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图1 2019年全球钢铁厂二氧化碳排放、服役年限-产能比和碳排放强度。(a) 2019年全球在运行钢铁厂地理位置、工厂类型（散点颜色）和二氧化碳排放（大小）； (b)全球长流程钢铁厂服役年限-产能比，包括转炉/平炉长流程（红色散点）和电炉长流程（蓝色）；(c)碳排放强度。黑线代表两个靶向指标90分位数水平；橙线代表全球先进水平；由深及浅灰色阴影分别代表超过90、75和50分位范围
图2 2020−2050年2℃和1.5℃气候目标下剩余碳排放预算以及不同情景下钢铁厂碳排放量。(a)延迟5年改造情景；(b)默认改造情景；(c)提前5年改造情景；(d)提前5年CCUS+氢基情景。浅绿色和浅紫色区域分别代表2℃和1.5℃气候目标下各情景剩余碳排放预算的10和90分位数范围；绿线和紫线分别代表相应气候目标下所有路径二氧化碳净排放量中位数；数字表示2020−2050年累积碳排放量
在国家自然科学基金项目（批准号：41921005）资助下，清华大学地球系统科学系关大博教授课题组、同丹助理教授课题组和张强教授课题组合作，在全球钢铁行业碳中和路径方面取得进展，研究成果分别以“以全球钢铁厂二氧化碳排放与碳中和路径（Global iron and steel plant CO2 emissions and carbon neutrality pathways）”和“全球钢铁行业工厂级脱碳策略（Plant-by-plant decarbonization strategies for global steel industry）”为题，于2023年9月在线发表在《自然》（Nature）和《自然•气候变化》（Nature Climate Change）杂志上，原文链接为：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06486-7和https://www.nature.com/articles/s41558-023-01808-z。
钢铁行业二氧化碳排放量约占全球工业排放总量的25%，是全球工业部门中碳排放最高的行业。近几十年来，城市化和工业化进程导致钢铁需求激增，推动全球范围内新建大量钢铁生产设施，对全球钢铁行业减排带来巨大挑战。目前钢铁行业排放主要来自于长流程炼钢工艺，其工序繁复，涉及多个排放环节，减排技术尚不成熟。因此，钢铁行业是公认的最难减排部门之一，其排放特征及减排路径是碳中和研究领域高度关注的前沿问题。
面向这一重大前沿问题，研究团队基于自主研发的全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，详细剖析了全球钢铁行业碳排放特征，构建了全球钢铁行业逐厂级脱碳策略，提出了高度差异化的全球钢铁行业碳中和路径。团队首先搜集整理了包含炼焦、烧结、球团、炼铁和炼钢等主要工序的全球钢铁行业设施级别基础信息，在此基础上构建排放动态表征算法，自主研发了包含一万多个设施的全球钢铁行业碳排放数据库，将全球钢铁排放表征能力从区域和行业尺度提升到单个设施和工序尺度（图1）；并进一步发现全球不同国家的钢铁行业设施在规模、技术、服役年限和碳排放方面存在巨大差异。
研究指出，钢铁厂的能源消耗效率往往随着运营寿命的增长而不断下降，一般在设施服役15－25年之后为设备改造窗口期，以达到提升能效和延长运营寿命的目的。而燃煤高炉-氧气顶吹转炉长流程工艺的二氧化碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的70%以上，这一工艺流程的低碳转型是实现全球钢铁行业碳中和的关键。对此，研究团队设计出碳排放强度（定义为单位粗钢产量的碳排放）和服役年限-产能比（定义为钢铁厂设备平均服役年限和粗钢产能的比例）两个靶向指标，分别从减排潜力和经济性两方面出发识别长流程钢铁厂的脱碳优先顺序，提出了成本效益最高的全球钢铁行业厂级脱碳策略。进而通过情景模拟，提出及早推广低碳和零碳技术是实现全球钢铁工业深度减排的关键。采取必要的减排措施和技术升级，全球钢铁行业2020-2050年间累积碳排放有望减少65%以上（图2）。
研究创新构建了全球钢铁行业设施级别碳排放数据库，并在此基础上提出了全球钢铁工业逐厂级脱碳策略与碳中和路径。提出了开展“一厂一策”靶向治理以实现全球钢铁行业低碳转型的碳减排方案，为下一步制定全球钢铁行业减排路线图提供了重要科学依据。研究建立的钢铁行业高分辨率排放数据库可为开展全球钢铁行业碳排放核算、减排技术潜力评估、减排成本效益分析等相关研究工作提供数据基础。