Rezultati analize pokazuju da oslanjanje na poboljšanje energetske učinkovitosti u kombinaciji samo s CCUS-om i NET-om vjerojatno neće biti troškovno učinkovit put za duboku dekarbonizaciju kineskih HTA sektora, posebno teške industrije.Točnije, široko rasprostranjena primjena čistog vodika u HTA sektorima može pomoći Kini da postigne neutralnost ugljika isplativo u usporedbi sa scenarijem bez proizvodnje i upotrebe čistog vodika.Rezultati pružaju snažne smjernice za kineski HTA put dekarbonizacije i vrijednu referencu za druge zemlje koje se suočavaju sa sličnim izazovima.
Dekarbonizacija HTA industrijskih sektora čistim vodikom
Provodimo integriranu optimizaciju s najnižim troškovima putova ublažavanja do ugljične neutralnosti za Kinu 2060. godine. Četiri scenarija modeliranja definirana su u tablici 1: uobičajeno poslovanje (BAU), kineski nacionalno određeni doprinosi prema Pariškom sporazumu (NDC), neto nulte emisije s primjenama bez vodika (ZERO-NH) i neto nulte emisije s čistim vodikom (ZERO-H).HTA sektori u ovoj studiji uključuju industrijsku proizvodnju cementa, željeza i čelika i ključnih kemikalija (uključujući amonijak, sodu i kaustičnu sodu) i prijevoz teških tereta, uključujući prijevoz kamionima i domaćim brodovima.Svi detalji navedeni su u odjeljku Metode i Dodatnim bilješkama 1–5.Što se tiče sektora željeza i čelika, dominantni udio postojeće proizvodnje u Kini (89,6%) je osnovnim procesom visoke peći s kisikom, ključnim izazovom za duboku dekarbonizaciju ovog
industrija.Proces u elektrolučnim pećima činio je samo 10,4% ukupne proizvodnje u Kini 2019., što je 17,5% manje od svjetskog prosjeka udjela i 59,3% manje od onog za Sjedinjene Države18.Analizirali smo 60 ključnih tehnologija za smanjenje emisija iz proizvodnje čelika u modelu i klasificirali ih u šest kategorija (Slika 2a): poboljšanje učinkovitosti materijala, performanse napredne tehnologije, elektrifikacija, CCUS, zeleni vodik i plavi vodik (dodatna tablica 1).Usporedba optimizacije troškova sustava ZERO-H s NDC i ZERO-NH scenarijima pokazuje da bi uključivanje opcija čistog vodika dovelo do značajnog smanjenja ugljika zbog uvođenja procesa redukcije željeza (vodik-DRI) izravnog vodika.Imajte na umu da vodik može poslužiti ne samo kao izvor energije u proizvodnji čelika, već i kao redukcijski agens za smanjenje ugljika na dodatnoj osnovi u procesu visoke peći-osnovne kisikove peći (BF-BOF) i 100% u vodikovom-DRI putu.Pod ZERO-H, udio BF-BOF-a smanjio bi se na 34% 2060. godine, s 45% elektrolučne peći i 21% vodikovog DRI-a, a čisti bi vodik zadovoljio 29% ukupne konačne energetske potražnje u sektoru.Uz očekivanu cijenu mreže za solarnu energiju i energiju vjetrapad na US$38–40MWh−1 u 205019, trošak zelenog vodika
također će se smanjiti, a ruta 100% vodik-DRI mogla bi igrati važniju ulogu nego što se prije priznavalo.Što se tiče proizvodnje cementa, model uključuje 47 ključnih tehnologija ublažavanja u proizvodnim procesima razvrstanih u šest kategorija (dodatne tablice 2 i 3): energetska učinkovitost, alternativna goriva, smanjenje omjera klinkera i cementa, CCUS, zeleni vodik i plavi vodik ( Slika 2b).Rezultati pokazuju da poboljšane tehnologije energetske učinkovitosti mogu smanjiti samo 8-10% ukupnih emisija CO2 u sektoru cementa, a kogeneracija otpadne topline i tehnologije s kisikovim gorivom imat će ograničeni učinak ublažavanja (4-8%).Tehnologije za smanjenje omjera klinkera i cementa mogu dati relativno visoko smanjenje ugljika (50-70%), uglavnom uključujući dekarbonizirane sirovine za proizvodnju klinkera korištenjem granulirane troske iz visoke peći, iako kritičari sumnjaju hoće li dobiveni cement zadržati svoje osnovne kvalitete.No trenutni rezultati pokazuju da bi uporaba vodika zajedno s CCUS-om mogla pomoći sektoru cementa da postigne gotovo nulte emisije CO2 2060.
U scenariju ZERO-H, 20 tehnologija temeljenih na vodiku (od 47 tehnologija ublažavanja) dolazi u igru u proizvodnji cementa.Otkrili smo da je prosječni trošak smanjenja emisije ugljika vodikovih tehnologija niži od tipičnih CCUS pristupa i pristupa zamjeni goriva (Slika 2b).Nadalje, očekuje se da će zeleni vodik biti jeftiniji od plavog vodika nakon 2030. godine, kao što je detaljno objašnjeno u nastavku, na oko 0,7–1,6 američkih dolara kg−1 H2 (ref. 20), donoseći značajna smanjenja CO2 u opskrbi industrijskom toplinom u proizvodnji cementa .Trenutačni rezultati pokazuju da može smanjiti 89–95% CO2 iz procesa grijanja u kineskoj industriji (Sl. 2b, tehnologije
28–47), što je u skladu s procjenom Vijeća za vodik od 84–92% (ref. 21).Emisije CO2 iz procesa klinkera moraju se smanjiti uz pomoć CCUS-a iu ZERO-H i ZERO-NH.Također simuliramo upotrebu vodika kao sirovine u proizvodnji amonijaka, metana, metanola i drugih kemikalija navedenih u opisu modela.U ZERO-H scenariju, proizvodnja amonijaka na bazi plina s vodikovom toplinom dobit će 20% udjela u ukupnoj proizvodnji 2060. (Slika 3 i Dodatna tablica 4).Model uključuje četiri vrste tehnologija proizvodnje metanola: ugljen u metanol (CTM), koksni plin u metanol (CGTM), prirodni plin u metanol (NTM) i CGTM/NTM s toplinom vodika.U ZERO-H scenariju, CGTM/NTM s toplinom vodika može postići 21% udjela u proizvodnji 2060. godine (slika 3).Kemikalije su također potencijalni nositelji energije vodika.Na temelju naše integrirane analize, vodik može činiti 17% konačne potrošnje energije za opskrbu toplinom u kemijskoj industriji do 2060. Uz bioenergiju (18%) i električnu energiju (32%), vodik ima glavnu ulogu u 
dekarbonizacija kineske HTA kemijske industrije (Sl. 4a).
Slika 2 |Potencijal za smanjenje emisija ugljika i troškovi smanjenja ključnih tehnologija za ublažavanje emisija.a, Šest kategorija od 60 ključnih tehnologija za smanjenje emisija iz proizvodnje čelika.b, Šest kategorija od 47 ključnih tehnologija za smanjenje emisija cementa.Tehnologije su navedene brojevima, s odgovarajućim definicijama uključenim u Dodatnu tablicu 1 za a i Dodatnu tablicu 2 za b.Označene su razine tehnološke spremnosti (TRL) svake tehnologije: TRL3, koncept;TRL4, mali prototip;TRL5, veliki prototip;TRL6, puni prototip u mjerilu;TRL7,pretkomercijalna demonstracija;TRL8, demonstracija;TRL10, rano usvajanje;TRL11, zrelo.
Dekarbonizacija načina prijevoza HTA s čistim vodikom Na temelju rezultata modeliranja, vodik također ima veliki potencijal za dekarbonizaciju kineskog transportnog sektora, iako će trebati vremena.Osim LDV-ova, drugi načini prijevoza analizirani u modelu uključuju flotne autobuse, kamione (lake/male/srednje/teške), domaće brodove i željeznice, pokrivajući većinu prijevoza u Kini.Što se tiče lakih vozila, električna vozila će ostati konkurentna u pogledu troškova u budućnosti.U NULA-H, prodor vodikovih gorivih ćelija (HFC) na tržište LDV dosegnut će samo 5% u 2060. (slika 3).Međutim, za flotne autobuse, HFC autobusi će biti troškovno konkurentniji od električnih alternativa 2045. godine i činit će 61% ukupne flote 2060. godine u scenariju NULA-H, s ostatkom električnim (slika 3).Što se tiče kamiona, rezultati se razlikuju ovisno o stupnju opterećenja.Električni pogon pokretat će više od polovice ukupne flote lakih kamiona do 2035. u ZERO-NH.Ali u ZERO-H, HFC laki kamioni bit će konkurentniji od električnih lakih kamiona do 2035. i činit će 53% tržišta do 2060. Što se tiče teških kamiona, HFC teški kamioni dosegnuli bi 66% tržišta tržište 2060. u scenariju NULA-H.Dizel/bio-dizel/CNG (komprimirani prirodni plin) HDV (teška vozila) će napustiti tržište nakon 2050. u oba scenarija NULA-NH i NULA-H (slika 3).HFC vozila imaju dodatnu prednost u odnosu na električna vozila u svojim boljim performansama u hladnim uvjetima, što je važno u sjevernoj i zapadnoj Kini.Osim cestovnog prometa, model pokazuje široku primjenu vodikovih tehnologija u brodskom prijevozu u scenariju NULA-H.Kineski domaći brodski prijevoz vrlo je energetski intenzivan i posebno je težak izazov dekarbonizacije.Čisti vodik, posebno kao a
sirovina za amonijak, pruža opciju za otpremu dekarbonizacije.Najjeftinije rješenje u scenariju ZERO-H rezultira 65% prodorom brodova na amonijak i 12% brodova na vodik 2060. godine (slika 3).U ovom scenariju, vodik će činiti prosječno 56% konačne potrošnje energije u cijelom prometnom sektoru 2060. Također smo modelirali upotrebu vodika u stambenom grijanju (dodatna bilješka 6), ali njegovo je usvajanje zanemarivo i ovaj se rad usredotočuje na korištenje vodika u HTA industrijama i transportu teških tereta.Uštede troškova ugljične neutralnosti korištenjem čistog vodika Ugljično neutralnu budućnost Kine karakterizirat će dominacija obnovljive energije, uz postupno ukidanje ugljena u potrošnji primarne energije (slika 4).Nefosilna goriva čine 88% primarne energetske mješavine 2050. i 93% 2060. pod ZERO-H. Vjetar i sunce će opskrbljivati polovicu potrošnje primarne energije 2060. U prosjeku, na nacionalnoj razini, udio čistog vodika u ukupnoj finalnoj energiji potrošnja (TFEC) mogla bi dosegnuti 13% 2060. Uzimajući u obzir regionalnu heterogenost proizvodnih kapaciteta u ključnim industrijama po regijama (dodatna tablica 7), postoji deset provincija s udjelom vodika u TFEC-u višim od nacionalnog prosjeka, uključujući Unutrašnju Mongoliju, Fujian, Shandong i Guangdong, potaknuti bogatim izvorima solarne energije i vjetroelektrana na kopnu i moru i/ili višestrukim industrijskim zahtjevima za vodikom.U scenariju ZERO-NH, kumulativni trošak ulaganja za postizanje ugljične neutralnosti do 2060. iznosio bi 20,63 trilijuna dolara ili 1,58% ukupnog bruto domaćeg proizvoda (BDP) za razdoblje 2020.–2060.Prosječna dodatna investicija na godišnjoj razini bila bi oko 516 milijardi USD godišnje.Ovaj je rezultat u skladu s kineskim planom ublažavanja do 2050. godine vrijednim 15 bilijuna američkih dolara, što je prosječno godišnje novo ulaganje od 500 milijardi američkih dolara (ref. 22).Međutim, uvođenje opcija čistog vodika u kineski energetski sustav i industrijske sirovine u scenariju ZERO-H rezultira znatno nižim kumulativnim ulaganjem od 18,91 trilijuna USD do 2060. i godišnjimulaganja bi se smanjila na manje od 1% BDP-a 2060. (Sl.4).Što se tiče HTA sektora, godišnji trošak ulaganja u onesektora iznosio bi oko 392 milijarde USD godišnje u ZERO-NHscenariju, koji je u skladu s projekcijom EnergetikePrijelazna komisija (400 milijardi USD) (ref. 23).Međutim, ako je čist
vodik je ugrađen u energetski sustav i kemijske sirovine, ZERO-H scenarij pokazuje da bi se godišnji trošak ulaganja u HTA sektore mogao smanjiti na 359 milijardi USD, uglavnom smanjenjem oslanjanja na skupe CCUS ili NET.Naši rezultati sugeriraju da korištenje čistog vodika može uštedjeti 1,72 trilijuna američkih dolara u investicijskim troškovima i izbjeći gubitak od 0,13% u ukupnom BDP-u (2020. – 2060.) u usporedbi s putanjom bez vodika do 2060.
Slika 3 |Prodor tehnologije u tipične HTA sektore.Rezultati prema scenarijima BAU, NDC, ZERO-NH i ZERO-H (2020. – 2060.).U svakoj godini prekretnice, specifični prodor tehnologije u različitim sektorima prikazan je obojenim stupcima, gdje je svaki stupac postotak prodora do 100% (za potpuno osjenčanu rešetku).Tehnologije su dalje klasificirane prema različitim tipovima (prikazano u legendama).CNG, komprimirani prirodni plin;LPG, tekući naftni plin;LNG, tekući prirodni plin;w/wo, sa ili bez;EAF, elektrolučna peć;NSP, novi suhi postupak predgrijača suspenzije;WHR, povrat otpadne topline.
Vrijeme objave: 13. ožujka 2023
