Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι η εξάρτηση από τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης σε συνδυασμό μόνο με CCUS και NETs είναι απίθανο να είναι μια οικονομικά αποδοτική οδός για τη βαθιά απαλλαγή από τον άνθρακα των τομέων HTA της Κίνας, ιδιαίτερα των βαρέων βιομηχανιών.Πιο συγκεκριμένα, η ευρεία εφαρμογή καθαρού υδρογόνου σε τομείς HTA μπορεί να βοηθήσει την Κίνα να επιτύχει την ουδετερότητα του άνθρακα οικονομικά αποτελεσματικά σε σύγκριση με ένα σενάριο χωρίς παραγωγή και χρήση καθαρού υδρογόνου.Τα αποτελέσματα παρέχουν ισχυρή καθοδήγηση για το μονοπάτι απανθρακοποίησης HTA της Κίνας και μια πολύτιμη αναφορά για άλλες χώρες που αντιμετωπίζουν παρόμοιες προκλήσεις.
Απανθρακοποίηση βιομηχανικών τομέων HTA με καθαρό υδρογόνο
Πραγματοποιούμε μια ολοκληρωμένη βελτιστοποίηση λιγότερου κόστους των οδών μετριασμού προς την ουδετερότητα άνθρακα για την Κίνα το 2060. Τέσσερα σενάρια μοντελοποίησης ορίζονται στον Πίνακα 1: business as usual (BAU), Εθνικά Καθορισμένες Συνεισφορές της Κίνας σύμφωνα με τη Συμφωνία του Παρισιού (NDC), net- μηδενικές εκπομπές με εφαρμογές χωρίς υδρογόνο (ZERO-NH) και καθαρές μηδενικές εκπομπές με καθαρό υδρογόνο (ZERO-H).Οι τομείς HTA σε αυτή τη μελέτη περιλαμβάνουν τη βιομηχανική παραγωγή τσιμέντου, σιδήρου και χάλυβα και βασικών χημικών ουσιών (συμπεριλαμβανομένης της αμμωνίας, της σόδας και της καυστικής σόδας) και τις μεταφορές βαρέως τύπου, συμπεριλαμβανομένων των φορτηγών και της εγχώριας ναυτιλίας.Πλήρεις λεπτομέρειες παρέχονται στην ενότητα Μέθοδοι και στις Συμπληρωματικές Σημειώσεις 1–5.Όσον αφορά τον τομέα του σιδήρου και του χάλυβα, το κυρίαρχο μερίδιο της υπάρχουσας παραγωγής στην Κίνα (89,6%) είναι η βασική διαδικασία οξυγόνου-υψικαμίνου, μια βασική πρόκληση για τη βαθιά απανθρακοποίηση αυτού.
βιομηχανία.Η διαδικασία της ηλεκτρικής καμίνου τόξου αποτελούσε μόνο το 10,4% της συνολικής παραγωγής στην Κίνα το 2019, που είναι 17,5% λιγότερο από το παγκόσμιο μέσο μερίδιο και 59,3% λιγότερο από αυτό για τις Ηνωμένες Πολιτείες18.Αναλύσαμε 60 βασικές τεχνολογίες μετριασμού των εκπομπών χάλυβα στο μοντέλο και τις ταξινομήσαμε σε έξι κατηγορίες (Εικ. 2α): βελτίωση της απόδοσης των υλικών, απόδοση προηγμένης τεχνολογίας, ηλεκτρισμός, CCUS, πράσινο υδρογόνο και μπλε υδρογόνο (Συμπληρωματικός Πίνακας 1).Η σύγκριση των βελτιστοποιήσεων κόστους του συστήματος του ZERO-H με τα σενάρια NDC και ZERO-NH δείχνει ότι η συμπερίληψη επιλογών καθαρού υδρογόνου θα απέφερε αξιοσημείωτη μείωση του άνθρακα λόγω της εισαγωγής διεργασιών άμεσης μείωσης του σιδήρου από υδρογόνο (hydrogen-DRI).Σημειώστε ότι το υδρογόνο μπορεί να χρησιμεύσει όχι μόνο ως πηγή ενέργειας στη χαλυβουργία αλλά και ως παράγοντας μείωσης του άνθρακα σε συμπληρωματική βάση στη διαδικασία Βασικού Οξυγόνου (BF-BOF) και 100% στη διαδρομή υδρογόνου-DRI.Κάτω από το ZERO-H, το μερίδιο του BF-BOF θα μειωνόταν στο 34% το 2060, με 45% ηλεκτρικό τόξο και 21% υδρογόνο-DRI, και το καθαρό υδρογόνο θα προμήθευε το 29% της συνολικής τελικής ενεργειακής ζήτησης στον τομέα.Με την τιμή δικτύου για ηλιακή και αιολική ενέργεια να αναμένεται ναμείωση σε US$38–40MWh−1 το 205019, το κόστος του πράσινου υδρογόνου
θα μειωθεί επίσης και η οδός υδρογόνου-DRI 100% μπορεί να διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο από ό,τι είχε αναγνωριστεί προηγουμένως.Όσον αφορά την παραγωγή τσιμέντου, το μοντέλο περιλαμβάνει 47 βασικές τεχνολογίες μετριασμού σε όλες τις διαδικασίες παραγωγής που ταξινομούνται σε έξι κατηγορίες (Συμπληρωματικοί πίνακες 2 και 3): ενεργειακή απόδοση, εναλλακτικά καύσιμα, μείωση της αναλογίας κλίνκερ προς τσιμέντο, CCUS, πράσινο υδρογόνο και μπλε υδρογόνο ( Εικ. 2β).Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι βελτιωμένες τεχνολογίες ενεργειακής απόδοσης μπορούν να μειώσουν μόνο το 8-10% των συνολικών εκπομπών CO2 στον τομέα του τσιμέντου και οι τεχνολογίες συμπαραγωγής απορριμμάτων-θερμότητας και οξυ-καυσίμων θα έχουν περιορισμένο αποτέλεσμα μετριασμού (4-8%).Οι τεχνολογίες για τη μείωση της αναλογίας κλίνκερ προς τσιμέντο μπορούν να αποφέρουν σχετικά υψηλό μετριασμό του άνθρακα (50-70%), κυρίως συμπεριλαμβανομένων των απανθρακωμένων πρώτων υλών για την παραγωγή κλίνκερ με χρήση κοκκοποιημένης σκωρίας υψικαμίνου, αν και οι επικριτές αμφισβητούν εάν το προκύπτον τσιμέντο θα διατηρήσει τις βασικές του ιδιότητες.Ωστόσο, τα τρέχοντα αποτελέσματα δείχνουν ότι η χρήση του υδρογόνου μαζί με το CCUS θα μπορούσε να βοηθήσει τον τομέα του τσιμέντου να επιτύχει σχεδόν μηδενικές εκπομπές CO2 το 2060.
Στο σενάριο ZERO-H, 20 τεχνολογίες με βάση το υδρογόνο (από τις 47 τεχνολογίες μετριασμού) μπαίνουν στο παιχνίδι στην παραγωγή τσιμέντου.Διαπιστώνουμε ότι το μέσο κόστος μείωσης του άνθρακα των τεχνολογιών υδρογόνου είναι χαμηλότερο από τις τυπικές προσεγγίσεις CCUS και αλλαγής καυσίμου (Εικ. 2β).Επιπλέον, το πράσινο υδρογόνο αναμένεται να είναι φθηνότερο από το μπλε υδρογόνο μετά το 2030, όπως αναλύεται λεπτομερώς παρακάτω, σε περίπου 0,7-1,6 $ ΗΠΑ kg−1 H2 (αναφ. 20), επιφέροντας σημαντικές μειώσεις CO2 στην παροχή βιομηχανικής θερμότητας στην τσιμεντοβιομηχανία .Τα τρέχοντα αποτελέσματα δείχνουν ότι μπορεί να μειώσει το 89–95% του CO2 από τη διαδικασία θέρμανσης στη βιομηχανία της Κίνας (Εικ. 2β, τεχνολογίες
28–47), η οποία είναι συνεπής με την εκτίμηση του Συμβουλίου Υδρογόνου για 84–92% (αναφ. 21).Οι εκπομπές CO2 της διεργασίας κλίνκερ πρέπει να μειωθούν με CCUS τόσο στο ZERO-H όσο και στο ZERO-NH.Προσομοιώνουμε επίσης τη χρήση του υδρογόνου ως πρώτης ύλης στην παραγωγή αμμωνίας, μεθανίου, μεθανόλης και άλλων χημικών ουσιών που αναφέρονται στην περιγραφή του μοντέλου.Στο σενάριο ZERO-H, η παραγωγή αμμωνίας με βάση το αέριο με θερμότητα υδρογόνου θα κερδίσει μερίδιο 20% της συνολικής παραγωγής το 2060 (Εικ. 3 και Συμπληρωματικός Πίνακας 4).Το μοντέλο περιλαμβάνει τέσσερα είδη τεχνολογιών παραγωγής μεθανόλης: άνθρακα σε μεθανόλη (CTM), αέριο οπτάνθρακα σε μεθανόλη (CGTM), φυσικό αέριο σε μεθανόλη (NTM) και CGTM/NTM με θερμότητα υδρογόνου.Στο σενάριο ZERO-H, το CGTM/NTM με θερμότητα υδρογόνου μπορεί να επιτύχει μερίδιο παραγωγής 21% το 2060 (Εικ. 3).Οι χημικές ουσίες είναι επίσης δυνητικοί φορείς ενέργειας του υδρογόνου.Με βάση την ολοκληρωμένη ανάλυσή μας, το υδρογόνο μπορεί να αποτελεί το 17% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας για παροχή θερμότητας στη χημική βιομηχανία έως το 2060. Μαζί με τη βιοενέργεια (18%) και την ηλεκτρική ενέργεια (32%), το υδρογόνο έχει να παίξει σημαντικό ρόλο στην 
απανθρακοποίηση της χημικής βιομηχανίας HTA της Κίνας (Εικ. 4α).
Εικ. 2 |Δυνατότητα μετριασμού του άνθρακα και κόστος μείωσης των βασικών τεχνολογιών μετριασμού.α, Έξι κατηγορίες 60 βασικών τεχνολογιών μετριασμού των εκπομπών της χαλυβουργίας.β, Έξι κατηγορίες 47 βασικών τεχνολογιών μετριασμού των εκπομπών τσιμέντου.Οι τεχνολογίες παρατίθενται κατά αριθμό, με αντίστοιχους ορισμούς που περιλαμβάνονται στον Συμπληρωματικό Πίνακα 1 για το α και στον Συμπληρωματικό Πίνακα 2 για το β.Τα επίπεδα τεχνολογικής ετοιμότητας (TRL) κάθε τεχνολογίας επισημαίνονται: TRL3, concept;TRL4, μικρό πρωτότυπο.TRL5, μεγάλο πρωτότυπο.TRL6, πλήρες πρωτότυπο σε κλίμακα.TRL7, προεμπορική επίδειξη.TRL8, επίδειξη;TRL10, έγκαιρη υιοθέτηση.TRL11, ώριμο.
Απανθρακοποίηση τρόπων μεταφοράς HTA με καθαρό υδρογόνο Με βάση τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης, το υδρογόνο έχει επίσης μεγάλες δυνατότητες απανθρακοποίησης του τομέα μεταφορών της Κίνας, αν και θα χρειαστεί χρόνος.Εκτός από τα LDV, άλλοι τρόποι μεταφοράς που αναλύονται στο μοντέλο περιλαμβάνουν λεωφορεία στόλου, φορτηγά (ελαφριά/μικρά/μεσαία/βαρέα), εγχώρια ναυτιλία και σιδηρόδρομους, που καλύπτουν τις περισσότερες μεταφορές στην Κίνα.Για τα LDV, τα ηλεκτρικά οχήματα φαίνεται να παραμένουν ανταγωνιστικά στο κόστος στο μέλλον.Στο ZERO-H, η διείσδυση κυψελών καυσίμου υδρογόνου (HFC) στην αγορά LDV θα φτάσει μόνο το 5% το 2060 (Εικ. 3).Για τα λεωφορεία στόλου, ωστόσο, τα λεωφορεία HFC θα είναι πιο ανταγωνιστικά στο κόστος από τα ηλεκτρικά εναλλακτικά το 2045 και θα αποτελούν το 61% του συνολικού στόλου το 2060 στο σενάριο ZERO-H, με τα υπόλοιπα ηλεκτρικά (Εικ. 3).Όσον αφορά τα φορτηγά, τα αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με τον ρυθμό φόρτωσης.Η ηλεκτρική πρόωση θα οδηγεί περισσότερο από το ήμισυ του συνολικού στόλου ελαφρών φορτηγών έως το 2035 στο ZERO-NH.Αλλά στο ZERO-H, τα ελαφρά φορτηγά HFC θα είναι πιο ανταγωνιστικά από τα ηλεκτρικά ελαφρά φορτηγά έως το 2035 και θα αποτελούν το 53% της αγοράς έως το 2060. Όσον αφορά τα βαρέα φορτηγά, τα βαρέα φορτηγά HFC θα φτάσουν το 66% του αγορά το 2060 στο σενάριο ZERO-H.Diesel/bio-diesel/CNG (συμπιεσμένο φυσικό αέριο) HDV (βαρέα οχήματα) θα εγκαταλείψουν την αγορά μετά το 2050 και στα δύο σενάρια ZERO-NH και ZERO-H (Εικ. 3).Τα οχήματα HFC έχουν ένα πρόσθετο πλεονέκτημα έναντι των ηλεκτρικών οχημάτων για την καλύτερη απόδοσή τους σε ψυχρές συνθήκες, σημαντικό στη βόρεια και δυτική Κίνα.Πέρα από τις οδικές μεταφορές, το μοντέλο δείχνει ευρεία υιοθέτηση τεχνολογιών υδρογόνου στη ναυτιλία στο σενάριο ZERO-H.Η εγχώρια ναυτιλία της Κίνας είναι πολύ ενεργοβόρα και μια ιδιαίτερα δύσκολη πρόκληση απαλλαγής από τον άνθρακα.Καθαρό υδρογόνο, ειδικά ως α
πρώτη ύλη για την αμμωνία, παρέχει μια επιλογή για την απαλλαγή από τον άνθρακα.Η λύση με το χαμηλότερο κόστος στο σενάριο ZERO-H έχει ως αποτέλεσμα τη διείσδυση 65% των πλοίων που τροφοδοτούνται με αμμωνία και 12% των πλοίων με καύσιμα υδρογόνου το 2060 (Εικ. 3).Σε αυτό το σενάριο, το υδρογόνο θα αντιπροσωπεύει κατά μέσο όρο το 56% της τελικής κατανάλωσης ενέργειας ολόκληρου του τομέα των μεταφορών το 2060. Επίσης, μοντελοποιήσαμε τη χρήση υδρογόνου στη θέρμανση κατοικιών (Συμπληρωματική Σημείωση 6), αλλά η υιοθέτησή του είναι αμελητέα και αυτό το έγγραφο εστιάζει σε χρήση υδρογόνου στις βιομηχανίες HTA και στις βαριές μεταφορές.Εξοικονόμηση κόστους ουδετερότητας άνθρακα με χρήση καθαρού υδρογόνου Το ουδέτερο ως προς τον άνθρακα μέλλον της Κίνας θα χαρακτηρίζεται από κυριαρχία των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, με σταδιακή κατάργηση του άνθρακα στην κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας (Εικ. 4).Τα μη ορυκτά καύσιμα αποτελούν το 88% του πρωτογενούς ενεργειακού μείγματος το 2050 και το 93% το 2060 υπό το ZERO-H. Η Wind και η ηλιακή ενέργεια θα παρέχουν το ήμισυ της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας το 2060. Κατά μέσο όρο, σε εθνικό επίπεδο, το μερίδιο καθαρού υδρογόνου στη συνολική τελική ενέργεια Η κατανάλωση (TFEC) θα μπορούσε να φτάσει το 13% το 2060. Λαμβάνοντας υπόψη την περιφερειακή ετερογένεια των παραγωγικών δυνατοτήτων σε βασικές βιομηχανίες ανά περιοχή (Συμπληρωματικός Πίνακας 7), υπάρχουν δέκα επαρχίες με μερίδια υδρογόνου σε TFEC υψηλότερα από τον εθνικό μέσο όρο, συμπεριλαμβανομένων της Εσωτερικής Μογγολίας, της Φουτζιάν, της Σαντόνγκ και το Γκουανγκντόνγκ, με γνώμονα τους πλούσιους ηλιακούς και χερσαίους και υπεράκτιους αιολικούς πόρους ή/και πολλαπλές βιομηχανικές απαιτήσεις για υδρογόνο.Στο σενάριο ZERO-NH, το σωρευτικό κόστος επένδυσης για την επίτευξη ουδετερότητας άνθρακα έως το 2060 θα είναι 20,63 τρισεκατομμύρια δολάρια, ή 1,58% του συνολικού ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) για την περίοδο 2020-2060.Η μέση πρόσθετη επένδυση σε ετήσια βάση θα είναι περίπου 516 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ ετησίως.Αυτό το αποτέλεσμα είναι συνεπές με το σχέδιο μετριασμού των 15 τρισεκατομμυρίων δολαρίων της Κίνας έως το 2050, μια μέση ετήσια νέα επένδυση 500 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ (αναφ. 22).Ωστόσο, η εισαγωγή επιλογών καθαρού υδρογόνου στο ενεργειακό σύστημα της Κίνας και στις βιομηχανικές πρώτες ύλες στο σενάριο ZERO-H έχει ως αποτέλεσμα μια σημαντικά χαμηλότερη σωρευτική επένδυση 18,91 τρισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ έως το 2060 και την ετήσιαΟι επενδύσεις θα μειωθούν σε λιγότερο από 1% του ΑΕΠ το 2060 (Εικ.4).Όσον αφορά τους κλάδους ΗΤΑ, το ετήσιο κόστος επένδυσης σε αυτούςτομείς θα ήταν περίπου 392 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ ετησίως στο ZERO-NHσενάριο, το οποίο συνάδει με την προβολή της ΕνέργειαςΕπιτροπή Μετάβασης (400 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ) (αναφ. 23).Ωστόσο, αν είναι καθαρό
Το υδρογόνο ενσωματώνεται στο ενεργειακό σύστημα και τις χημικές πρώτες ύλες, το σενάριο ZERO-H δείχνει ότι το ετήσιο κόστος επένδυσης σε τομείς HTA θα μπορούσε να μειωθεί στα 359 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ, κυρίως με τη μείωση της εξάρτησης από δαπανηρές CCUS ή NETs.Τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι η χρήση καθαρού υδρογόνου μπορεί να εξοικονομήσει 1,72 τρισεκατομμύρια δολάρια σε επενδυτικό κόστος και να αποφύγει απώλεια 0,13% στο συνολικό ΑΕΠ (2020–2060) σε σύγκριση με μια διαδρομή χωρίς υδρογόνο έως το 2060.
Εικ. 3 |Διείσδυση τεχνολογίας σε τυπικούς τομείς HTA.Αποτελέσματα σύμφωνα με τα σενάρια BAU, NDC, ZERO-NH και ZERO-H (2020–2060).Σε κάθε έτος ορόσημο, η συγκεκριμένη διείσδυση τεχνολογίας σε διαφορετικούς τομείς φαίνεται από τις έγχρωμες ράβδους, όπου κάθε ράβδος είναι ένα ποσοστό διείσδυσης έως και 100% (για ένα πλήρως σκιασμένο πλέγμα).Οι τεχνολογίες ταξινομούνται περαιτέρω κατά διαφορετικούς τύπους (που παρουσιάζονται στους μύθους).CNG, συμπιεσμένο φυσικό αέριο;LPG, υγραέριο πετρελαίου;ΥΦΑ, υγρό φυσικό αέριο.w/wo, με ή χωρίς?EAF, ηλεκτρικός φούρνος τόξου.NSP, νέα διαδικασία στεγνώματος προθερμαντήρα ανάρτησης.WHR, ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας.
Ώρα δημοσίευσης: Μαρ-13-2023
