美國鋼鐵業脫碳：邁向低碳未來的路徑與政策建議

前言

鋼鐵產業擁有先天高碳排特性，因此一直是氣候議題的首要關注目標，在即將開徵的 CBAM ，更是屬於第一批名單。儘管川普近期關稅聲明與策略在在強調要將製造業帶回美國，但無論成效如何，美國與其他國家的鋼鐵產業終將面對持續降低碳排的壓力。

Clean Air Task Force（CATF）是一個國際非營利環保組織，致力於推動政策與技術創新，以大幅減少全球溫室氣體排放，防止氣候變遷帶來的最嚴重影響。今年四月時有公開美國鋼鐵產業脫碳報告，詳細地介紹了當前美國鋼鐵產業狀況、減碳需求與技術，以及能夠加速實施相關技術的可能政策。報告原文頁面請參考。

美國鋼鐵產業的挑戰

現況

• 相對領先地位：美國在全球主要鋼鐵生產國中，平均碳排放強度較低，是低碳鋼生產的領先者。這主要歸因於美國大部分鋼鐵（約 70%）是通過電弧爐 (EAF) 回收廢鋼生產的。這種生產方式的碳排放遠低於傳統的鼓風爐/鹼性氧氣爐 (BF/BOF) 綜合鋼廠。
• 產業承諾：美國主要的四家鋼鐵生產商已承諾在 2050 年前實現淨零或接近淨零的鋼鐵生產。
• 技術探索與實施：一些美國鋼鐵生產商正在探索或實施脫碳技術。例如，U.S. Steel 計劃在蓋瑞廠實施碳捕捉 (CCS) 技術。Cleveland-Cliffs 計劃將其廠的鼓風爐替換為可使用天然氣或氫氣的直接還原鐵 (DRI) 廠及電弧爐 (EMF)。Nucor 與 ExxonMobil 合作在其路易斯安那 DRI 廠安裝 CCS 系統。Steel Dynamics 也在探索生物炭解決方案。
• 生產結構轉變：美國鋼鐵生產已從過去以綜合鋼廠為主轉向以 EAF 為主。EAF 產能在過去十年已超越綜合鋼廠成為主要生產途徑。

脫碳挑戰

• 整體高排放貢獻：鋼鐵生產是重要的溫室氣體排放源，佔美國溫室氣體排放的 1-2%。要達成氣候目標，鋼鐵產業必須大幅脫碳。
• 技術複雜與成本高昂：實現「綠色」鋼鐵需要進一步的技術發展。新的脫碳技術實施成本高昂，包括資本支出和營運支出。
• EAF 的限制：雖然 EAF 碳排放較低，但廢鋼的雜質會限制其生產高品質鋼材的能力。對於需要低殘留物的高品質產品，仍需使用高品質的礦石基金屬 (OBMs)，如生鐵或 DRI。
• OBMs 的需求與供應：美國每年需要約 3000 萬噸 OBMs 來生產高品質鋼材。由於國內優質廢鋼供應有限，美國大量進口 OBMs。這些進口 OBMs 通常是通過高碳排途徑生產的，導致美國鋼鐵製造商的範疇三排放量增加。過度依賴進口 OBMs 也增加了國內鋼鐵供應鏈的脆弱性。
• 綜合鋼廠的挑戰：美國現有的綜合鋼廠相對老舊。鼓風爐是連續運作的，難以且昂貴進行靈活調整或停運。
• 特定技術挑戰：
• • CCS： CCS 技術可以降低碳排放，但單獨使用 CCS 無法完全實現綜合鋼廠的深度脫碳（例如，在發電廠捕獲直排氣體的最大捕獲率約為 66%）。在熱風爐或直接在鼓風爐氣體上安裝 CCS 的捕獲率較低。CCS 安裝和營運成本高昂。成本受氣體成分、壓力及儲存地點遠近影響。運輸和儲存基礎設施建設是個挑戰。
  • 天然氣 DRI (NG-DRI)： NG-DRI 比 BF 碳排放低，但仍存在顯著排放，特別是來自天然氣供應鏈的範疇三排放，其變異性很大。在 NG-DRI 廠實施 CCS 可行，但捕獲率取決於技術類型和捕獲點。實現高捕獲率成本較高。
  • 氫氣 DRI (H₂-DRI)： 低碳氫（綠氫或藍氫）是實現煉鐵深度脫碳的潛在長期解決方案。然而，氫氣供應是主要制約因素，因為成本高昂且缺乏基礎設施。綠氫特別貴，生產足夠的綠氫需要大量清潔電力建設；藍氫成本較低，但仍受天然氣供應鏈排放和 CCS 成本影響。目前美國沒有 100% 使用氫氣生產 DRI 的設施，大規模商業化供應尚需數年。
  • EAF 清潔電力：將 EAF 轉向清潔電力是降低範疇二排放相對低成本的途徑。但這無法解決生產高品質產品對低碳 OBMs 的需求（範疇三排放）。清潔電力的成本仍然是個制約因素，再生能源的間歇性需要儲能，這增加了成本，且儲能規模足以支持鋼廠的需求仍不確定，因此輸電基礎設施升級是必需且成本高昂的。
• 經濟與市場挑戰：脫碳後的鋼材成本更高。這使得國內生產商在與採用低成本、高排放方式生產的進口產品競爭時處於劣勢。消費者願意為低排放鋼材支付溢價的意願有限，僅限於汽車等少數利基市場。需要政策支持（如關稅、碳稅或聯邦資助）來建立脫碳鋼材市場並避免排放轉移到其他國家。
• 勞工影響：部分脫碳途徑（例如用 EAF 替換 BF/BOF）可能導致大量失業。在廠內維持 OBMs 生產（DRI 或 BF+CCS）有助於維護就業和原材料供應鏈安全。政策制定需要考慮勞工層面的影響。

脫碳政策

政策支持選項可大致分為供給和需求政策。此外，還需要考慮避免碳排放轉移至其他國家的貿易政策，以及政策對勞工的影響。

1. 供給端政策 (Supply side options)：這些政策通過激勵機制（例如針對鋼鐵生產商的法規）來降低鋼材製造投入和流程的碳強度。
2. 1. 清潔電力獲取：由於清潔電力是降低排放最快捷、簡單的方法，應努力通過補貼和/或法規增加清潔電力的供應。支持企業投資自己的清潔電力供應也是值得的，例如 Hybar 鋼廠因其太陽能設施而獲得氣候債券的部分融資。
   2. 氫氣基礎設施：應考慮進一步推動氫氣基礎設施的建設，以提高供應量並降低成本。這可以通過額外的撥款、補貼或加強現有計畫的形式實現。45V 稅收抵免根據氫氣的生命週期排放量（達到勞動力要求時）提供每公斤 0.60 美元到 3.00 美元的抵免。然而，該抵免是給氫氣生產商，如果鋼鐵生產商從外部供應商購買氫氣，則是供應商獲得抵免。
   3. 碳捕捉與封存 (CCS) ：雖然 CCS 單獨可能不足以實現深度脫碳，但在達到其能力範圍內的脫碳目標時，它是相對低成本的可行解決方案。45Q 稅收抵免可以激勵 CO₂ 的捕獲和封存，根據儲存類型（強化石油開採或永久封存）和碳強度，可以為藍氫生產帶來每公斤約 0.45 美元到 0.77 美元的價值。單一項目不能同時申請 45V 和 45Q 稅收抵免。政策應考慮特定脫碳目標對 CCS 可行性的影響。
   4. 政府撥款：美國能源部 (DOE) 的撥款計畫可以提供具體的脫碳專案，例如 Cleveland-Cliffs 計畫將其 Middletown 廠的鼓風爐替換為 DRI/EMF 設施就獲得了高達 5 億美元的 DOE 撥款支持。
   5. 潛在的排放標準或法規：儘管具體的法規未詳細說明，但資料提及鋼鐵業正努力降低排放，部分原因是潛在的排放標準。
   6. 解決天然氣供應鏈排放：降低天然氣供應鏈的碳強度可以顯著降低天然氣基 DRI 和藍氫 DRI 的總體範疇三排放。法規（例如涵蓋天然氣設施的排放標準）是實現這一目標的可行方法。
2. 需求端政策 (Demand side options)：
3. 1. 聯邦資助專案的要求：要求聯邦資助的基礎設施專案使用在美國生產的 OBM 或使用脫碳鋼材可以創造低碳鋼材的市場需求。
   2. 行業嵌入式碳要求：政府可以在所有行業中實施關於嵌入式要求，這可以推動下游行業需求低碳鋼材產品。目前，消費者（除了汽車等少數利基市場）願意為低排放鋼材支付溢價的意願有限。因此，政策支持對於建立脫碳鋼材的更廣泛市場屬必要之舉。
3. 貿易政策：對進口 OBM 或使用高排放方式生產的進口鋼材產品徵收關稅或碳稅，可以避免碳排放轉移到其他國家，並防止國內生產商因脫碳帶來的成本劣勢而失去競爭力。如果沒有類似 CBAM 的機制應用於使用高碳鋼生產的成品，存在製造業轉移的風險。
4. 考慮勞工影響：政策制定需要考慮不同脫碳路徑對勞工的影響。例如，用 EAF 替換 BF/BOF 可能導致大量失業。在廠內維持 OBM 生產（如通過 DRI 或 BF+CCS）有助於維持就業和原材料供應鏈的安全。政策設計應考慮如何減輕負面的勞工影響並獲得勞工支持。

碳捕捉與封存（CCS）應用

1. 作為可行的減排途徑：CCS 被視為一種潛在可行的減排方法，可用於整合式鼓風爐/鹼性氧氣爐 (BF/BOF) 鋼廠和直接還原鐵 (DRI) 生產設施。對於這些設施，特別是在大規模氫氣整合尚未普遍的近期至中期，CCS 可以提供顯著的碳減排。BF-BOF 搭配 CCS 是一種能降低排放的途徑，通過在關鍵排放點安裝系統實現。在 DRI 生產中，CCS 也可以安裝在 DRI 廠上。
2. 不同製程的應用與潛在減排量：
3. 1. BF/BOF 鋼廠： 在整合式鋼廠中，將爐氣導向發電廠並在發電廠安裝 CCS (捕獲率 85%)，可以減少多達 66% 的總直接碳排放。在熱風爐或直接在鼓風爐氣體上安裝 CCS 雖然可行，但整體減排率較低（熱風爐約 20%，直接在鼓風爐氣體上約 30%）。由於無法捕獲所有排放點的碳，單獨使用 CCS 無法實現綜合鋼廠的深度（接近完全）脫碳。
   2. DRI 設施： CCS 可應用於 DRI 廠的頂部氣流，減少約 55% 至 60% 的 CO₂ 排放。某些技術，如 Energiron ，由於其內建的氣體回收系統，安裝 CCS 可能更容易、成本更低，只需壓縮機和相關設備即可達到約 60% 的 CO₂ 減量。Midrex 技術則需要額外安裝 CO₂ 移除系統。要達到更高的捕獲率（例如 90%），需要對燃燒氣流也應用 CCS，這會增加成本。
3. 作為近期或中期選項：考慮到大規模氫氣生產和基礎設施建設仍需時日，CCS 在近期可以為 DRI 和 BF 生產提供顯著的碳減排。對於不追求近乎完全脫碳的設施，或者對於近期內不打算進行昂貴的爐體翻新或替換的綜合鋼廠（例如那些近期已翻新的），CCS 可以作為一種較為經濟的短期策略。
4. 降低成本的潛力：儘管 CCS 成本高昂，但與全面轉換為氫氣基 DRI/SAF 等路徑相比，它在某些情境下可能是更具成本效益的減碳途徑。

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