Výsledky analýzy ukazují, že spoléhání se na zlepšení energetické účinnosti v kombinaci se samotnými CCUS a NET pravděpodobně nebude nákladově efektivní cestou pro hlubokou dekarbonizaci čínských sektorů HTA, zejména těžkého průmyslu.Přesněji řečeno, rozšířené používání čistého vodíku v odvětvích HTA může Číně pomoci dosáhnout uhlíkové neutrality nákladově efektivně ve srovnání se scénářem bez výroby a používání čistého vodíku.Výsledky poskytují silné vodítko pro čínskou cestu dekarbonizace HTA a cennou referenci pro další země, které čelí podobným problémům.
Dekarbonizace průmyslových sektorů HTA čistým vodíkem
Provádíme integrovanou optimalizaci s nejnižšími náklady zmírňujících cest vedoucích k uhlíkové neutralitě pro Čínu v roce 2060. V tabulce 1 jsou definovány čtyři modelové scénáře: obchodní činnost jako obvykle (BAU), Čínské národně stanovené příspěvky podle Pařížské dohody (NDC), čisté nulové emise u aplikací bez vodíku (ZERO-NH) a čisté nulové emise s čistým vodíkem (ZERO-H).Odvětví HTA v této studii zahrnuje průmyslovou výrobu cementu, železa a oceli a klíčových chemikálií (včetně čpavku, sody a louhu) a těžkou dopravu, včetně kamionové a vnitrostátní přepravy.Úplné podrobnosti jsou uvedeny v části Metody a v doplňkových poznámkách 1–5.Pokud jde o sektor železa a oceli, dominantní podíl stávající výroby v Číně (89,6 %) tvoří základní kyslíko-vysokopecní proces, což je klíčová výzva pro hlubokou dekarbonizaci tohoto odvětví.
průmysl.Proces elektrické obloukové pece představoval v roce 2019 pouze 10,4 % celkové výroby v Číně, což je o 17,5 % méně než je celosvětový průměr a o 59,3 % méně než ve Spojených státech18.V modelu jsme analyzovali 60 klíčových technologií snižování emisí při výrobě oceli a klasifikovali je do šesti kategorií (obr. 2a): zlepšení materiálové účinnosti, výkon pokročilých technologií, elektrifikace, CCUS, zelený vodík a modrý vodík (doplňková tabulka 1).Porovnání systémových optimalizací nákladů ZERO-H se scénáři NDC a ZERO-NH ukazuje, že zahrnutí možností čistého vodíku by přineslo značné snížení uhlíku díky zavedení procesů přímé redukce železa (vodík-DRI).Všimněte si, že vodík může sloužit nejen jako zdroj energie při výrobě oceli, ale také jako redukční činidlo snižující uhlík na doplňkové bázi v procesu vysoké pece-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF) a 100% v cestě vodík-DRI.Podle ZERO-H by se podíl BF-BOF v roce 2060 snížil na 34 %, přičemž 45 % elektrické obloukové pece a 21 % hydrogen-DRI a čistý vodík by pokryl 29 % celkové konečné spotřeby energie v odvětví.Očekává se, že cena sítě za solární a větrnou energii budepokles na 38–40 MWh−1 USD v roce 205019, náklady na zelený vodík
bude také klesat a cesta 100% vodík-DRI může hrát důležitější roli, než se dříve připouštělo.Pokud jde o výrobu cementu, model zahrnuje 47 klíčových zmírňujících technologií napříč výrobními procesy rozdělených do šesti kategorií (doplňkové tabulky 2 a 3): energetická účinnost, alternativní paliva, snížení poměru slínku k cementu, CCUS, zelený vodík a modrý vodík ( Obr. 2b).Výsledky ukazují, že vylepšené technologie energetické účinnosti mohou snížit pouze 8–10 % celkových emisí CO2 v cementářském sektoru a kogenerace odpadního tepla a kyslíko-palivové technologie budou mít omezený zmírňující účinek (4–8 %).Technologie pro snížení poměru slínku k cementu mohou přinést relativně vysoké snížení emisí uhlíku (50–70 %), zejména včetně dekarbonizovaných surovin pro výrobu slínku pomocí granulované vysokopecní strusky, i když kritici pochybují, zda si výsledný cement zachová své základní vlastnosti.Současné výsledky však naznačují, že využití vodíku spolu s CCUS by mohlo pomoci cementářskému sektoru dosáhnout v roce 2060 téměř nulových emisí CO2.
Ve scénáři ZERO-H přichází do hry při výrobě cementu 20 technologií na bázi vodíku (ze 47 zmírňujících technologií).Zjistili jsme, že průměrné náklady na snižování emisí uhlíku u vodíkových technologií jsou nižší než u typických přístupů CCUS a výměny paliva (obr. 2b).Kromě toho se očekává, že zelený vodík bude po roce 2030 levnější než modrý vodík, jak je podrobně diskutováno níže, přibližně 0,7–1,6 USD kg-1 H2 (ref. 20), což přinese významné snížení emisí CO2 při poskytování průmyslového tepla při výrobě cementu. .Současné výsledky ukazují, že dokáže snížit 89–95 % CO2 z procesu vytápění v čínském průmyslu (obr. 2b, technologie
28–47), což je v souladu s odhadem Rady pro vodík ve výši 84–92 % (odkaz 21).Emise CO2 z procesu slínku musí být sníženy pomocí CCUS v ZERO-H i ZERO-NH.Simulujeme také využití vodíku jako suroviny při výrobě čpavku, metanu, metanolu a dalších chemikálií uvedených v popisu modelu.Ve scénáři ZERO-H získá výroba čpavku na bázi plynu s vodíkovým teplem 20% podíl na celkové produkci v roce 2060 (obr. 3 a doplňková tabulka 4).Model zahrnuje čtyři druhy technologií výroby metanolu: uhlí na metanol (CTM), koksárenský plyn na metanol (CGTM), zemní plyn na metanol (NTM) a CGTM/NTM s vodíkovým teplem.Ve scénáři ZERO-H může CGTM/NTM s vodíkovým teplem dosáhnout 21% podílu výroby v roce 2060 (obr. 3).Chemikálie jsou také potenciálními nosiči energie vodíku.Na základě naší integrované analýzy může vodík tvořit 17 % konečné spotřeby energie na zásobování teplem v chemickém průmyslu do roku 2060. Spolu s bioenergií (18 %) a elektřinou (32 %) hraje hlavní roli vodík. 
dekarbonizace čínského chemického průmyslu HTA (obr. 4a).
Obr. 2 |Potenciál zmírňování emisí uhlíku a náklady na snížení klíčových technologií zmírňování emisí.a, Šest kategorií 60 klíčových technologií snižování emisí při výrobě oceli.b, Šest kategorií 47 klíčových technologií snižování emisí cementu.Technologie jsou uvedeny podle čísel, přičemž odpovídající definice jsou uvedeny v doplňkové tabulce 1 pro a a doplňkové tabulce 2 pro b.Úrovně technologické připravenosti (TRL) každé technologie jsou označeny: TRL3, koncept;TRL4, malý prototyp;TRL5, velký prototyp;TRL6, úplný prototyp v měřítku;TRL7,předkomerční demonstrace;TRL8, demonstrace;TRL10, brzké přijetí;TRL11, zralý.
Dekarbonizace způsobů dopravy HTA čistým vodíkem Na základě výsledků modelování má vodík také velký potenciál dekarbonizovat čínský dopravní sektor, i když to bude nějakou dobu trvat.Kromě LDV patří mezi další druhy dopravy analyzované v modelu vozové autobusy, nákladní auta (lehká/malá/střední/těžká), vnitrostátní lodní doprava a železnice, které pokrývají většinu dopravy v Číně.U LDV se elektrická vozidla snaží zůstat cenově konkurenceschopná i v budoucnu.V ZERO-H dosáhne penetrace vodíkových palivových článků (HFC) na trh LDV v roce 2060 pouze 5 % (obr. 3).U vozových autobusů však budou autobusy HFC v roce 2045 cenově konkurenceschopnější než elektrické alternativy a v roce 2060 budou podle scénáře ZERO-H tvořit 61 % celkového vozového parku, přičemž zbytek bude elektrický (obr. 3).U nákladních vozidel se výsledky liší podle míry zatížení.Elektrický pohon bude do roku 2035 v ZERO-NH pohánět více než polovinu celkového vozového parku lehkých nákladních vozidel.Ale v ZERO-H budou do roku 2035 lehká nákladní vozidla s HFC konkurenceschopnější než elektrická lehká nákladní vozidla a do roku 2060 budou tvořit 53 % trhu. trhu v roce 2060 ve scénáři ZERO-H.Diesel/bionafta/CNG (stlačený zemní plyn) HDV (těžká nákladní vozidla) opustí trh po roce 2050 v obou scénářích ZERO-NH i ZERO-H (obr. 3).Vozidla HFC mají oproti elektrickým vozidlům další výhodu v jejich lepším výkonu v chladných podmínkách, což je důležité v severní a západní Číně.Kromě silniční dopravy tento model ukazuje široké přijetí vodíkových technologií v lodní dopravě ve scénáři ZERO-H.Čínská vnitrostátní lodní doprava je velmi energeticky náročná a představuje obzvláště obtížnou výzvu v oblasti dekarbonizace.Čistý vodík, zejména jako a
výchozí surovinou pro čpavek, poskytuje možnost dekarbonizace přepravy.Nejlevnější řešení ve scénáři ZERO-H má za následek 65% penetraci lodí poháněných čpavkem a 12% penetrace lodí poháněných vodíkem v roce 2060 (obr. 3).V tomto scénáři bude vodík v roce 2060 představovat v průměru 56 % konečné spotřeby energie celého sektoru dopravy. Také jsme modelovali využití vodíku při vytápění obytných budov (doplňková poznámka 6), ale jeho přijetí je zanedbatelné a tento článek se zaměřuje na využití vodíku v průmyslu HTA a v těžké dopravě.Úspory nákladů na uhlíkovou neutralitu pomocí čistého vodíku Uhlíkově neutrální budoucnost Číny bude charakterizována dominancí obnovitelné energie s postupným vyřazováním uhlí z její primární spotřeby energie (obr. 4).Nefosilní paliva tvoří 88 % primárního energetického mixu v roce 2050 a 93 % v roce 2060 v režimu ZERO-H. Vítr a solární energie budou v roce 2060 dodávat polovinu spotřeby primární energie. V průměru na národní úrovni bude podíl čistého vodíku na celkové konečné energii spotřeba (TFEC) by mohla v roce 2060 dosáhnout 13 %. S ohledem na regionální heterogenitu výrobních kapacit v klíčových průmyslových odvětvích podle regionů (doplňková tabulka 7) existuje deset provincií s podílem vodíku na TFEC vyšším, než je celostátní průměr, včetně Vnitřního Mongolska, Fujianu, Shandongu a Guangdong, poháněný bohatými solárními a pobřežními a pobřežními větrnými zdroji a/nebo četnými průmyslovými požadavky na vodík.Ve scénáři ZERO-NH by kumulativní investiční náklady na dosažení uhlíkové neutrality do roku 2060 činily 20,63 bilionu dolarů, neboli 1,58 % celkového hrubého domácího produktu (HDP) pro roky 2020–2060.Průměrná dodatečná investice na roční bázi by činila přibližně 516 miliard USD ročně.Tento výsledek je v souladu s čínským plánem na zmírnění dopadů 15 bilionů USD do roku 2050, což je průměrná roční nová investice ve výši 500 miliard USD (odkaz 22).Zavedení možností čistého vodíku do čínského energetického systému a průmyslových surovin ve scénáři ZERO-H však povede k výrazně nižším kumulativním investicím ve výši 18,91 bilionu USD do roku 2060 a ročníinvestice by se v roce 2060 snížily na méně než 1 % HDP (obr.4).Pokud jde o sektory HTA, roční investiční náklady v nichsektory by byly kolem 392 miliard USD ročně v ZERO-NHscénář, který je v souladu s projekcí EnergieTransition Commission (400 miliard USD) (ref. 23).Pokud však čisté
vodík je začleněn do energetického systému a chemických surovin, scénář ZERO-H naznačuje, že roční investiční náklady v sektorech HTA by mohly být sníženy na 359 miliard USD, zejména snížením závislosti na nákladných CCUS nebo NET.Naše výsledky naznačují, že používání čistého vodíku může ušetřit 1,72 bilionu USD na investičních nákladech a vyhnout se 0,13% ztrátě celkového HDP (2020–2060) ve srovnání s cestou bez vodíku až do roku 2060.
Obr. 3 |Pronikání technologií do typických odvětví HTA.Výsledky podle scénářů BAU, NDC, ZERO-NH a ZERO-H (2020–2060).V každém milníku roku je penetrace konkrétní technologie v různých sektorech znázorněna barevnými pruhy, kde každý pruh představuje procento penetrace až do 100 % (pro plně zastíněnou mřížku).Technologie jsou dále klasifikovány podle různých typů (viz legendy).CNG, stlačený zemní plyn;LPG, kapalný ropný plyn;LNG, kapalný zemní plyn;w/w, s nebo bez;EAF, elektrická oblouková pec;NSP, nový suchý proces předehřívače suspenze;WHR, rekuperace odpadního tepla.
Čas odeslání: 13. března 2023
