Wyniki analizy pokazują, że poleganie na poprawie efektywności energetycznej w połączeniu z samymi technologiami CCUS i NET raczej nie będzie opłacalną drogą do głębokiej dekarbonizacji chińskich sektorów HTA, zwłaszcza przemysłu ciężkiego.Mówiąc dokładniej, powszechne stosowanie czystego wodoru w sektorach HTA może pomóc Chinom osiągnąć neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla w sposób efektywny kosztowo w porównaniu ze scenariuszem bez produkcji i stosowania czystego wodoru.Wyniki dostarczają solidnych wskazówek dotyczących chińskiej ścieżki dekarbonizacji HTA i cennego odniesienia dla innych krajów stojących przed podobnymi wyzwaniami.
Dekarbonizacja sektorów przemysłowych HTA za pomocą czystego wodoru
Przeprowadzamy zintegrowaną optymalizację po najniższych kosztach ścieżek łagodzenia skutków prowadzących do neutralności węglowej dla Chin w 2060 r. W tabeli 1 zdefiniowano cztery scenariusze modelowania: biznes bez zmian (BAU), chińskie składki ustalone na poziomie krajowym w ramach porozumienia paryskiego (NDC), netto- zerowe emisje z zastosowaniami bezwodorowymi (ZERO-NH) i zerowe emisje netto z czystym wodorem (ZERO-H).Sektory HTA w tym badaniu obejmują przemysłową produkcję cementu, żelaza i stali oraz kluczowych chemikaliów (w tym amoniaku, sody i sody kaustycznej) oraz transport ciężki, w tym transport samochodowy i spedycję krajową.Pełne szczegóły podano w sekcji Metody i uwagach uzupełniających 1–5.Jeśli chodzi o sektor żelaza i stali, dominujący udział istniejącej produkcji w Chinach (89,6%) przypada na podstawowy proces wielkiego pieca tlenowego, kluczowe wyzwanie dla głębokiej dekarbonizacji tego
przemysł.Proces w piecach łukowych stanowił zaledwie 10,4% całkowitej produkcji w Chinach w 2019 r., czyli o 17,5% mniej niż średni światowy udział i 59,3% mniej niż w Stanach Zjednoczonych18.W modelu przeanalizowaliśmy 60 kluczowych technologii ograniczania emisji z produkcji stali i podzieliliśmy je na sześć kategorii (ryc. 2a): poprawa wydajności materiałowej, wydajność zaawansowanej technologii, elektryfikacja, CCUS, zielony wodór i niebieski wodór (tabela uzupełniająca 1).Porównanie optymalizacji kosztów systemu ZERO-H ze scenariuszami NDC i ZERO-NH pokazuje, że włączenie opcji czystego wodoru przyniosłoby znaczną redukcję emisji dwutlenku węgla dzięki wprowadzeniu procesów bezpośredniej redukcji żelaza z wodorem (wodór-DRI).Należy zauważyć, że wodór może służyć nie tylko jako źródło energii w produkcji stali, ale także jako środek redukujący zmniejszający zawartość węgla na zasadzie uzupełniającej w procesie wielkiego pieca-zasadowego pieca tlenowego (BF-BOF) i 100% w procesie wodór-DRI.W ramach ZERO-H udział BF-BOF zostałby zmniejszony do 34% w 2060 r., z 45% elektrycznym piecem łukowym i 21% wodorem-DRI, a czysty wodór dostarczyłby 29% całkowitego końcowego zapotrzebowania na energię w sektorze.Oczekuje się, że ceny sieci dla energii słonecznej i wiatrowej wzrosnąspadek do 38–40 MWh-1 USD w 2050 r.19, koszt zielonego wodoru
również spadnie, a droga 100% wodoru-DRI może odgrywać ważniejszą rolę niż wcześniej uznano.Jeśli chodzi o produkcję cementu, model obejmuje 47 kluczowych technologii ograniczających ryzyko w procesach produkcyjnych, sklasyfikowanych w sześciu kategoriach (tabele uzupełniające 2 i 3): efektywność energetyczna, paliwa alternatywne, zmniejszenie stosunku klinkieru do cementu, CCUS, zielony wodór i niebieski wodór ( Ryc. 2b).Wyniki pokazują, że ulepszone technologie efektywności energetycznej mogą zmniejszyć jedynie 8–10% całkowitej emisji CO2 w sektorze cementowym, a kogeneracja ciepła odpadowego i technologie tlenowo-paliwowe będą miały ograniczony efekt łagodzący (4–8%).Technologie zmniejszające stosunek klinkieru do cementu mogą przynieść stosunkowo duże ograniczenie emisji dwutlenku węgla (50–70%), w tym głównie dekarbonizowane surowce do produkcji klinkieru przy użyciu granulowanego żużla wielkopiecowego, chociaż krytycy kwestionują, czy powstały cement zachowa swoje podstawowe właściwości.Jednak obecne wyniki wskazują, że wykorzystanie wodoru wraz z CCUS może pomóc sektorowi cementowemu osiągnąć niemal zerową emisję CO2 w 2060 r.
W scenariuszu ZERO-H w produkcji cementu bierze udział 20 technologii opartych na wodorze (spośród 47 technologii łagodzących).Stwierdzamy, że średni koszt redukcji emisji dwutlenku węgla w przypadku technologii wodorowych jest niższy niż w przypadku typowych podejść CCUS i zmiany paliwa (ryc. 2b).Ponadto oczekuje się, że zielony wodór będzie tańszy niż niebieski wodór po 2030 r., jak omówiono szczegółowo poniżej, w cenie około 0,7–1,6 USD kg-1 H2 (ref. 20), przynosząc znaczne redukcje CO2 w dostarczaniu ciepła przemysłowego w produkcji cementu .Obecne wyniki pokazują, że może zmniejszyć 89–95% CO2 z procesu ogrzewania w chińskim przemyśle (ryc. 2b, technologie
28–47), co jest zgodne z szacunkami Rady Wodorowej wynoszącymi 84–92% (ref. 21).Emisje CO2 z procesu klinkieru muszą być ograniczane przez CCUS zarówno w ZERO-H, jak i ZERO-NH.Symulujemy również wykorzystanie wodoru jako surowca do produkcji amoniaku, metanu, metanolu i innych chemikaliów wymienionych w opisie modelu.W scenariuszu ZERO-H produkcja amoniaku na bazie gazu z ciepłem wodoru zyska 20% udziału w całkowitej produkcji w 2060 r. (ryc. 3 i tabela uzupełniająca 4).Model obejmuje cztery rodzaje technologii produkcji metanolu: węgiel do metanolu (CTM), gaz koksowniczy do metanolu (CGTM), gaz ziemny do metanolu (NTM) oraz CGTM/NTM z ciepłem wodoru.W scenariuszu ZERO-H CGTM/NTM z ciepłem wodoru może osiągnąć 21% udział w produkcji w 2060 r. (rys. 3).Substancje chemiczne są również potencjalnymi nośnikami energii wodoru.Na podstawie naszej zintegrowanej analizy wodór może stanowić do 2060 r. 17% końcowego zużycia energii na ciepło w przemyśle chemicznym. Wraz z bioenergią (18%) i energią elektryczną (32%), wodór ma do odegrania ważną rolę w 
dekarbonizacja chińskiego przemysłu chemicznego HTA (ryc. 4a).
Ryc. 2 |Potencjał ograniczania emisji dwutlenku węgla i koszty redukcji kluczowych technologii ograniczania emisji.a, Sześć kategorii 60 kluczowych technologii ograniczających emisje przy produkcji stali.b, Sześć kategorii 47 kluczowych technologii ograniczania emisji cementu.Technologie są wymienione według numerów, z odpowiednimi definicjami zawartymi w tabeli dodatkowej 1 dla a i tabeli dodatkowej 2 dla b.Poziomy gotowości technologicznej (TRL) każdej technologii są oznaczone: TRL3, koncepcja;TRL4, mały prototyp;TRL5, duży prototyp;TRL6, pełny prototyp w skali;TRL7, demonstracja przedkomercyjna;TRL8, demonstracja;TRL10, wczesna adopcja;TRL11, dojrzały.
Dekarbonizacja środków transportu HTA za pomocą czystego wodoru Na podstawie wyników modelowania wodór ma również duży potencjał do dekarbonizacji chińskiego sektora transportowego, chociaż zajmie to trochę czasu.Oprócz lekkich pojazdów dostawczych, inne rodzaje transportu analizowane w modelu obejmują flotę autobusów, ciężarówki (lekkie/małe/średnie/ciężkie), żeglugę krajową i koleje, obejmujące większość transportu w Chinach.W przypadku pojazdów LDV pojazdy elektryczne mają pozostać konkurencyjne cenowo w przyszłości.W modelu ZERO-H penetracja wodorowych ogniw paliwowych (HFC) na rynku samochodów dostawczych osiągnie zaledwie 5% w 2060 r. (rys. 3).Jednak w przypadku autobusów flotowych autobusy HFC będą bardziej konkurencyjne kosztowo niż elektryczne alternatywy w 2045 r. i będą stanowić 61% całej floty w 2060 r. w scenariuszu ZERO-H, a pozostała część będzie elektryczna (rys. 3).Jeśli chodzi o samochody ciężarowe, wyniki różnią się w zależności od wskaźnika obciążenia.Napęd elektryczny będzie napędzał ponad połowę całkowitej floty lekkich samochodów ciężarowych do 2035 roku w ZERO-NH.Ale w przypadku ZERO-H, do 2035 r. lekkie samochody ciężarowe HFC będą bardziej konkurencyjne niż lekkie samochody ciężarowe z napędem elektrycznym i do 2060 r. będą stanowiły 53% rynku. rynku w 2060 roku w scenariuszu ZERO-H.Diesel/biodiesel/CNG (sprężony gaz ziemny) Samochody ciężarowe (pojazdy ciężarowe) opuszczą rynek po 2050 r. zarówno w scenariuszach ZERO-NH, jak i ZERO-H (rys. 3).Pojazdy HFC mają dodatkową przewagę nad pojazdami elektrycznymi w postaci lepszych osiągów w niskich temperaturach, co jest ważne w północnych i zachodnich Chinach.Poza transportem drogowym model pokazuje powszechne przyjęcie technologii wodorowych w żegludze w scenariuszu ZERO-H.Żegluga krajowa w Chinach jest bardzo energochłonna i stanowi szczególnie trudne wyzwanie w zakresie dekarbonizacji.Czysty wodór, zwłaszcza jako
surowiec do amoniaku, zapewnia opcję dekarbonizacji żeglugi.Najtańsze rozwiązanie w scenariuszu ZERO-H skutkuje penetracją 65% statków napędzanych amoniakiem i 12% statków napędzanych wodorem w 2060 r. (rys. 3).W tym scenariuszu wodór będzie odpowiadał za średnio 56% końcowego zużycia energii w całym sektorze transportu w 2060 r. Modelowaliśmy również wykorzystanie wodoru w ogrzewaniu mieszkalnym (uwaga dodatkowa 6), ale jego przyjęcie jest znikome, a niniejszy artykuł koncentruje się na wykorzystania wodoru w przemyśle HTA i transporcie ciężkim.Oszczędności wynikające z neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla przy użyciu czystego wodoru Neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla przyszłość Chin będzie charakteryzować się dominacją energii odnawialnej, przy stopniowym wycofywaniu się z węgla w zużyciu energii pierwotnej (rys. 4).Paliwa niekopalne będą stanowić 88% miksu energii pierwotnej w 2050 r. i 93% w 2060 r. w ramach ZERO-H. Wiatr i energia słoneczna pokryją połowę zużycia energii pierwotnej w 2060 r. Średnio krajowy udział czystego wodoru w całkowitej energii końcowej konsumpcja (TFEC) może osiągnąć 13% w 2060 r. Biorąc pod uwagę regionalną heterogeniczność zdolności produkcyjnych w kluczowych branżach według regionu (tabela uzupełniająca 7), istnieje dziesięć prowincji, w których udział wodoru w TFEC jest wyższy niż średnia krajowa, w tym Mongolia Wewnętrzna, Fujian, Shandong i Guangdong, napędzane bogatymi zasobami energii słonecznej, wiatrowej na lądzie i morzu i/lub wielorakim zapotrzebowaniem przemysłu na wodór.W scenariuszu ZERO-NH skumulowany koszt inwestycji w osiągnięcie neutralności węglowej do 2060 r. wyniósłby 20,63 bln USD, czyli 1,58% zagregowanego produktu krajowego brutto (PKB) w latach 2020–2060.Średnia dodatkowa inwestycja w skali roku wyniosłaby około 516 miliardów USD rocznie.Wynik ten jest zgodny z chińskim planem łagodzenia zmian klimatu o wartości 15 bilionów USD do 2050 r., co oznacza średnioroczną nową inwestycję w wysokości 500 mld USD (ref. 22).Jednak wprowadzenie opcji czystego wodoru do chińskiego systemu energetycznego i surowców przemysłowych w scenariuszu ZERO-H skutkuje znacznie niższymi skumulowanymi inwestycjami w wysokości 18,91 bln USD do 2060 r.inwestycje spadłyby do mniej niż 1% PKB w 2060 r. (ryc.4).Jeśli chodzi o sektory HTA, roczny koszt inwestycji w nichsektorów wyniósłby około 392 miliardów USD rocznie w ZERO-NHscenariusza, który jest zgodny z projekcją EnergiiKomisja Przejściowa (400 mld USD) (ref. 23).Jeśli jednak czyste
wodór jest wprowadzany do systemu energetycznego i surowców chemicznych, scenariusz ZERO-H wskazuje, że roczny koszt inwestycji w sektorach HTA mógłby zostać obniżony do 359 miliardów USD, głównie poprzez ograniczenie zależności od kosztownych technologii CCUS lub NET.Nasze wyniki sugerują, że wykorzystanie czystego wodoru może zaoszczędzić 1,72 bln USD na kosztach inwestycyjnych i uniknąć 0,13% utraty zagregowanego PKB (2020–2060) w porównaniu ze ścieżką bez wodoru do 2060 r.
Ryc. 3 |Penetracja technologii w typowych sektorach HTA.Wyniki w ramach scenariuszy BAU, NDC, ZERO-NH i ZERO-H (2020–2060).W każdym przełomowym roku penetracja poszczególnych technologii w różnych sektorach jest pokazana za pomocą kolorowych słupków, gdzie każdy słupek przedstawia procent penetracji do 100% (dla w pełni zacienionej sieci).Technologie są dalej klasyfikowane według różnych typów (pokazanych w legendach).CNG, sprężony gaz ziemny;LPG, gaz płynny;LNG, ciekły gaz ziemny;w / wo, z lub bez;EAF, elektryczny piec łukowy;NSP, nowy suchy proces podgrzewacza zawiesiny;WHR, odzysk ciepła odpadowego.
Czas postu: 13 marca 2023 r
