Breaking the hard-to-abate bottleneck in China‘s path to carbon neutrality with clean hydrogen（1）

Razbijanje teško otklonivog uskog grla na kineskom putu prema ugljičnoj neutralnosti čistim vodikom

Zemlje poput Kine suočavaju se s uskim grlom na svom putu ka ugljičnoj neutralnosti: smanjenjem emisija u teškim industrijama i teškom prijevozu.Malo je dubinskih studija o potencijalnoj ulozi čistog vodika u ovim sektorima koji se teško smanjuju (HTA).Ovdje provodimo integriranu dinamičku analizu modeliranja najniže cijene.Rezultati pokazuju da, prvo, čisti vodik može biti i glavni nositelj energije i sirovina koja može značajno smanjiti emisije ugljika teške industrije.Također može opskrbljivati do 50% kineskih flota teških kamiona i autobusa do 2060. i značajne udjele u brodskom prometu.Drugo, realistični scenarij čistog vodika koji dosegne 65,7 Mt proizvodnje u 2060. mogao bi izbjeći nova ulaganja od 1,72 trilijuna USD u usporedbi sa scenarijem bez vodika.Ova studija pruža dokaze o vrijednosti čistog vodika u HTA sektorima za Kinu i zemlje koje se suočavaju sa sličnim izazovima u smanjenju emisija radi postizanja ciljeva neto nule.

Postizanje ugljične neutralnosti hitna je globalna misija, ali ne postoji 'jedna veličina za sve' put kojim bi zemlje s najvećim emisijama mogle ispuniti taj cilj1,2.Većina razvijenih zemalja, poput Sjedinjenih Država i onih u Europi, provode strategije dekarbonizacije usmjerene posebno na velike flote lakih vozila (LDV), proizvodnju električne energije, proizvodnju te poslovne i stambene zgrade, četiri sektora koji zajedno čine veliku većinu svojih emisija ugljika3,4.Nasuprot tome, velike zemlje u razvoju koje emitiraju emisije, poput Kine, imaju vrlo različita gospodarstva i energetske strukture, zahtijevajući različite prioritete dekarbonizacije ne samo u sektorskom smislu, već iu strateškom razvoju novih tehnologija bez ugljika.

Ključne razlike kineskog profila emisija ugljika u usporedbi s profilima zapadnih gospodarstava su mnogo veći udjeli emisija za teške industrije i mnogo manji udjeli za LDV i potrošnju energije u zgradama (slika 1).Kina je daleko prva u svijetu po proizvodnji cementa, željeza i čelika, kemikalija i građevinskog materijala, trošeći ogromne količine ugljena za industrijsko grijanje i proizvodnju koksa.Teška industrija pridonosi 31% trenutačnih ukupnih emisija u Kini, što je udio koji je 8% veći od svjetskog prosjeka (23%), 17% veći od onog u Sjedinjenim Državama (14%) i 13% veći od udjela Europske unije (18%) (ref.5).

Kina se obvezala doseći vrhunac svojih emisija ugljika prije 2030. i postići ugljičnu neutralnost prije 2060. Ova klimatska obećanja dobila su široku pohvalu, ali su također pokrenula pitanja o njihovoj izvedivosti6, dijelom zbog glavne uloge 'teško za smanjenje' (HTA) procesi u kineskom gospodarstvu.Ovi procesi posebice uključuju korištenje energije u teškoj industriji i teškom prijevozu koji će biti teško elektrificirati (a time i prijeći izravno na obnovljivu energiju) i industrijske procese koji sada ovise o fosilnim gorivima kao kemijskim sirovinama. Bilo je nekoliko nedavnih studija1– 3 istražujući putove dekarbonizacije prema ugljičnoj neutralnosti za planiranje cjelokupnog kineskog energetskog sustava, ali s ograničenim analizama HTA sektora.Na međunarodnoj razini, potencijalna rješenja za ublažavanje za HTA sektore počela su privlačiti pozornost posljednjih godina7-14.Dekarbonizacija HTA sektora je izazovna jer ih je teško u potpunosti elektrificirati i/ili troškovno učinkovito7,8.Åhman je naglasio da je ovisnost o putu ključni problem za HTA sektore i da su vizija i dugoročno planiranje za napredne tehnologije potrebni kako bi se sektori HTA, posebno teške industrije, 'oslobodili' od ovisnosti o fosilima9.Studije su istraživale nove materijale i rješenja za ublažavanje u vezi s hvatanjem, korištenjem i/ili skladištenjem ugljika (CCUS) i tehnologijama negativne emisije (NETs)10,11. Barem jedna studija potvrđuje da ih također treba uzeti u obzir u dugoročnom planiranju11.U nedavno objavljenom Šestom izvješću o procjeni Međuvladinog panela za klimatske promjene, uporaba vodika s 'niskom emisijom' prepoznata je kao jedno od ključnih rješenja za ublažavanje za više sektora prema postizanju budućnosti s nultom neto emisijom12.

Postojeća literatura o čistom vodiku uglavnom je usmjerena na mogućnosti proizvodne tehnologije s analizama troškova na strani ponude15.('Čisti' vodik u ovom radu uključuje i 'zeleni' i 'plavi' vodik, prvi proizveden elektrolizom vode korištenjem obnovljive energije, drugi dobiven iz fosilnih goriva, ali dekarboniziran pomoću CCUS-a.) Rasprava o potražnji vodika uglavnom je usmjerena na transportni sektor u razvijenim zemljama—osobito vozila na vodikove gorivne ćelije16,17.Pritisci za dekarbonizaciju teške industrije zaostaju u usporedbi s onima za cestovni promet, odražavajući uobičajene pretpostavke da će teška industrija
ostati posebno teško ublažiti dok se ne pojave nove tehnološke inovacije.Studije o čistom (osobito zelenom) vodiku pokazale su njegovu tehnološku zrelost i opadajuće troškove17, ali potrebne su daljnje studije koje će se usredotočiti na veličinu potencijalnih tržišta i tehnološke zahtjeve industrija za iskorištavanje budućeg rasta ponude čistog vodika16.Razumijevanje potencijala čistog vodika za unapređenje globalne ugljične neutralnosti bit će inherentno pristrano ako su analize ograničene uglavnom na troškove njegove proizvodnje, njegovu potrošnju samo u preferiranim sektorima i njegovu primjenu u razvijenim gospodarstvima. Postojeća literatura o čistom vodiku usmjerena je uglavnom na mogućnosti proizvodne tehnologije s analizama troškova na strani ponude15.('Čisti' vodik u ovom radu uključuje i 'zeleni' i 'plavi' vodik, prvi proizveden elektrolizom vode korištenjem obnovljive energije, drugi dobiven iz fosilnih goriva, ali dekarboniziran pomoću CCUS-a.) Rasprava o potražnji vodika uglavnom je usmjerena na transportni sektor u razvijenim zemljama—osobito vozila na vodikove gorivne ćelije16,17.Pritisci za dekarbonizaciju teške industrije zaostaju u usporedbi s onima za cestovni promet, odražavajući uobičajene pretpostavke da će tešku industriju i dalje biti posebno teško ublažiti dok se ne pojave nove tehnološke inovacije.Studije o čistom (osobito zelenom) vodiku pokazale su njegovu tehnološku zrelost i opadajuće troškove17, ali potrebne su daljnje studije koje će se usredotočiti na veličinu potencijalnih tržišta i tehnološke zahtjeve industrija za iskorištavanje budućeg rasta ponude čistog vodika16.Razumijevanje potencijala čistog vodika za unapređenje globalne ugljične neutralnosti bit će samo po sebi pristrano ako se analize ograniče uglavnom na troškove njegove proizvodnje, njegovu potrošnju samo u preferiranim sektorima i njegovu primjenu u razvijenim gospodarstvima.

Procjena mogućnosti za čisti vodik ovisi o ponovnom procjenjivanju njegovih budućih zahtjeva kao alternativnog goriva i kemijske sirovine u cijelom energetskom sustavu i gospodarstvu, uključujući razmatranje različitih nacionalnih okolnosti.Do danas ne postoji tako sveobuhvatna studija o ulozi čistog vodika u budućnosti Kine s nultom mrežom.Ispunjavanje ove praznine u istraživanju pomoći će u izradi jasnijeg plana za kinesko smanjenje emisija CO2, omogućiti procjenu izvedivosti njezinih obećanja o dekarbonizaciji 2030. i 2060. i pružiti smjernice za druga rastuća gospodarstva u razvoju s velikim sektorima teške industrije.

Slika 1 |Emisije ugljika ključnih zemalja i analitički mehanizam za vodik u energetskom sustavu.a, kineske emisije ugljika u 2019. u usporedbi sa Sjedinjenim Državama, Europom, Japanom i Indijom, prema gorivu.U 2019. izgaranje ugljena zauzelo je najveći udio u emisiji ugljika u Kini (79,62%) i Indiji (70,52%), a izgaranje nafte najviše je doprinijelo emisiji ugljika u Sjedinjenim Državama (41,98%) i Europi (41,27%).b, kineske emisije ugljika u 2019. u usporedbi sa Sjedinjenim Državama, Europom, Japanom i Indijom, po sektorima.Emisije su prikazane lijevo, a proporcije desno u a i b.Udio emisija ugljika iz industrije u Kini (28,10%) i Indiji (24,75%) bio je puno veći od onog u Sjedinjenim Državama (9,26%) i Europi (13,91%) u 2019. c, Tehnički put s vodikovim tehnologijama primijenjenim u HTA sektore.SMR, parni metan reforming;PEM elektroliza, membranska elektroliza polimernog elektrolita;PEC proces, fotoelektrokemijski proces.

Ova studija nastoji odgovoriti na tri ključna pitanja.Prvo, koji su ključni izazovi za dekarbonizaciju HTA sektora u zemljama u razvoju kao što je Kina, za razliku od onih u razvijenim zemljama?Jesu li trenutne tehnologije ublažavanja u HTA sektorima (posebno teškoj industriji) dovoljno učinkovite za postizanje ugljične neutralnosti Kine do 2060.?Drugo, koje su potencijalne uloge čistog vodika kao nositelja energije i sirovine u HTA sektorima, posebno u Kini i drugim zemljama u razvoju koje su tek počele pristupati njegovoj budućoj proizvodnji i upotrebi?Konačno, na temelju dinamičke optimizacije cijelog energetskog sustava Kine

Bi li raširena primjena čistog vodika u HTA sektorima bila isplativa u usporedbi s drugim opcijama?

Ovdje gradimo model integriranog energetskog sustava koji uključuje i ponudu i potražnju u svim sektorima kako bismo analizirali moguću isplativost i uloge čistog vodika u cijelom kineskom gospodarstvu, s naglaskom na nedovoljno istražene HTA sektore (Slika 1c).

Vrijeme objave: 3. ožujka 2023