤，在不同步骤的脱碳决策中相互依赖 。 •重要的是分解-在3312-钢铁厂，高炉（包括焦炉），和轧机，30倍的CO2强度差异。 •减排选项并不总是附加的：给定过程的效率（低资本支出，有限的还原潜力）与替代该过程（高资本支出，更大的还原潜力）。 •创新的多重利润：（1）能够替代基于废料（温室气体强度较低）的途径，而不是需要原始材料的途径，或者（2）整个供应链的创新，以支持特定工艺步骤的脱碳。