Rezultati analize pokazuju da oslanjanje na poboljšanje energetske efikasnosti u kombinaciji samo sa CCUS-om i NET-ovima verovatno neće biti isplativ put za duboku dekarbonizaciju kineskih HTA sektora, posebno teške industrije.Konkretnije, široka primjena čistog vodonika u HTA sektorima može pomoći Kini da postigne neutralnost ugljika isplativo u poređenju sa scenarijem bez proizvodnje i upotrebe čistog vodonika.Rezultati pružaju snažne smjernice za kineski put dekarbonizacije HTA i vrijednu referencu za druge zemlje koje se suočavaju sa sličnim izazovima.
Dekarbonizacija HTA industrijskih sektora čistim vodonikom
Sprovodimo integriranu optimizaciju najnižih troškova puteva ublažavanja do ugljične neutralnosti za Kinu 2060. Četiri scenarija modeliranja definirana su u Tabeli 1: uobičajeno poslovanje (BAU), Kineski nacionalno određeni doprinosi prema Pariškom sporazumu (NDC), neto- nulte emisije sa aplikacijama bez vodonika (ZERO-NH) i neto nulte emisije sa čistim vodonikom (ZERO-H).Sektori HTA u ovoj studiji uključuju industrijsku proizvodnju cementa, gvožđa i čelika i ključnih hemikalija (uključujući amonijak, sodu i kaustičnu sodu) i transport teških tereta, uključujući transport i domaći transport.Puni detalji su dati u odjeljku Metode i Dodatnim napomenama 1–5.Što se tiče sektora željeza i čelika, dominantan udio postojeće proizvodnje u Kini (89,6%) je osnovni proces visoke peći s kisikom, ključni izazov za duboku dekarbonizaciju ovog
industrija.Proces elektrolučne peći činio je samo 10,4% ukupne proizvodnje u Kini 2019. godine, što je 17,5% manje od svjetskog prosjeka i 59,3% manje od udjela u Sjedinjenim Državama18.Analizirali smo 60 ključnih tehnologija za smanjenje emisija u proizvodnji čelika u modelu i klasifikovali ih u šest kategorija (slika 2a): poboljšanje efikasnosti materijala, performanse napredne tehnologije, elektrifikacija, CCUS, zeleni vodonik i plavi vodonik (dopunska tabela 1).Poređenje optimizacije troškova sistema ZERO-H sa scenarijima NDC i ZERO-NH pokazuje da bi uključivanje opcija čistog vodonika donijelo značajno smanjenje ugljika zbog uvođenja procesa vodonične direktne redukcije željeza (vodonik-DRI).Imajte na umu da vodonik može poslužiti ne samo kao izvor energije u proizvodnji čelika, već i kao redukcijski agens za smanjenje ugljika na dopunskoj osnovi u procesu visoke peći-osnovne peći za kisik (BF-BOF) i 100% na putu vodik-DRI.Pod ZERO-H, udio BF-BOF-a bi se smanjio na 34% 2060. godine, sa 45% elektrolučne peći i 21% vodonika-DRI, a čisti vodonik bi opskrbljivao 29% ukupne finalne potražnje za energijom u sektoru.Sa cijenom mreže za solarnu i vjetroelektranu se očekujepad na 38–40 MWh−1 u 2050. godini19, trošak zelenog vodonika
će takođe opasti, a ruta 100% vodonik-DRI može igrati važniju ulogu nego što je ranije priznato.Što se tiče proizvodnje cementa, model uključuje 47 ključnih tehnologija ublažavanja kroz proizvodne procese klasificiranih u šest kategorija (dopunske tabele 2 i 3): energetska efikasnost, alternativna goriva, smanjenje omjera klinkera i cementa, CCUS, zeleni vodonik i plavi vodonik ( Slika 2b).Rezultati pokazuju da poboljšane tehnologije energetske efikasnosti mogu smanjiti samo 8-10% ukupnih emisija CO2 u sektoru cementa, a kogeneracije otpadne topline i oksi-goriva će imati ograničen efekat 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 šljake iz visokih peći, iako kritičari postavljaju pitanje hoće li rezultirajući cement zadržati svoje osnovne kvalitete.Ali trenutni rezultati pokazuju da bi korištenje vodonika zajedno s CCUS-om moglo pomoći sektoru cementa da postigne skoro nultu emisiju CO2 2060. godine.
U scenariju NULA-H, 20 tehnologija baziranih na vodiku (od 47 tehnologija ublažavanja) dolazi u igru u proizvodnji cementa.Otkrili smo da je prosječni trošak smanjenja emisije ugljika kod tehnologija vodonika niži od tipičnih CCUS i pristupa zamjeni goriva (slika 2b).Nadalje, očekuje se da će zeleni vodonik biti jeftiniji od plavog vodonika nakon 2030. godine, kao što je detaljno objašnjeno u nastavku, na oko 0,7 USD–1,6 USD kg−1 H2 (ref. 20), što će dovesti do značajnog smanjenja CO2 u isporuci industrijske topline u proizvodnji cementa .Trenutni rezultati pokazuju da može smanjiti 89-95% CO2 iz procesa grijanja u kineskoj industriji (slika 2b, tehnologije
28–47), što je u skladu sa procjenom Vijeća za vodonik od 84–92% (ref. 21).CCUS mora smanjiti emisiju CO2 iz procesa klinkera iu NULA-H i NULA-NH.Takođe simuliramo upotrebu vodonika kao sirovine u proizvodnji amonijaka, metana, metanola i drugih hemikalija navedenih u opisu modela.U scenariju NULA-H, proizvodnja amonijaka na bazi plina sa toplotom vodonika će dobiti 20% udjela u ukupnoj proizvodnji u 2060. (Slika 3 i Dodatna tabela 4).Model uključuje četiri vrste tehnologija proizvodnje metanola: ugalj u metanol (CTM), koksni gas u metanol (CGTM), prirodni gas u metanol (NTM) i CGTM/NTM sa toplotom vodonika.U scenariju NULA-H, CGTM/NTM sa toplotom vodonika može postići 21% udjela u proizvodnji u 2060. (Sl. 3).Hemikalije su takođe potencijalni nosioci energije vodonika.Na osnovu naše integrisane analize, vodonik može činiti 17% finalne potrošnje energije za snabdevanje toplotom u hemijskoj industriji do 2060. Uz bioenergiju (18%) i električnu energiju (32%), vodik ima glavnu ulogu u 
dekarbonizacija kineske HTA hemijske industrije (slika 4a).
Slika 2 |Potencijal za ublažavanje emisija ugljika i troškovi smanjenja ključnih tehnologija za ublažavanje.a, Šest kategorija od 60 ključnih tehnologija za smanjenje emisija u proizvodnji čelika.b, Šest kategorija od 47 ključnih tehnologija za smanjenje emisija cementa.Tehnologije su navedene po brojevima, uz odgovarajuće definicije uključene u dopunsku tabelu 1 za a i dopunsku tabelu 2 za b.Nivoi spremnosti tehnologije (TRL) svake tehnologije su označeni: TRL3, koncept;TRL4, mali prototip;TRL5, veliki prototip;TRL6, puni prototip u velikoj mjeri;TRL7, predkomercijalna demonstracija;TRL8, demonstracija;TRL10, rano usvajanje;TRL11, zrelo.
Dekarbonizacija načina transporta HTA čistim vodonikom Na osnovu rezultata modeliranja, vodonik takođe ima veliki potencijal za dekarbonizaciju transportnog sektora Kine, iako će za to trebati vremena.Pored LDV-a, drugi načini transporta analizirani u modelu uključuju autobuse voznog parka, kamione (lake/male/srednje/teške), domaće brodarstvo i željeznicu, pokrivajući većinu transporta u Kini.Za LDV vozila, električna vozila će ostati konkurentna u budućnosti.U ZERO-H, penetracija vodoničnih gorivnih ćelija (HFC) na tržište LDV će dostići samo 5% 2060. godine (slika 3).Za autobuse voznog parka, međutim, HFC autobusi će biti konkurentniji od električnih alternativa u 2045. godini i činit će 61% ukupnog voznog parka 2060. u scenariju NULA-H, dok će ostatak biti električni (slika 3).Što se tiče kamiona, rezultati variraju u zavisnosti od opterećenja.Električni pogon će pokretati više od polovine ukupnog voznog parka lakih kamiona do 2035. godine u NULA-NH.Ali u ZERO-H, laki kamioni sa HFC-om će biti konkurentniji od električnih lakih kamiona do 2035. godine i zauzimati 53% tržišta do 2060. Što se tiče kamiona za teške uslove, teretni kamioni sa HFC-om bi dostigli 66% tržišta. tržište u 2060. po scenariju NULA-H.Dizel/bio-dizel/CNG (komprimirani prirodni plin) HDV (teška vozila) će napustiti tržište nakon 2050. u scenarijima NULA-NH i NULA-H (slika 3).HFC vozila imaju dodatnu prednost u odnosu na električna vozila u svojim boljim performansama u hladnim uslovima, što je važno u sjevernoj i zapadnoj Kini.Osim cestovnog transporta, model pokazuje široko rasprostranjeno usvajanje vodoničnih tehnologija u transportu u scenariju NULA-H.Kineski domaći transport je energetski intenzivan i posebno težak izazov dekarbonizacije.Čisti vodonik, posebno kao a
sirovina za amonijak, pruža mogućnost otpreme dekarbonizacije.Najjeftinije rješenje u scenariju NULA-H rezultira 65% penetracije brodova na amonijak i 12% brodova na vodonik u 2060. (Sl. 3).U ovom scenariju, vodonik će činiti u prosjeku 56% finalne potrošnje energije cjelokupnog transportnog sektora 2060. Također smo modelirali upotrebu vodonika u grijanju stambenih objekata (dodatna napomena 6), ali je njegovo usvajanje zanemarljivo i ovaj rad se fokusira na upotreba vodonika u HTA industrijama i transportu teških tereta.Uštede troškova neutralnosti ugljika korištenjem čistog vodonika Ugljično neutralnu budućnost Kine će karakterizirati dominacija obnovljive energije, uz postepeno ukidanje uglja u njegovoj potrošnji primarne energije (slika 4).Nefosilna goriva čine 88% primarne energetske mješavine 2050. i 93% 2060. pod ZERO-H. Vjetar i solarna energija će osigurati polovinu potrošnje primarne energije 2060. U prosjeku, na nacionalnom nivou, udio čistog vodika u ukupnoj finalnoj energiji potrošnja (TFEC) mogla bi dostići 13% 2060. Uzimajući u obzir regionalnu heterogenost proizvodnih kapaciteta u ključnim industrijama po regionima (dodatna tabela 7), postoji deset provincija sa udjelom vodonika u TFEC-u višim od nacionalnog prosjeka, uključujući Unutrašnju Mongoliju, Fujian, Shandong i Guangdong, vođen bogatim solarnim i kopnenim i priobalnim izvorima vjetra i/ili višestrukim industrijskim potrebama za vodonikom.U scenariju NULA-NH, kumulativni trošak ulaganja za postizanje neutralnosti ugljika do 2060. iznosio bi 20,63 biliona dolara, ili 1,58% ukupnog bruto domaćeg proizvoda (BDP) za 2020-2060.Prosječna dodatna investicija na godišnjoj osnovi iznosila bi oko 516 milijardi američkih dolara godišnje.Ovaj rezultat je u skladu sa kineskim planom ublažavanja od 15 biliona dolara do 2050. godine, što predstavlja prosječnu godišnju novu investiciju od 500 milijardi američkih dolara (ref. 22).Međutim, uvođenje opcija čistog vodonika u kineski energetski sistem i industrijske sirovine u scenariju NULA-H rezultira značajno nižim kumulativnim ulaganjem od 18,91 bilijuna dolara do 2060. godine i godišnjiminvesticije bi se smanjile na manje od 1% BDP-a 2060. (Sl.4).Što se tiče HTA sektora, godišnji trošak ulaganja u njihsektori bi iznosili oko 392 milijarde USD godišnje u ZERO-NHscenarija, koji je u skladu sa projekcijom EnergijeTranziciona komisija (400 milijardi američkih dolara) (ref. 23).Međutim, ako je čist
vodonik je ugrađen u energetski sistem i hemijske sirovine, scenario NULA-H ukazuje da bi godišnji trošak ulaganja u HTA sektore mogao biti smanjen na 359 milijardi američkih dolara, uglavnom smanjenjem oslanjanja na skupe CCUS ili NET-ove.Naši rezultati sugeriraju da korištenje čistog vodonika može uštedjeti 1,72 triliona američkih dolara u investicijskim troškovima i izbjeći gubitak od 0,13% ukupnog BDP-a (2020-2060) u poređenju sa putem bez vodonika do 2060.
Slika 3 |Prodor tehnologije u tipične HTA sektore.Rezultati prema scenarijima BAU, NDC, NULA-NH i NULA-H (2020–2060).U svakoj prekretničkoj godini, specifična penetracija tehnologije u različitim sektorima prikazana je obojenim trakama, gdje je svaka traka postotak penetracije do 100% (za potpuno zasjenjenu rešetku).Tehnologije su dalje klasifikovane po različitim tipovima (prikazano u legendama).CNG, komprimirani prirodni plin;LPG, tečni naftni gas;LNG, tečni prirodni gas;w/wo, sa ili bez;EAF, elektrolučna peć;NSP, novi predgrijač suspenzije suhi proces;WHR, povrat otpadne topline.
Vrijeme objave: Mar-13-2023
