Rezultatele analizei arată că dependența de îmbunătățirea eficienței energetice, combinată doar cu CCUS și NET-uri, este puțin probabil să fie o cale rentabilă pentru decarbonizarea profundă a sectoarelor HTA din China, în special a industriilor grele.Mai precis, aplicarea pe scară largă a hidrogenului curat în sectoarele HTA poate ajuta China să obțină neutralitatea carbonului în mod eficient, în comparație cu un scenariu fără producția și utilizarea hidrogenului curat.Rezultatele oferă îndrumări puternice pentru calea de decarbonizare a HTA a Chinei și o referință valoroasă pentru alte țări care se confruntă cu provocări similare.
Decarbonizarea sectoarelor industriale HTA cu hidrogen curat
Efectuăm o optimizare integrată la cel mai mic cost a căilor de atenuare către neutralitatea carbonului pentru China în 2060. Patru scenarii de modelare sunt definite în Tabelul 1: business as usual (BAU), contribuțiile determinate la nivel național ale Chinei în temeiul Acordului de la Paris (NDC), net- emisii zero cu aplicații fără hidrogen (ZERO-NH) și emisii nete zero cu hidrogen curat (ZERO-H).Sectoarele HTA din acest studiu includ producția industrială de ciment, fier și oțel și substanțe chimice cheie (inclusiv amoniac, sodă și sodă caustică) și transporturi grele, inclusiv transportul cu camioane și transportul intern.Detaliile complete sunt furnizate în secțiunea Metode și Notele suplimentare 1–5.În ceea ce privește sectorul siderurgic, ponderea dominantă a producției existente în China (89,6%) o reprezintă procesul de bază al furnalului cu oxigen, o provocare cheie pentru decarbonizarea profundă a acestui
industrie.Procesul cuptorului cu arc electric a cuprins doar 10,4% din producția totală în China în 2019, ceea ce este cu 17,5% mai puțin decât ponderea medie mondială și cu 59,3% mai puțin decât cea a Statelor Unite18.Am analizat 60 de tehnologii cheie de reducere a emisiilor de producție de oțel în model și le-am clasificat în șase categorii (Fig. 2a): îmbunătățirea eficienței materialelor, performanța tehnologiei avansate, electrificare, CCUS, hidrogen verde și hidrogen albastru (Tabelul suplimentar 1).Compararea optimizărilor costurilor sistemului ZERO-H cu scenariile NDC și ZERO-NH arată că includerea opțiunilor de hidrogen curat ar produce o reducere notabilă a carbonului datorită introducerii proceselor de reducere directă a fierului cu hidrogen (hidrogen-DRI).Rețineți că hidrogenul poate servi nu numai ca sursă de energie în fabricarea oțelului, ci și ca agent reducător de reducere a carbonului, în mod suplimentar, în procesul BF-BOF și 100% în ruta hidrogen-DRI.Sub ZERO-H, ponderea BF-BOF ar fi redusă la 34% în 2060, cu 45% cuptor cu arc electric și 21% hidrogen-DRI, iar hidrogenul curat ar asigura 29% din cererea totală de energie finală din sector.Cu prețul rețelei pentru energia solară și eoliană de așteptatscăderea la 38–40 MWh-1 USD în 205019, costul hidrogenului verde
va scădea, de asemenea, și ruta 100% hidrogen-DRI poate juca un rol mai important decât se recunoștea anterior.În ceea ce privește producția de ciment, modelul include 47 de tehnologii cheie de atenuare în cadrul proceselor de producție clasificate în șase categorii (Tabelele suplimentare 2 și 3): eficiență energetică, combustibili alternativi, reducerea raportului clincher-ciment, CCUS, hidrogen verde și hidrogen albastru ( Fig. 2b).Rezultatele arată că tehnologiile îmbunătățite de eficiență energetică pot reduce doar 8–10% din emisiile totale de CO2 din sectorul cimentului, iar tehnologiile de cogenerare a căldurii reziduale și oxi-combustibil vor avea un efect de atenuare limitat (4–8%).Tehnologiile de reducere a raportului clincher-ciment pot produce o diminuare relativ ridicată a carbonului (50-70%), incluzând în principal materii prime decarbonizate pentru producția de clincher folosind zgură granulată de furnal, deși criticii se întreabă dacă cimentul rezultat își va păstra calitățile esențiale.Dar rezultatele actuale indică faptul că utilizarea hidrogenului împreună cu CCUS ar putea ajuta sectorul cimentului să atingă emisii de CO2 aproape de zero în 2060.
În scenariul ZERO-H, 20 de tehnologii pe bază de hidrogen (din cele 47 de tehnologii de atenuare) intră în joc în producția de ciment.Constatăm că costul mediu de reducere a carbonului al tehnologiilor cu hidrogen este mai mic decât abordările tipice CCUS și schimbarea combustibilului (Fig. 2b).În plus, hidrogenul verde este de așteptat să fie mai ieftin decât hidrogenul albastru după 2030, așa cum se discută în detaliu mai jos, la aproximativ 0,7 USD–1,6 USD kg-1 H2 (ref. 20), aducând reduceri semnificative de CO2 în furnizarea de căldură industrială în fabricarea cimentului .Rezultatele actuale arată că poate reduce cu 89–95% din CO2 din procesul de încălzire din industria chineză (Fig. 2b, tehnologii).
28–47), care este în concordanță cu estimarea Consiliului Hidrogen de 84–92% (ref. 21).Emisiile de CO2 din procesul de clincher trebuie reduse prin CCUS atât în ZERO-H, cât și în ZERO-NH.De asemenea, simulăm utilizarea hidrogenului ca materie primă în producția de amoniac, metan, metanol și alte substanțe chimice enumerate în descrierea modelului.În scenariul ZERO-H, producția de amoniac pe bază de gaz cu căldură cu hidrogen va câștiga o cotă de 20% din producția totală în 2060 (Fig. 3 și Tabelul suplimentar 4).Modelul include patru tipuri de tehnologii de producere a metanolului: cărbune în metanol (CTM), gaz cocs în metanol (CGTM), gaz natural în metanol (NTM) și CGTM/NTM cu căldură cu hidrogen.În scenariul ZERO-H, CGTM/NTM cu căldură cu hidrogen poate atinge o cotă de producție de 21% în 2060 (Fig. 3).Produsele chimice sunt, de asemenea, potențiali purtători de energie ai hidrogenului.Pe baza analizei noastre integrate, hidrogenul poate reprezenta 17% din consumul final de energie pentru furnizarea de căldură în industria chimică până în 2060. Alături de bioenergie (18%) și electricitate (32%), hidrogenul are un rol major de jucat în 
decarbonizarea industriei chimice HTA din China (Fig. 4a).
Fig. 2 |Potențialul de reducere a emisiilor de carbon și costurile de reducere a tehnologiilor cheie de atenuare.a, șase categorii de 60 de tehnologii cheie de reducere a emisiilor din producția de oțel.b, șase categorii de 47 de tehnologii cheie de reducere a emisiilor de ciment.Tehnologiile sunt enumerate după număr, cu definițiile corespunzătoare incluse în Tabelul suplimentar 1 pentru a și Tabelul suplimentar 2 pentru b.Nivelurile de pregătire a tehnologiei (TRL) ale fiecărei tehnologii sunt marcate: TRL3, concept;TRL4, prototip mic;TRL5, prototip mare;TRL6, prototip complet la scară;TRL7, demonstrație precomercială;TRL8, demonstrație;TRL10, adoptare timpurie;TRL11, matur.
Decarbonizarea modurilor de transport HTA cu hidrogen curat Pe baza rezultatelor modelării, hidrogenul are și un potențial mare de decarbonizare a sectorului de transport al Chinei, deși va dura timp.În plus față de LDV, alte moduri de transport analizate în model includ autobuze, camioane (ușoare/mice/medii/grele), transport maritim intern și căi ferate, acoperind majoritatea transporturilor din China.Pentru LDV-urile, vehiculele electrice par să rămână competitive la prețuri în viitor.În ZERO-H, pătrunderea celulelor de combustibil cu hidrogen (HFC) pe piața LDV va atinge doar 5% în 2060 (Fig. 3).În cazul flotei de autobuze, totuși, autobuzele HFC vor fi mai competitive la prețuri decât alternativele electrice în 2045 și vor cuprinde 61% din flota totală în 2060 în scenariul ZERO-H, restul fiind electrice (Fig. 3).În ceea ce privește camioanele, rezultatele variază în funcție de rata de încărcare.Propulsia electrică va conduce mai mult de jumătate din flota totală de camioane ușoare până în 2035 în ZERO-NH.Dar în ZERO-H, camioanele ușoare cu HFC vor fi mai competitive decât camioanele electrice ușoare până în 2035 și vor cuprinde 53% din piață până în 2060. În ceea ce privește camioanele grele, camioanele HFC ar ajunge la 66% din piață în 2060 în scenariul ZERO-H.Diesel/bio-diesel/GNC (gaz natural comprimat) HDV (vehicule grele) vor ieși de pe piață după 2050 în ambele scenarii ZERO-NH și ZERO-H (Fig. 3).Vehiculele cu HFC au un avantaj suplimentar față de vehiculele electrice în performanța lor mai bună în condiții de frig, important în nordul și vestul Chinei.Dincolo de transportul rutier, modelul arată adoptarea pe scară largă a tehnologiilor cu hidrogen în transportul maritim în scenariul ZERO-H.Transportul intern al Chinei este foarte consumator de energie și reprezintă o provocare deosebit de dificilă de decarbonizare.Hidrogen curat, mai ales ca a
materie primă pentru amoniac, oferă o opțiune pentru decarbonizarea transportului.Soluția cu cel mai mic cost în scenariul ZERO-H are ca rezultat o penetrare de 65% a navelor alimentate cu amoniac și 12% a navelor alimentate cu hidrogen în 2060 (Fig. 3).În acest scenariu, hidrogenul va reprezenta în medie 56% din consumul final de energie al întregului sector de transport în 2060. De asemenea, am modelat utilizarea hidrogenului în încălzirea rezidențială (Nota suplimentară 6), dar adoptarea sa este neglijabilă și această lucrare se concentrează pe utilizarea hidrogenului în industriile HTA și transporturile grele.Economiile de costuri ale neutralității carbonului folosind hidrogen curat Viitorul Chinei, neutru din punct de vedere al carbonului, va fi caracterizat de dominația energiei regenerabile, cu eliminarea treptată a cărbunelui în consumul său de energie primară (Fig. 4).Combustibilii nefosili cuprind 88% din mixul de energie primară în 2050 și 93% în 2060 în cadrul ZERO-H. Wind și solarul vor asigura jumătate din consumul de energie primară în 2060. În medie, la nivel național, ponderea hidrogenului curat din energia finală totală (TFEC) ar putea ajunge la 13% în 2060. Având în vedere eterogenitatea regională a capacităților de producție în industriile cheie pe regiune (Tabelul suplimentar 7), există zece provincii cu cote de hidrogen ale TFEC mai mari decât media națională, inclusiv Mongolia Interioară, Fujian, Shandong și Guangdong, condus de resurse solare bogate și eoliene onshore și offshore și/sau cereri industriale multiple pentru hidrogen.În scenariul ZERO-NH, costul cumulat al investițiilor pentru a obține neutralitatea carbonului până în 2060 ar fi de 20,63 trilioane de dolari, sau 1,58% din produsul intern brut (PIB) agregat pentru 2020-2060.Investiția suplimentară medie pe o bază anuală ar fi de aproximativ 516 miliarde USD pe an.Acest rezultat este în concordanță cu planul de atenuare al Chinei de 15 trilioane de dolari până în 2050, o nouă investiție anuală medie de 500 de miliarde de dolari (ref. 22).Cu toate acestea, introducerea opțiunilor de hidrogen curat în sistemul energetic și în materiile prime industriale ale Chinei în scenariul ZERO-H are ca rezultat o investiție cumulativă semnificativ mai mică de 18,91 trilioane USD până în 2060 și o investiție anualăinvestițiile ar fi reduse la mai puțin de 1% din PIB în 2060 (Fig.4).În ceea ce privește sectoarele HTA, costul anual de investiție în acesteasectoare ar fi în jur de 392 miliarde USD pe an în ZERO-NHscenariu, care este în concordanță cu proiecția EnergieiComisia de tranziție (400 miliarde USD) (ref. 23).Cu toate acestea, dacă este curat
hidrogenul este încorporat în sistemul energetic și în materiile prime chimice, scenariul ZERO-H indică că costul anual de investiții în sectoarele HTA ar putea fi redus la 359 miliarde USD, în principal prin reducerea dependenței de CCUS sau NET costisitoare.Rezultatele noastre sugerează că utilizarea hidrogenului curat poate economisi 1,72 trilioane USD în costuri de investiții și poate evita o pierdere de 0,13% a PIB-ului agregat (2020-2060) în comparație cu o cale fără hidrogen până în 2060.
Fig. 3 |Pătrunderea tehnologiei în sectoarele tipice HTA.Rezultate în scenariile BAU, NDC, ZERO-NH și ZERO-H (2020–2060).În fiecare an de reper, penetrarea tehnologiei specifice în diferite sectoare este indicată de barele colorate, unde fiecare bară reprezintă un procent de penetrare de până la 100% (pentru o rețea complet umbrită).Tehnologiile sunt clasificate în continuare pe diferite tipuri (prezentate în legende).GNC, gaz natural comprimat;GPL, gaz petrolier lichid;GNL, gaz natural lichid;w/wo, cu sau fără;EAF, cuptor cu arc electric;NSP, nou proces uscat de preîncălzire a suspensiei;WHR, recuperarea căldurii reziduale.
Ora postării: 13-mar-2023
