一、研究背景與問題
綠色低碳發(fā)展已成為全球戰(zhàn)略競爭的制高點(diǎn)，自雙碳目標(biāo)提出以來，我國已經(jīng)構(gòu)建起“1+N”政策體系，特別是在二十屆三中全會上明確提出，要建立能耗雙控向碳排放雙控全面轉(zhuǎn)型新機(jī)制；構(gòu)建碳排放統(tǒng)計(jì)核算體系、產(chǎn)品碳標(biāo)識認(rèn)證制度、產(chǎn)品碳足跡管理體系，健全碳市場交易制度、溫室氣體自愿減排交易制度，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和。我國應(yīng)對氣候變化政策日趨嚴(yán)格，組織碳與產(chǎn)品碳的管控越發(fā)顯得重要。
在眾多碳排放行業(yè)中，鋼鐵生產(chǎn)作為典型的鐵-煤化工過程，不僅是資源能源密集型產(chǎn)業(yè)，也是CO2排放大戶，更是碳排放治理的重要領(lǐng)域。雖然我國鋼鐵行業(yè)在積極響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略的過程中已取得了一系列顯著的進(jìn)展，然而，仍面臨著以下五個方面的問題，亟待解決：
1、對鋼鐵工業(yè)低碳化發(fā)展物理本質(zhì)缺乏深入理解，組織碳與產(chǎn)品碳概念混淆，碳排放計(jì)算方法學(xué)體系不健全、不統(tǒng)一等直接影響減排目標(biāo)的設(shè)定和成效評估。
2、現(xiàn)有鋼鐵雙碳分析模型缺乏結(jié)構(gòu)性關(guān)聯(lián)，不足以科學(xué)支撐鋼鐵行業(yè)/企業(yè)低碳發(fā)展；同時，行業(yè)、企業(yè)、產(chǎn)品碳排放評價分屬不同維度，面臨著建模復(fù)雜、困難等問題。
3、鋼鐵工業(yè)的低碳管控不僅要關(guān)注行業(yè)自身，更要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)同合作減碳，但鋼鐵制造流程將不斷變革，供應(yīng)鏈涉及產(chǎn)業(yè)廣、行業(yè)特征明顯，鋼鐵驅(qū)動服務(wù)鏈減碳潛力不明確，在鋼鐵制造流程、供應(yīng)鏈和服務(wù)鏈“一流兩鏈”產(chǎn)品碳模型體系的構(gòu)建上仍有大量工作需要推進(jìn)，且現(xiàn)有“一流兩鏈”的產(chǎn)品碳模型體系之間缺乏關(guān)聯(lián)、集成和協(xié)同，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)間的協(xié)同降碳。
4、鋼鐵復(fù)雜物質(zhì)流、能量流交互情況下，現(xiàn)有設(shè)計(jì)工具難以快速、真實(shí)、準(zhǔn)確反映工藝減碳能力，技術(shù)尋優(yōu)困難，急需開發(fā)并提供面向非LCA專業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的工藝參數(shù)級的產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)工具。
5、組織碳與產(chǎn)品碳管控需要專業(yè)的計(jì)算工具與高質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫支撐，然而目前國內(nèi)采用的大多是國外的商業(yè)軟件和數(shù)據(jù)庫，從而帶來工業(yè)數(shù)據(jù)安全風(fēng)險、軟件使用成本高、缺乏高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫的支撐等諸多問題。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
針對上述五條問題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)圍繞組織碳、產(chǎn)品碳兩個維度，分別從理論研究及方法學(xué)創(chuàng)新與完善、多維“雙碳”分析模型體系、鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品碳模型體系、鋼鐵產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)技術(shù)、雙碳工業(yè)軟件集成開發(fā)與應(yīng)用五個方面開展系統(tǒng)研究，為鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈“雙碳”精益管控奠定理論基礎(chǔ)并提供關(guān)鍵技術(shù)和工具支撐，是鋼鐵行業(yè)踐行國家“雙碳”戰(zhàn)略，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的典范。技術(shù)路線圖如下圖所示：
圖1 鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈碳素流精益管控關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)路線圖
三、主要創(chuàng)新性成果
1、基礎(chǔ)理論與方法學(xué)。提出鋼鐵工業(yè)“一流兩鏈”（鋼鐵制造流程、供應(yīng)鏈、服務(wù)鏈）低碳化發(fā)展的物理本質(zhì)；系統(tǒng)研究鋼鐵工業(yè)/企業(yè)碳排放計(jì)算方法學(xué)，提出3類鋼鐵工業(yè)/企業(yè)碳排放計(jì)算方法；揭示鋼鐵產(chǎn)品碳足跡影響要素及規(guī)律，完善鋼鐵產(chǎn)品及供應(yīng)鏈產(chǎn)品碳足跡方法學(xué)。
基于鋼鐵制造流程動態(tài)運(yùn)行的物理本質(zhì)與碳素流運(yùn)行規(guī)律解析，率先提出鋼鐵工業(yè)低碳化發(fā)展的物理本質(zhì)是“一流兩鏈”（鋼鐵制造流程、供應(yīng)鏈、服務(wù)鏈）過程中涉及物質(zhì)、能量等因素的耗散結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)建和運(yùn)行過程中耗散過程的優(yōu)化，指導(dǎo)組織碳、產(chǎn)品碳精益管控；提出滿足國家溫室氣體排放清單要求、企業(yè)能效對標(biāo)要求、企業(yè)橫向比較3個層次的鋼鐵工業(yè)/企業(yè)碳排放計(jì)算方法，完善了鋼鐵行業(yè)組織碳排放評價方法學(xué)，應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)溫室氣體排放核算與核查相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定；建模研究了國內(nèi)外現(xiàn)行LCA相關(guān)方法論核算邊界及計(jì)算規(guī)則，揭示了不同方法論對鋼鐵產(chǎn)品碳足跡的影響規(guī)律，形成了中國首個普通鋼鐵產(chǎn)品及特殊鋼產(chǎn)品種類規(guī)則PCR，統(tǒng)一了國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)品碳足跡評價方法；開發(fā)基于經(jīng)濟(jì)價值分配的鋼鐵產(chǎn)品碳足跡評價方法，形成首個建筑用鋼及鋼結(jié)構(gòu)制品PCR，滿足出口需求，填補(bǔ)國內(nèi)空白；開發(fā)了鋼鐵上游供應(yīng)鏈產(chǎn)品碳足跡方法，形成了鐵合金、耐材、石墨電極、軋輥等9種碳評價方法，填補(bǔ)鋼鐵產(chǎn)品范圍三碳核算體系的空白；開發(fā)了敏感性因素識別分級、不確定度多因素非線性耦合分析方法，解決現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)處理單一，可信度低等問題，首次為中國鋼鐵行業(yè)碳足跡數(shù)據(jù)提供了科學(xué)的診斷分析方法。
圖2 “一流兩鏈”的概念與要素示意圖
圖3 普通鋼鐵產(chǎn)品及特殊鋼產(chǎn)品種類規(guī)則PCR
圖4 經(jīng)濟(jì)分配法系統(tǒng)邊界
2、多維“雙碳”分析模型體系。開發(fā)自上而下、自下而上的鋼鐵行業(yè)/企業(yè)及產(chǎn)品“雙碳”分析模型體系，結(jié)合國內(nèi)鋼鐵企業(yè)3.3億噸粗鋼產(chǎn)能的碳數(shù)據(jù)，支撐鋼鐵行業(yè)/企業(yè)低碳發(fā)展路線圖及低碳排放鋼標(biāo)準(zhǔn)制定。
自主構(gòu)建了“自上而下”全要素驅(qū)動的鋼鐵行業(yè)/企業(yè)“雙碳”分析模型體系，支撐中國鋼鐵行業(yè)/企業(yè)低碳發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)與戰(zhàn)略規(guī)劃；系統(tǒng)構(gòu)建了“自下而上”鋼鐵產(chǎn)品碳排放預(yù)測模型，制訂《低碳排放鋼評價方法》標(biāo)準(zhǔn)并劃定低碳排放鋼評價閾值，劃分A~E級5級碳效。
圖5 “雙碳”分析模型體系架構(gòu)
圖6 鋼鐵產(chǎn)品碳排放預(yù)測模型架構(gòu)
圖7 鋼鐵產(chǎn)品5級碳效等級閾值
3、“一流兩鏈”產(chǎn)品碳模型體系。形成鋼鐵制造多個新工藝、供應(yīng)鏈重點(diǎn)行業(yè)30個產(chǎn)品及服務(wù)鏈3個典型應(yīng)用場景產(chǎn)品碳評價模型，實(shí)現(xiàn)鋼鐵流程產(chǎn)品碳足跡評價縱向延伸、鋼鐵等7種競爭材料碳足跡橫向比較，通過“一流兩鏈”產(chǎn)品碳足跡評價模型與數(shù)據(jù)的貫通，促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同減碳。
開發(fā)了基于產(chǎn)品碳的氫冶金電熔煉工藝碳排放評估模型和基于產(chǎn)品碳的CSP短流程碳足跡模型，用于量化評估新技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品碳減排績效，從產(chǎn)品碳維度支撐企業(yè)低碳技術(shù)投資建設(shè)和低碳路線圖規(guī)劃；構(gòu)建了具有行業(yè)特點(diǎn)的供應(yīng)鏈產(chǎn)品碳足跡標(biāo)準(zhǔn)化模型及數(shù)據(jù)庫，保障科學(xué)取數(shù)，充分與鋼鐵碳足跡集成；開發(fā)了涵蓋建筑、工程機(jī)械、電力等多個鋼鐵產(chǎn)品下游服務(wù)業(yè)碳足跡評價模型，為市場營銷與高質(zhì)量低碳產(chǎn)品推廣提供了強(qiáng)力支撐。
圖8 工業(yè)品供應(yīng)鏈產(chǎn)品主要碳足跡評價模型庫
圖9 鋼鐵下游服務(wù)鏈減碳模型示意圖
4、國際首發(fā)從搖籃到鋼廠大門、從搖籃到用戶大門的產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)技術(shù)，提供面向非LCA專業(yè)人員的工藝參數(shù)級的產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)工具。
開發(fā)了鋼鐵制造流程產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)模塊化技術(shù)，基于LCA方法，構(gòu)建了煉鋼、熱軋等主工序與輔助工序機(jī)組層級的碳足跡計(jì)算模型以滿足工序、工藝段交叉組合尋優(yōu)，并采用模塊化、流程化部署方法，滿足非LCA專業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員應(yīng)用要求，形成技術(shù)可行、成本最優(yōu)、排放滿足需求的產(chǎn)品生產(chǎn)方案，快速響應(yīng)市場低碳產(chǎn)品需求；基于物理理論模型、專家經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)模型，建立了工藝參數(shù)級LCA評價模型，可預(yù)測及優(yōu)化供應(yīng)鏈優(yōu)化、不同生產(chǎn)路徑、工藝組合下的碳足跡，實(shí)現(xiàn)小顆粒度高精度碳足跡模擬，精細(xì)化指導(dǎo)產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)；將邊界從“搖籃到鋼廠大門”拓展到“搖籃到用戶大門”，開發(fā)了從鋼鐵材料到零部件、小總成及白車身下游產(chǎn)品碳足跡計(jì)算模型及評價技術(shù)，并擴(kuò)展至下游家電、建筑行業(yè)支撐其產(chǎn)品低碳設(shè)計(jì)，提供下游用戶綠色解決方案，支撐綠色營銷。
圖10 總體設(shè)計(jì)思路
圖11 全流程低碳產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程
4、雙碳工業(yè)軟件及數(shù)據(jù)庫集成開發(fā)。通過鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈物質(zhì)流、能量流、環(huán)境信息流集成與模塊化建模技術(shù)，開發(fā)低門檻、專業(yè)化的國產(chǎn)雙碳工業(yè)軟件和數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)軟件并構(gòu)建起了國內(nèi)首個鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈EPD平臺；建立符合國際規(guī)則超過5000條數(shù)據(jù)集的鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈碳足跡數(shù)據(jù)庫；實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，服務(wù)覆蓋4億噸粗鋼產(chǎn)能。
融合工業(yè)制造業(yè)底層邏輯及LCA方法學(xué)，實(shí)現(xiàn)用戶端企業(yè)通過勾選模塊快速搭建模型，真正實(shí)現(xiàn)用戶的低門檻使用，解決了傳統(tǒng)碳評價軟件面向“專家型”用戶、具有較高專業(yè)門檻和需要用戶自主建模的難題，提高了效率；建立了一套適合中國鋼鐵工業(yè)特點(diǎn)的“LCA軟件算法+國際化數(shù)據(jù)庫+工業(yè)場景反哺”的生態(tài)邏輯，從算法、模型到數(shù)據(jù)更貼合中國鋼鐵工業(yè)的實(shí)際情況，提高了LCA方法在中國鋼鐵工業(yè)企業(yè)的適用性；在中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的組織領(lǐng)導(dǎo)下，建立了國內(nèi)首個鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈EPD平臺（公益性公信平臺），遵循ISO 14025規(guī)定的框架和原則，發(fā)布了首份平臺通用規(guī)則GPI，已累計(jì)發(fā)布產(chǎn)品種類規(guī)則（PCR）11份、EPD172份，并與意大利、瑞典的類似EPD平臺簽訂了互認(rèn)諒解備忘錄（MoU），推動國際互認(rèn)，努力把鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈EPD平臺打造成行業(yè)參與、政府支持、用戶認(rèn)可、市場采信、國際公認(rèn)的平臺，為推進(jìn)鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展“點(diǎn)”的突破向“面”的推進(jìn)轉(zhuǎn)變，發(fā)揮應(yīng)有的功能和價值；結(jié)合國際碳數(shù)據(jù)庫要求及中國企業(yè)特征，建立涵蓋18大類鋼鐵產(chǎn)品，超過5000條數(shù)據(jù)集的鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈碳足跡數(shù)據(jù)庫，包含上游原材料、輔料及能源等，是首個全面支持基于中國本土數(shù)據(jù)的鋼鐵產(chǎn)品LCA碳足跡計(jì)算的數(shù)據(jù)包。
圖12 模塊化建模技術(shù)
圖13 國產(chǎn)化軟件模型體系
四、應(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)目深刻揭示鋼鐵工業(yè)低碳化發(fā)展的物理本質(zhì)，為鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈“雙碳”精益管控奠定理論基礎(chǔ)；完善鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈組織碳核算與產(chǎn)品碳足跡評價相關(guān)方法論，推動鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈碳排放領(lǐng)域相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的互認(rèn)；開發(fā)的中國低碳排放鋼（C2F）標(biāo)準(zhǔn)被歐盟收錄在《Defining low-carbon emissions steel: A comparative analysis of international initiatives and standards》報(bào)告中；開發(fā)的“雙碳”分析模型體系，為鋼鐵行業(yè)、企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略規(guī)劃和低碳排放鋼標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供科學(xué)支撐；構(gòu)建的全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品碳模型體系，通過碳素流協(xié)同管控，實(shí)現(xiàn)減碳量超200萬噸，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2.16億元；工藝參數(shù)級低碳設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，推動低碳產(chǎn)品銷售經(jīng)濟(jì)效益增長3.1億元；雙碳工業(yè)軟件和高質(zhì)量數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于40余家大型鋼鐵企業(yè)，新增產(chǎn)值1.2億元，支撐中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會構(gòu)建國內(nèi)首個鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈EPD平臺（公益性公信平臺），平臺注冊用戶5613家，已累計(jì)發(fā)布產(chǎn)品種類規(guī)則（PCR）11份、EPD172份（鋼鐵類產(chǎn)品143份，鐵礦石產(chǎn)品16份，熔劑礦產(chǎn)品8份，空氣分離氣體產(chǎn)品3份，金屬廢料回收服務(wù)2份），并與意大利、瑞典的類似EPD平臺簽訂了互認(rèn)諒解備忘錄（MoU），旨在與國際同行建立長期合作發(fā)展機(jī)制。項(xiàng)目是鋼鐵行業(yè)踐行國家“雙碳”戰(zhàn)略，發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的典范，對世界鋼鐵全產(chǎn)業(yè)鏈的綠色低碳可持續(xù)發(fā)展也具有重要借鑒和指導(dǎo)作用。
中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織鋼鐵上下游產(chǎn)業(yè)鏈專家的評價委員會一致認(rèn)為該項(xiàng)目成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
圖14 雙碳工業(yè)軟件在企業(yè)碳管理中的應(yīng)用
圖15 雙碳工業(yè)軟件在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用
