1973年石油危機以來，日本一直致力于節能減排研究。1992年，《聯合國氣候變化框架公約》獲得通過，并于1994年3月21日起生效。1997年，日本經濟團體聯合會的加盟團體制定了環境自主行動計劃（全球變暖對策），確定針對全球變暖正式開始CO2減排工作。1997年12月《京都議定書》在日本京都通過，并于2005年2月16日正式生效。為了實現日本在《京都議定書》第一承諾期（2008-2012年）約定的、相對基準年（1990年）溫室氣體削減6%的目標，日本制定了《京都議定書目標達成計劃》。2008年7月，日本制定《低碳社會行動計劃》，該計劃分階段、定目標、強舉措地全面推進節能減排。2015年12月《巴黎協定》獲得通過，并于2016年11月4日正式生效，日本提出到2030財年溫室氣體排放相比2013財年減排26%的目標，到2050財年減排80%的長遠目標。遵照《巴黎協定》，2018年日本鐵鋼連盟提出2100年挑戰“零碳鋼”的目標。2020年12月25日，日本政府發布了《綠色增長戰略》，提出到2050年實現“碳中和”目標，構建“零碳社會”。日本政府將應對全球變暖、實現綠色低碳轉型視為后疫情時代拉動日本經濟持續復蘇的新的增長點。
2 日本制鐵低碳發展路徑
作為日本最大的鋼鐵企業，日本制鐵公司深刻認識到氣候變化問題的威脅。為實現可持續發展，日本制鐵從產品生產到運輸，以及在產品最終使用階段，通過降低能源消耗、減少CO2排放以及提高整個供應鏈的能源使用效率，努力遏制氣候變化帶來的影響。
為此，日本制鐵參與了日本鐵鋼連盟提出的《低碳社會行動計劃》以及由新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）資助的“實現零碳鋼的技術開發”項目?！兜吞忌鐣袆佑媱潯贩謨蓚€階段實施，第一階段為2013-2020財年，第二階段為2020-2030財年。生態工藝、生態產品、生態解決方案這三大生態環保理念和革新性技術開發是該計劃實施的四大支柱。
目前，日本制鐵主要通過開發生態工藝、生態產品、生態解決方案，以及開發創新技術來減少CO2排放。基于前期的持續努力，2019財年日本制鐵耗能1089PJ，與1990財年相比下降約13%，其中一部分是由于新冠肺炎疫情導致的產量下降；2019財年噸鋼CO2排放強度增至2.06噸，但CO2排放量則比1990財年下降約12%至9400萬噸。
2.1生態工藝
日本制鐵使用海外進口的鐵礦石、煤炭以及社會產生的廢鋼生產鋼鐵，其一直致力于降低生產和制造過程對環境造成的影響。
首先，日本制鐵有效利用生產過程中產生的能源，如回收副產煤氣和余熱進行發電，其鋼廠產生的所有副產煤氣都用作內部能源，回收率達100%；如將煉焦過程中煤在無氧環境下熱裂解產生的焦爐煤氣和高爐煉鐵產生的高爐煤氣，作為鋼廠加熱爐的燃料或作為發電廠的能源而得到充分利用；鋼廠內用作各種熱源的蒸汽有83%是由廢熱產生的，從而大幅減少燃料消耗；鋼廠內部產生的能源，如廢熱和副產煤氣，81%用于內部發電，其自發電力占比達到89%，其中自發電力的37%通過電力公司向本地社區供應。
其次，借助在高溫高壓下運行的煉鐵高爐和焦爐，對社會或其他行業產生的各種副產品進行回收利用。近年來，日本制鐵一直在積極回收廢塑料和其他廢物。這些以往被填埋或焚燒的廢物，在焦爐和高爐中作為原材料或能源再利用，也是減少CO2排放的另一種途徑。另外，在水泥生產中使用高爐渣可以減少石灰石和燃料的使用，每噸水泥可減少CO2排放320千克（與普通水泥生產相比降低40%以上）。
再次，為減少能耗及CO2排放，日本制鐵采取如下措施，如改進每道工序的操作、改造老舊焦爐和其他設備、引進高效發電設施和制氧機，以及在加熱爐中改用蓄熱式燒嘴等。
最后，為減少CO2排放，日本制鐵正在開發將氫作為還原劑部分替代煤炭的氫還原煉鐵工藝。
2.2生態產品
日本制鐵生產的鋼鐵產品廣泛應用于能源、交通、建筑設備、家居用品等多個領域。產品不僅輕便而且使用壽命長，有助于用戶提高效率，從而有助于節約資源和能源，便于用戶使用時減少CO2排放。其開發的生態產品主要包括：
1）高強汽車板：高強度、易于成形的鋼板兼具強度和成形性，有助于減輕車身重量，提高燃油經濟性，并在車輛碰撞時確保駕駛員和乘客的安全。日本制鐵的目標是開發強度更高的汽車板，并商業化生產，提高汽車板的強度和成形性，滿足汽車安全性的同時減輕重量，從而提高燃油效率。
2）高壓氫氣環境用HRX19TM不銹鋼：具有世界一流的抗氫脆性能，強度高出傳統材料60%，可以進行焊接。作為一種先進的材料，除了滿足加氫站的要求外，它還具有安全、緊湊、長壽的特點，將促進新一代能源的推廣應用。
3）環境影響小的超高強度線材：利用專有工藝開發強度2000MPa級的橋梁纜索用線材，以滿足橋梁建設中客戶的要求。通過消除這種線材生產過程中對鉛的需求，減少制造過程中的資源消耗。
4）船用高韌性鋼板NSafeTM-Hull：該鋼板的延性比高出傳統鋼板50%以上，是全球首個在船舶碰撞或擱淺時防止漏油的鋼種。目前該產品已用于大型散貨船和超大型原油運輸船。
5）Mega NS Hyper BeamTM：Mega NS Hyper BeamTM的腹板厚度比傳統的大截面H型鋼厚20%。該產品與日本的9種傳統H型鋼產品共同獲得EcoLeaf環境標簽，EcoLeaf是一個國際認證計劃，旨在披露與產品生命周期評估相關的定量環境信息。
6）高速鐵路用輪對（輪和軸）：日本制鐵制造的車輪和車軸廣泛應用于日本鐵路系統。通過減小車輪厚度和開發空心車軸減輕重量，并結合高強度、高壽命的軌道和輕量化駕駛設備，為提高鐵路運輸能效作出貢獻。
2.3生態解決方案
日本制鐵認識到，將日本先進的節能技術轉移到海外或是減少全球CO2排放的最有效方式之一，因此，其積極參與日本和海外的許多節能和環境倡議。包括日本制鐵在內的日本鋼鐵工業在全球部門減排方法（Global Sectoral Approach）中處于領先地位，該方法是一項旨在保護環境和節約能源的世界性倡議。日本鋼鐵工業可以將其先進的節能技術轉移到有潛力提高能效的新興國家，為全球范圍內的CO2減排作出貢獻。通過轉讓日本鋼鐵企業的節能技術，2018年在全球范圍內共減少CO2排放6553萬噸，這相當于日本鋼鐵工業CO2排放總量的1/3左右。日本制鐵下屬單位日本制鐵工程公司轉讓其干熄焦設備技術，2018財年減少CO2排放2074萬噸。
作為日本鐵鋼連盟的核心成員，日本制鐵參與跨國項目，并且正在推動與鋼鐵企業相關各方的聯合會議，準備定制的技術清單，對鋼廠的節能狀況進行評估。這是與印度、東南亞等國家和地區開展雙邊節能環保合作的三大支柱。
1）與鋼鐵企業相關方的聯席會議。在新興國家和日本鐵鋼連盟的雙邊會議上，分享關于各國和日本的信息、想法和評論。根據技術清單的準備結果和對鋼廠的評估開展活動，以促進日本節能技術在早期階段向國外轉讓。日本鐵鋼連盟還提供了鋼鐵生產的詳細技術信息和財務方面的信息。截至2019財年，聯席會議已在印度舉行九次，在東盟六國舉行12次。
2）技術定制清單。技術定制清單是一份技術能效清單，被確定為適用于目標國家或地區，提供的信息包括技術大綱和供應商信息。這份清單是為促進日本的節能技術轉讓而編制的，并在對鋼廠進行評估時作為參考。2018財年，技術定制清單更新為印度的第四版和東盟國家的第三版。
3）鋼廠評估。在對國外鋼廠進行具體節能評估時，日本鋼鐵專家會走訪鋼廠，根據清單提出技術建議，并根據設施情況提出運營改進意見。專家們還會根據規定鋼廠CO2排放強度計算方法的國際標準ISO14404分析用能狀況。截至2019財年，日本鐵鋼連盟已對印度12家鋼廠和東盟六國14家鋼廠進行評估。另外，日本制鐵還參與世界鋼鐵協會的氣候行動計劃。同時，日本制鐵已被選為世界鋼鐵協會的氣候行動組織成員。近來，相當多的客戶要求確認其鋼鐵供應商是氣候行動組織的成員。
2.4創新技術開發
日本制鐵的研發部門致力于CO2減排的研究，并將CO2的回收和固定作為自上而下的項目。目前日本制鐵正在開發創新技術，目標是在2100年前生產出零碳鋼，零碳鋼是使用氫而不是碳還原鐵礦石生產的。這項工作主要針對以下四個方面的技術進行開發：1）減少CO2排放；2）CO2分離和回收；3）CO2循環利用；4）CO2儲存。
2.4.1減少CO2排放
為減少CO2排放，日本制鐵開發了如下技術：
1）開發余熱回收的干熄焦技術：在焦爐中制成的熱焦炭用惰性氣體淬火，熱量被用來產生蒸汽而發電。與濕法淬火相比，節能40%。
2）開發新一代煉焦技術（Scope21）：Scope21是以強化資源和能源應對能力為目標的國家開發項目。該項目包括縮短煉焦時間、提高焦炭質量等許多創新型技術開發內容。利用該項目開發的技術將會擴大低品位煤的利用并大幅減少CO2排放。
3）開發高爐數字模型：合理調整高爐內氣體流量、固體流量、液體流量、爐料分布等基本因素，降低焦炭等還原劑比例，從而減少CO2排放。
4）開發顯示爐料分布的三維離散單元法（DEM）模型：用DEM模型精確顯示高爐爐頂料面的分布情況，以布置爐料分布，提高反應效率，減少CO2排放。
5）參與環境和諧型煉鐵工藝技術開發項目COURSE50：該項目旨在通過開發在高爐煉鐵還原過程中使用氫氣的技術和采用化學吸收法以低成本分離和回收CO2的技術，實現CO2減排30%。其中，采用鋼廠產生的氫氣（焦爐煤氣）在還原鐵礦石的過程中部分取代碳，實現高爐CO2減排10%；采用捕集、分離和回收高爐煤氣中CO2可使CO2減排20%。目前實現實驗高爐CO2減排10%的目標，同時還對實際尺寸的高爐進行模擬，使該項目更接近于在商業使用的高爐。
6）參與零碳鋼技術開發項目（100%氫還原煉鐵技術）：在鋼鐵工業中，大約70%的CO2排放是在高爐煉鐵過程中產生的。由于日本高爐煉鐵技術的熱效率已提高到接近理論值，進一步減少CO2排放的難度極大。這就是為什么日本制鐵要接受氫氣還原煉鐵工藝的挑戰。由于鐵礦石的氫氣還原反應是吸熱反應，現階段需要建立從外部向反應爐供熱的技術，以及在充分考慮氫氣燃燒特性的基礎上，向反應爐穩定提供大量氫氣的技術。而且，氫氣是無碳的，其大量低成本穩定供應是一個關鍵要求。因此，日本制鐵與日本政府及其他公司一起申請參加由新能源產業技術綜合開發機構資助的“實現零碳鋼的技術開發”項目。這一項目旨在確定多種有前途的創新技術，專注于煉鐵過程脫碳。
7）開發一種全新的制氫工藝：通過開發一種專有的高性能光催化劑材料，利用太陽能生產零排放的氫氣。
8）提高物流效率以實現CO2減排。日本制鐵在日本沿海運輸中使用大型船舶（由700噸改為1500噸）等提高運輸效率，并通過引入節能輪胎、輕型汽車等提高燃油經濟性。特別引入“內島”號混合動力貨船，配備鋰離子電池，真正實現CO2減排。
2.4.2 CO2分離和回收
為實現CO2分離和回收，日本制鐵開發了節能型化學吸收工藝（ESCAPTM），該工藝適用于從高爐和熱電廠等大規模排放源中分離和回收CO2。這項技術作為CO2循環利用的第一步，具有世界一流的性能。該項技術由日本制鐵工程公司投入商業化應用。目前有兩臺裝置分別在室蘭市和新居濱市投入商業運營。
為促進CO2捕集與封存/利用（CCS/CCU）的社會實施和推廣，分離和回收CO2的成本必須降低。目前日本制鐵成功開發的高性能水性吸收劑可以將分離CO2的能耗降低到2.3吉焦/噸。在此基礎上，未來該公司希望將能耗降低至理論最低值1.6吉焦/噸，這意味著相當高的成本。此外，考慮利用工廠廢物中未使用的廢熱，以降低分離和回收的成本，從而開發能夠在較低溫度下分離CO2的吸收液。
2.4.3 CO2循環利用
最近將CO2作為一種有用的碳資源進行循環利用的CCU技術受到了關注。日本制鐵正在開發一種從CO2生產碳酸二甲酯（DMC）的工藝。DMC廣泛用作高性能塑料的原料和鋰電池的電解液。傳統的生產方法使用的是有毒氣體光氣，為此，特別開發氧化鈰催化劑和脫水劑2-氰基吡啶，使反應能夠低壓、低溫、高效地進行，從而有效利用CO2，同時也極大地提高了安全性。
此外，日本制鐵正在利用一種從CO2中制取基礎化合物和燃料的新催化技術，以實現無化石燃料工藝。
2.4.4 CO2儲存
在創建海洋森林的計劃中，日本制鐵啟動了一個基礎研究項目，主要研究利用鋼渣捕集和封存CO2的影響。目前藍碳受到越來越多的關注，但對藍碳生態系統固碳能力評價方法的研究還存在許多挑戰，需要收集大量的數據，包括對生物量的認識、長期固定不溶解生物量的比例、復雜海岸生態系統中碳的動態變化等。這些挑戰源于這樣一個事實，即海洋生態系統的物種類型和地理特征差異很大。為此，日本制鐵使用自備的大型水箱（海洋實驗室），按物種類型和區域收集潛在固碳數據并建立評估方法，在全社會啟動一個有關藍碳的大規模實驗項目。利用鋼渣改善海洋環境，有助于保護生物多樣性和海洋資源，有助于漁業的發展，而通過固定CO2，可以應對氣候變化，預計將會長期有效。
此外，日本制鐵利用鋼渣制成的肥料可促進農產品生長，并幫助固定農田中的CO2。
3 挑戰十大創新技術
日本制鐵成立了“零碳鋼委員會”，主要討論：公司對無碳社會的設想及與CO2減排相關的技術研發。日本制鐵提出以下十項創新技術開發項目：1）氫還原煉鐵零排放；2）高爐煉鐵還原過程中利用氫氣減少CO2排放；3）低成本分離和回收CO2的化學吸收法；4）推廣用于加氫站的HRX19TM，促進氫氣基礎設施的建設；5）開發和推廣作為最終產品使用時幫助減少CO2排放的生態產品（NSafeTM-AutoConcept、電工鋼板）；6）提高廢塑料循環利用效率；7）建立由CO2制取DMC的方法；8）人工光合作用零排放制氫技術；9）利用鋼渣，通過藍碳生態系統固定CO2；10）為適應氣候變化提供“國家恢復力”解決方案。
4日本減緩氣候變化長期愿景及未來技術開發
為應對全球氣候變暖并達成《巴黎協定》的長期目標，日本鐵鋼連盟在努力實現《低碳社會行動計劃》第二階段目標外，還決定制定2030年及以后的“減緩氣候變化長期愿景”，以實現“零碳鋼”。
該愿景的制定首先基于未來全球鋼鐵行業的供需狀況預測。未來，受新興國家人口增長和經濟增長帶動，預計中長期內全球鋼鐵需求將增長，從2015年的12.9億噸增加到2050年的21.3億噸，2100年增加到30.1億噸；預計全球粗鋼產量從2015年的16.2億噸增加到2050年的26.8億噸，2100年增加到37.9億噸。未來，全球鋼鐵生產中廢鋼的用量也會隨全球鋼鐵積蓄量增加成比例增加，預計從2015年的5.6億噸增加到2050年的15.5億噸，2100年增加到29.7億噸。但這不能滿足鋼鐵生產的全部需求。因此，利用自然資源煉鋼是必不可少的。采用高爐長流程工藝生產的生鐵量預計在2100年達到12.0億噸，與2015年基本持平。
其次，該愿景目標的實現基于鋼鐵行業先進節能技術、創新技術和超級創新技術的開發以及應用情況的假設，為此，設定了四種假設條件下的愿景目標：1）一切照舊（BAU）：技術水平保持現狀，但隨廢鋼產生量的增加，廢鋼比增加；2）先進節能技術（BAT）最大程度引入場景：到2050年，最大限度地向全球推廣現有的先進節能技術（干熄焦、TRT等），國際能源署發布的能源技術展望中預期BAT國際推廣應用的CO2減排潛力為21%；3）創新技術最大程度引入場景：目前正在開發的創新技術（COURSE50等）將在2030-2050年期間以最高水平應用于實際生產；4）超級創新技術開發場景：隨著超級創新技術（氫還原煉鐵、CCS等）的開發及應用，以及電網供電實現零碳排放，預計2100年將實現“零碳鋼”。
雖然日本鋼鐵行業不斷努力開發創新的煉鐵技術，但僅依靠這些技術無法實現《巴黎協定》的長期目標，為此，日本鋼鐵工業開始挑戰開發最終實現煉鐵過程零排放的技術，包括使用氫氣還原煉鐵技術、以及CCS、CCU技術。氫還原煉鐵工藝的實際應用是以氫氣作為社會公共能源載體的開發和維護為前提的，因為氫氣不僅廣泛用于鋼鐵生產，而且廣泛用于汽車、消費品等各個領域。鋼鐵生產對氫氣的一個重要要求是穩定的低成本供應。此外，實施CCS除了需要開發大量CO2的廉價運輸和儲存技術外，還需要解決技術方面以外的問題，如CO2儲存場所的安全、社會的接受、實施實體和經濟負擔的分配。因此，實現“零碳鋼”，不僅要開發與鋼鐵行業相關的技術，還需要開發社會公共基礎技術，如無碳能源先進的傳輸、儲存技術，低成本大批量氫氣的制造、運輸和儲存技術，CO2捕集與封存/利用技術等。