Výsledky analýzy ukazujú, že spoliehanie sa na zlepšenie energetickej účinnosti v kombinácii so samotnými CCUS a NET pravdepodobne nebude nákladovo efektívnou cestou hlbokej dekarbonizácie čínskych sektorov HTA, najmä ťažkého priemyslu.Presnejšie povedané, rozšírené používanie čistého vodíka v sektoroch HTA môže Číne pomôcť dosiahnuť uhlíkovú neutralitu nákladovo efektívne v porovnaní so scenárom bez výroby a používania čistého vodíka.Výsledky poskytujú silný návod pre čínsku cestu dekarbonizácie HTA a cennú referenciu pre ďalšie krajiny, ktoré čelia podobným problémom.
Dekarbonizácia priemyselných sektorov HTA čistým vodíkom
Uskutočňujeme integrovanú optimalizáciu spôsobov zmierňovania emisií smerom k uhlíkovej neutralite pre Čínu v roku 2060 s najnižšími nákladmi. V tabuľke 1 sú definované štyri modelové scenáre: bežný chod (BAU), čínske národne stanovené príspevky podľa Parížskej dohody (NDC), čisté nulové emisie pri aplikáciách bez vodíka (ZERO-NH) a čisté nulové emisie pri použití čistého vodíka (ZERO-H).Sektory HTA v tejto štúdii zahŕňajú priemyselnú výrobu cementu, železa a ocele a kľúčových chemikálií (vrátane amoniaku, sódy a lúhu sodného) a ťažkú prepravu vrátane kamiónovej a vnútroštátnej lodnej dopravy.Úplné podrobnosti sú uvedené v časti Metódy a v doplnkových poznámkach 1–5.Pokiaľ ide o sektor železa a ocele, dominantný podiel na existujúcej výrobe v Číne (89,6 %) má základný kyslíkovo-vysokopecný proces, čo je kľúčová výzva pre hĺbkovú dekarbonizáciu tohto odvetvia.
priemyslu.Proces elektrickej oblúkovej pece predstavoval v roku 2019 v Číne iba 10,4 % celkovej výroby, čo je o 17,5 % menej ako svetový priemer a o 59,3 % menej ako v Spojených štátoch18.V modeli sme analyzovali 60 kľúčových technológií na zníženie emisií pri výrobe ocele a klasifikovali sme ich do šiestich kategórií (obr. 2a): zlepšenie materiálovej efektívnosti, výkon pokročilých technológií, elektrifikácia, CCUS, zelený vodík a modrý vodík (doplnková tabuľka 1).Porovnanie optimalizácie nákladov systému ZERO-H so scenármi NDC a ZERO-NH ukazuje, že zahrnutie možností čistého vodíka by prinieslo značné zníženie uhlíka vďaka zavedeniu procesov priamej redukcie železa (vodík-DRI) vodíkom.Všimnite si, že vodík môže slúžiť nielen ako zdroj energie pri výrobe ocele, ale aj ako redukčné činidlo znižujúce uhlík na doplnkovej báze v procese vysokej pece a základnej kyslíkovej pece (BF-BOF) a 100 % pri ceste vodík-DRI.V rámci ZERO-H by sa podiel BF-BOF v roku 2060 znížil na 34 %, pričom by 45 % predstavovala elektrická oblúková pec a 21 % vodík-DRI a čistý vodík by pokryl 29 % celkovej konečnej spotreby energie v sektore.Očakáva sa, že cena siete za solárnu a veternú energiu budepokles nákladov na zelený vodík na 38 – 40 MWh-1 v roku 205019
bude tiež klesať a cesta 100% vodíka-DRI môže hrať dôležitejšiu úlohu, ako sa predtým uznávalo.Pokiaľ ide o výrobu cementu, model zahŕňa 47 kľúčových zmierňujúcich technológií vo výrobných procesoch rozdelených do šiestich kategórií (doplnkové tabuľky 2 a 3): energetická účinnosť, alternatívne palivá, zníženie pomeru slinku k cementu, CCUS, zelený vodík a modrý vodík ( Obr. 2b).Výsledky ukazujú, že vylepšené technológie energetickej účinnosti môžu znížiť len 8 – 10 % celkových emisií CO2 v sektore cementu a kogenerácia odpadového tepla a kyslíkovo-palivové technológie budú mať obmedzený účinok na zmiernenie (4 – 8 %).Technológie na zníženie pomeru slinku k cementu môžu priniesť relatívne vysoké zníženie emisií uhlíka (50 – 70 %), najmä vrátane dekarbonizovaných surovín na výrobu slinku pomocou granulovanej vysokopecnej trosky, hoci kritici pochybujú, či si výsledný cement zachová svoje základné kvality.Súčasné výsledky však naznačujú, že využitie vodíka spolu s CCUS by mohlo pomôcť cementárskemu sektoru dosiahnuť takmer nulové emisie CO2 v roku 2060.
V scenári ZERO-H prichádza do hry pri výrobe cementu 20 technológií na báze vodíka (zo 47 zmierňujúcich technológií).Zistili sme, že priemerné náklady na znižovanie emisií uhlíka pri vodíkových technológiách sú nižšie ako pri typických prístupoch CCUS a pri zmene paliva (obr. 2b).Okrem toho sa očakáva, že zelený vodík bude po roku 2030 lacnejší ako modrý vodík, ako je podrobne uvedené nižšie, približne 0,7 – 1,6 USD kg-1 H2 (odkaz 20), čo prinesie významné zníženie CO2 pri poskytovaní priemyselného tepla pri výrobe cementu. .Súčasné výsledky ukazujú, že dokáže znížiť 89–95 % CO2 z procesu vykurovania v čínskom priemysle (obr. 2b, technológie
28 – 47), čo je v súlade s odhadom Rady pre vodík 84 – 92 % (odkaz 21).Emisie CO2 z procesu slinku musia byť znížené pomocou CCUS v ZERO-H aj ZERO-NH.Taktiež simulujeme využitie vodíka ako suroviny pri výrobe amoniaku, metánu, metanolu a ďalších chemikálií uvedených v popise modelu.V scenári ZERO-H získa výroba amoniaku na báze plynu s vodíkovým teplom 20 % podiel na celkovej produkcii v roku 2060 (obr. 3 a doplnková tabuľka 4).Model zahŕňa štyri druhy technológií výroby metanolu: uhlie na metanol (CTM), koksárenský plyn na metanol (CGTM), zemný plyn na metanol (NTM) a CGTM/NTM s vodíkovým teplom.V scenári ZERO-H môže CGTM/NTM s vodíkovým teplom dosiahnuť v roku 2060 21% podiel výroby (obr. 3).Chemikálie sú tiež potenciálnymi nosičmi energie vodíka.Na základe našej integrovanej analýzy môže vodík do roku 2060 tvoriť 17 % konečnej spotreby energie na zásobovanie teplom v chemickom priemysle. Spolu s bioenergiou (18 %) a elektrickou energiou (32 %) zohráva vodík hlavnú úlohu v 
dekarbonizácia čínskeho chemického priemyslu HTA (obr. 4a).
Obr. 2 |Potenciál zmierňovania emisií uhlíka a náklady na znižovanie emisií kľúčových technológií na zmierňovanie emisií.a, Šesť kategórií 60 kľúčových technológií na zníženie emisií pri výrobe ocele.b, Šesť kategórií 47 kľúčových technológií na zníženie emisií cementu.Technológie sú uvedené podľa čísla, pričom zodpovedajúce definície sú zahrnuté v doplnkovej tabuľke 1 pre a a doplnkovej tabuľke 2 pre b.Úrovne pripravenosti technológie (TRL) každej technológie sú označené: TRL3, koncept;TRL4, malý prototyp;TRL5, veľký prototyp;TRL6, úplný prototyp v mierke;TRL7,predkomerčná demonštrácia;TRL8, demonštrácia;TRL10, skoré prijatie;TRL11, zrelý.
Dekarbonizácia dopravných režimov HTA čistým vodíkom Na základe výsledkov modelovania má vodík tiež veľký potenciál dekarbonizovať čínsky dopravný sektor, aj keď to bude nejaký čas trvať.Okrem LDV medzi ďalšie spôsoby dopravy analyzované v modeli patria flotilové autobusy, nákladné autá (ľahké/malé/stredné/ťažké), vnútroštátna lodná doprava a železnice, ktoré pokrývajú väčšinu dopravy v Číne.Pokiaľ ide o LDV, elektrické vozidlá chcú zostať v budúcnosti cenovo konkurencieschopné.V ZERO-H dosiahne prienik vodíkových palivových článkov (HFC) na trh LDV v roku 2060 iba 5 % (obr. 3).V prípade flotilových autobusov však budú autobusy HFC v roku 2045 nákladovo konkurencieschopnejšie ako elektrické alternatívy a v roku 2060 budú tvoriť 61 % celkového vozového parku v scenári ZERO-H, pričom zvyšok bude elektrický (obr. 3).Čo sa týka nákladných vozidiel, výsledky sa líšia podľa miery zaťaženia.Elektrický pohon bude do roku 2035 v ZERO-NH poháňať viac ako polovicu celkového vozového parku ľahkých úžitkových vozidiel.Ale v ZERO-H budú ľahké nákladné vozidlá s HFC do roku 2035 konkurencieschopnejšie ako elektrické ľahké nákladné vozidlá a do roku 2060 budú tvoriť 53 % trhu. trhu v roku 2060 v scenári ZERO-H.Diesel/bionafta/CNG (stlačený zemný plyn) HDV (ťažké úžitkové vozidlá) opustia trh po roku 2050 v scenári ZERO-NH aj ZERO-H (obr. 3).Vozidlá HFC majú oproti elektrickým vozidlám ďalšiu výhodu v ich lepšom výkone v chladných podmienkach, čo je dôležité v severnej a západnej Číne.Okrem cestnej dopravy model ukazuje široké uplatnenie vodíkových technológií v lodnej doprave v scenári ZERO-H.Čínska domáca lodná doprava je veľmi energeticky náročná a predstavuje obzvlášť náročnú výzvu v oblasti dekarbonizácie.Čistý vodík, najmä ako a
suroviny pre amoniak, poskytuje možnosť dekarbonizácie prepravy.Najlacnejšie riešenie v scenári ZERO-H má za následok 65 % penetráciu lodí poháňaných čpavkom a 12 % lodí poháňaných vodíkom v roku 2060 (obr. 3).V tomto scenári bude vodík v roku 2060 predstavovať v priemere 56 % konečnej spotreby energie celého sektora dopravy. Modelovali sme aj využitie vodíka pri vykurovaní obytných budov (doplnková poznámka 6), ale jeho prijatie je zanedbateľné a tento článok sa zameriava na využívanie vodíka v odvetviach HTA a v ťažkej doprave.Úspora nákladov na uhlíkovú neutralitu s použitím čistého vodíka Uhlíkovo neutrálna budúcnosť Číny bude charakterizovaná dominanciou obnoviteľnej energie s postupným vyraďovaním uhlia z spotreby primárnej energie (obr. 4).Nefosílne palivá tvoria 88 % primárneho energetického mixu v roku 2050 a 93 % v roku 2060 v režime ZERO-H. Veterná a solárna energia budú dodávať polovicu spotreby primárnej energie v roku 2060. V celoštátnom priemere predstavuje podiel čistého vodíka na celkovej konečnej energii spotreba (TFEC) by mohla v roku 2060 dosiahnuť 13 %. Vzhľadom na regionálnu heterogenitu výrobných kapacít v kľúčových odvetviach podľa regiónov (doplnková tabuľka 7) existuje desať provincií s podielom vodíka v TFEC vyšším ako je národný priemer, vrátane Vnútorného Mongolska, Fujianu, Šan-tungu a Guangdong, poháňané bohatými solárnymi a pobrežnými a pobrežnými veternými zdrojmi a/alebo viacerými priemyselnými požiadavkami na vodík.V scenári ZERO-NH by kumulatívne investičné náklady na dosiahnutie uhlíkovej neutrality do roku 2060 predstavovali 20,63 bilióna dolárov alebo 1,58 % agregovaného hrubého domáceho produktu (HDP) na roky 2020–2060.Priemerná dodatočná investícia na ročnom základe by bola približne 516 miliárd USD ročne.Tento výsledok je v súlade s čínskym plánom zmierňovania 15 biliónov USD do roku 2050, čo je priemerná ročná nová investícia 500 miliárd USD (odkaz 22).Zavedenie možností čistého vodíka do čínskeho energetického systému a priemyselných surovín v scenári ZERO-H však má za následok výrazne nižšie kumulatívne investície vo výške 18,91 bilióna USD do roku 2060 a ročnýinvestície by sa v roku 2060 znížili na menej ako 1 % HDP (obr.4).Pokiaľ ide o sektory HTA, ročné investičné náklady v nichsektory by v ZERO-NH predstavovali približne 392 miliárd USD ročnescenár, ktorý je v súlade s projekciou energieTransition Commission (400 miliárd USD) (ref. 23).Ak však čisté
vodík je začlenený do energetického systému a chemických surovín, scenár ZERO-H naznačuje, že ročné investičné náklady v sektoroch HTA by sa mohli znížiť na 359 miliárd USD, najmä znížením závislosti na nákladných CCUS alebo NET.Naše výsledky naznačujú, že používanie čistého vodíka môže ušetriť 1,72 bilióna USD na investičných nákladoch a vyhnúť sa 0,13 % strate celkového HDP (2020 – 2060) v porovnaní s cestou bez vodíka do roku 2060.
Obr. 3 |Prenikanie technológií do typických sektorov HTA.Výsledky podľa scenárov BAU, NDC, ZERO-NH a ZERO-H (2020–2060).V každom míľnikovom roku je špecifická penetrácia technológie v rôznych sektoroch znázornená farebnými pruhmi, kde každý pruh predstavuje percento prieniku až do 100 % (pre úplne zatienenú mriežku).Technológie sú ďalej klasifikované podľa rôznych typov (uvedené v legendách).CNG, stlačený zemný plyn;LPG, kvapalný ropný plyn;LNG, kvapalný zemný plyn;w/wo, s alebo bez;EAF, elektrická oblúková pec;NSP, nový suchý proces predhrievača suspenzie;WHR, rekuperácia odpadového tepla.
Čas odoslania: 13. marca 2023
