美国钢铁工业脱碳的成本与分布影响

Paulina Jaramillo Valerie J. KarplusP. Chris Pistorius Edson Severnini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 卡内基梅隆大学匹兹堡,美国 全球范围内的美国钢铁生产，进口，出口和排放 钢铁生产：两条主要路线 钢铁工艺，鲜活的色彩 综合路线 高炉，瓦伦西亚，西班牙 直接还原铁,Corpus Christi, TX,美国 电弧炉,Osceola, AR,美国 ，匹兹堡，PA，美国 大河钢铁， Osceola, AR,美国 自1990年代初以来，EAF路线提供的钢铁产量有所增加。 我们比较了以下途径的成本BF - BOF和EAF生产的脱碳 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。 然而，直接比较可能是误导是因为... •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 我们的分析考虑了两种情况评估脱碳成本 •“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）。 我们的情景分析认为产量是固定的，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” 到目前为止的收获... •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(+) 动机 •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 颗粒物(PM2.5) 动机 •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 当前美国BF - BOF和EAF设施地图 Data •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：van Donkelaar等人（EST，2021）• 在0.01 o x 0.01 o分辨率（0.7 x 0.7英里）下的年平均值，单位为μ g / 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 结果：按到钢铁厂的距离计算的平均PM2.5水平 当前美国BF - BOF和EAF设施地图 结果：估计PM2.5相对于钢铁厂0 - 2英里的差异 结果：估计PM2.5相对于钢铁厂0 - 2英里的差异，有额外的控制 结果：家庭收入中位数（2019美元） 结果：家庭收入中位数（2019美元） 结果：Pop的份额。25 +拥有大学学位 结果：Pop的份额。25 +拥有大学学位 结果：非洲裔美国人的份额 结果：Pop的份额。16 +劳动力 结果：人口密度（1K） 结果：人口（100K） 结果：Pop的份额。贫困线以下 结果：Pop的份额。贫困线以下 结果：Pop的份额。16个失业者 结果：Pop的份额。16个失业者 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. edu edsons @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。