摘要：
摘要：钢铁企业面临着中国碳交易市场和欧盟碳边境调整机制双重监管框架带来的日益增加的压力。为了量化低碳转型的经济临界点，本研究建立了一个结合生命周期评估与利润最大化的技术经济优化模型。通过模拟2025年至2050年的情况，评估了在这些协同约束下碳捕获与储存（CCS）技术的采用潜力。结果表明，当碳价格超过300元人民币/吨且CCS技术成本降至280元人民币/吨以下（降低了40.4%）时，企业开始采用CCS技术。此外，模拟还发现了一个盈利转折点，即碳价格为180元人民币/吨时，拥有较高短流程比例的企业能够获得更好的经济效益。具体而言，随着CCS碳价格的上涨，短流程结构的盈利优势显著增强。与长流程生产结构相比，短流程比例较高的结构采用CCS的意愿较低，因为其较低的碳排放减少了减排的紧迫性。这些发现为企业战略规划和政策调整提供了精确的数据驱动参考。
引言
《巴黎协定》设定了将全球平均气温升幅限制在工业化前水平以上不超过2°C的目标，同时努力将升温幅度控制在1.5°C以内[1]。这要求世界各地的各种行业和地区更快、更全面地采取低碳措施。作为最大的工业排放源，钢铁行业约占全球工业二氧化碳排放量的25%[2]。2023年，中国的粗钢产量超过了10亿吨，导致总二氧化碳排放量达到2.94亿吨[3]。中国发布了《钢铁行业碳达峰实施计划》，对生产能力及能源消耗实施了严格的双重控制[4]。同样，欧盟推出了《净零工业法案》，要求推广战略性净零技术[5]。在这种严格的监管压力下，中国建立了碳交易市场（CCTM），该市场明确将钢铁行业纳入其中。与此同时，欧盟于2024年启动了碳边境调整机制（CBAM），重点关注包括钢铁在内的关键行业[6]。因此，在这些多重政策的协同影响下，评估深度脱碳技术的可行性对钢铁企业而言变得十分紧迫。
碳捕获与储存（CCS）的脱碳潜力巨大且得到广泛认可。尽管正在探索替代原料（如非常规天然气[7]和绿色氢气），但CCS仍然是实现深度脱碳不可或缺的技术。国际能源署（IEA）估计，到2060年，CCS可大幅贡献全球减排量，总捕获量可达107亿吨[8]。Fan预测到2050年，CCS可能占减排量的10%至15%[9]，而Chisalita估计累计集成容量可达94亿吨[10]。具体而言，Ding指出，对于一个年捕获能力为50万吨的新建钢铁厂，其整个生命周期内的总碳减排量可达1125万吨[11]。这种必要性凸显了CCS在其他难以减排行业（如石油精炼[12]、[13]）中的关键作用。CCS技术在实现深度脱碳方面的高环境效益已得到广泛验证。然而，其大规模部署受到资源需求的限制。生命周期评估（LCA）研究表明，CCS系统的运行需要大量的能源和材料投入，例如溶剂再生所需的蒸汽和压缩所需的电力[14]、[15]、[16]。这些高昂的运营成本成为商业应用的主要障碍。
先前的评估通常估计CCS的成本在每吨75美元到100美元以上，形成了一个显著的财务基准[17]、[18]、[19]。由于高昂的经济成本，CCS在钢铁行业的商业应用受到严重限制。根据IEA的技术评估[20]，钢铁行业实施CCS的总成本通常在每吨34美元到90美元以上，具体取决于技术路线。Leeson进一步报告称，平均成本约为每吨76.6美元，上限超过119美元/吨[21]。关键的是，成本结构分解显示，捕获阶段构成了主要的财务负担，占总CCS链成本的60%至80%[22]。Rubin指出，这种资本密集性主要是由于从复杂工业烟气中分离二氧化碳时所需的溶剂再生和气体压缩所需的大量能源所致[23]。这些成本的宏观经济影响深远。Lee量化表明，如果没有技术进步，到2050年，CCS的强制实施可能导致钢铁产量下降9%，GDP损失0.5%[24]。因此，Ding观察到，中国钢铁行业中CCS项目的停滞主要是由于这些经济障碍以及政策激励不足[11]。这突显了探索政策机制如何弥合高CCS成本与企业盈利能力之间差距的紧迫性。
对于中国钢铁企业而言，外部市场环境日益受到中国碳交易市场（CCTM）[25]和欧盟碳边境调整机制（CBAM）[26]的双重影响。从理论上讲，CCTM作为一种基于市场的工具，有助于内部化环境成本。Zhu提供了企业层面的证据，表明这一机制使受监管企业的低碳创新（如CCS技术）增加了5-10%，从而成为技术升级的可衡量驱动力[27]。从根本上说，这一机制的有效性取决于碳价格，而碳价格由政策约束的配额供应与排放覆盖需求之间的市场均衡决定[28]。正如Tang所指出的，碳价格是这一交易系统中的决定性因素[29]。自2021年7月中国国家市场正式启动以来，初始价格为每吨48元人民币，许多专家预测了价格走势[30]、[31]，一致认为碳价格对政策调整非常敏感。关于未来预测，Liu基于2019年的中国碳价格调查，预计到2030年碳价格将达到每吨116元人民币，并在2050年上升至每吨186元人民币[32]。虽然文献建议碳价格应与CCS等技术的减排成本相匹配以实现经济可行性[33]、[34]，但实际情况存在显著差异：当前的碳价格远低于前述CCS系统的总平准化成本[35]。这一国内价格水平与国际市场环境形成对比。世界银行的数据表明，欧盟排放交易系统（EU ETS）的碳价格一直高于中国[36]。鉴于钢铁生产的碳排放强度因地区经济发展阶段不同而有所差异[37]、[38]、[39]，欧盟提出了CBAM，通过对进口产品征收碳关税来缓解“碳泄漏”。这一机制的影响深远。Zhang开发了一个动态多目标优化模型来评估CBAM对绿色发展的影响[40]。Sabyrbekov分析了该政策的国际地缘政治支持[41]。Clora强调了其与国际贸易规则的兼容性不确定性[42]。关键的是，这一政策与CCTM的协同作用可能间接重塑钢铁行业中CCS的采用情况[43]、[44]。然而，尽管这些双重政策具有潜力，但缺乏将这些复杂政策约束与利润驱动模型相结合的研究，以确定不同钢铁生产路线中CCS应用的具体临界点。
为了解决上述研究空白，本文建立了一个基于钢铁企业利润最大化视角的全面技术经济优化模型。通过将CCS的生命周期成本与不同生产路线的具体碳排放特征相结合，该模型模拟了2025年至2050年在CCTM和CBAM协同约束下CCS部署的经济可行性。本研究的主要贡献在于将双重政策驱动因素与企业财务决策相结合。具体而言，它量化了这些政策约束对企业盈利能力的动态影响，确定了触发自愿采用CCS所需的具体碳价格阈值和技术成本降低幅度。此外，它还为具有不同生产结构的企业提出了优化的低碳转型策略。这些发现为企业战略规划和政策调整提供了数据驱动的参考。
本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了方法、模型构建和边界条件。第3节描述了数据来源和情景假设。第4节展示了模拟结果和讨论。最后，第5节总结了主要结论和启示。
方法
在欧盟CBAM政策和钢铁行业纳入CCTM的背景下，本文建立了一个基于钢铁企业碳排放和运营利润的综合性分析模型。整个研究框架如图1所示。该框架整合了三个核心分析模块，以探讨2025年至2050年CCS技术的发展趋势和应用可行性。首先，采用生命周期评估方法来量化净
数据来源和假设
本研究采用了一个典型的碳捕获与储存（CCS）系统和一个钢铁生产系统。本文讨论的钢铁企业是中国北方的一家典型钢铁公司，年生产能力为100万吨，其中约10%的产品出口到欧盟。所使用的CCS技术是一种成本效益较高的胺吸收碳捕获技术。本文使用的碳交易数据来源于中国碳交易的公开信息
研究对象和碳排放
本研究的研究范围涵盖了包括长流程和短流程在内的全面钢铁生产过程。它包括焦化、烧结、高炉操作、转炉工艺、电弧炉、连续铸造和轧制以及钢铁厂的自有发电厂等阶段，所有这些环节都可能产生大气污染物和二氧化碳排放。图2提供了钢铁生产过程中物质和能量流动的示意图
结论
本研究调查了钢铁企业在双重监管框架下的盈利能力，并量化了利润驱动型CCS部署的经济临界点。通过建立全面的技术经济优化模型，评估了2025年至2050年间政策驱动因素、生产结构和技术成本之间的动态互动。
CRediT作者贡献声明
程思红：方法论、数据整理。苏伟：写作——审稿与编辑、调查。崔永康：写作——初稿撰写、可视化。邢毅：资金筹集。车志昌：写作——初稿撰写、监督、软件开发、项目管理、方法论、调查、数据分析、概念化。孙静超：项目管理、方法论、数据整理
利益冲突声明
作者声明他们与本研究无任何利益冲突。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52330003）提供的财政支持。
