Результати аналізу показують, що покладатися на підвищення енергоефективності в поєднанні лише з CCUS і NETs навряд чи буде економічно ефективним шляхом глибокої декарбонізації секторів HTA Китаю, особливо важкої промисловості.Зокрема, широке застосування чистого водню в секторах HTA може допомогти Китаю досягти вуглецевої нейтральності з економічною ефективністю порівняно зі сценарієм без виробництва та використання чистого водню.Результати дають чітке керівництво для шляху декарбонізації ОТЗ у Китаї та є цінною довідкою для інших країн, які стикаються з подібними проблемами.
Декарбонізація промислових секторів HTA за допомогою чистого водню
Ми проводимо комплексну оптимізацію з найменшими витратами шляхів пом’якшення наслідків для досягнення вуглецевої нейтральності для Китаю в 2060 році. Чотири сценарії моделювання визначено в таблиці 1: бізнес як завжди (BAU), національно визначені внески Китаю за Паризькою угодою (NDC), чистий нульові викиди без використання водню (ZERO-NH) і чисті нульові викиди з чистим воднем (ZERO-H).Сектори HTA у цьому дослідженні включають промислове виробництво цементу, чавуну та сталі та ключових хімічних речовин (включно з аміаком, содою та каустичною содою), а також важкий транспорт, включаючи вантажні перевезення та внутрішні морські перевезення.Повна інформація наведена в розділі «Методи» та в додаткових примітках 1–5.Щодо чорної металургії, домінуюча частка існуючого виробництва в Китаї (89,6%) здійснюється за основним киснево-доменним процесом, що є ключовим викликом для глибокої декарбонізації цього
промисловість.Електродугові печі склали лише 10,4% від загального виробництва в Китаї в 2019 році, що на 17,5% менше, ніж у середньому по світу, і на 59,3% менше, ніж у Сполучених Штатах18.Ми проаналізували 60 ключових технологій пом’якшення викидів при виробництві сталі в моделі та класифікували їх за шістьма категоріями (рис. 2а): підвищення ефективності використання матеріалів, ефективність передових технологій, електрифікація, CCUS, зелений водень і блакитний водень (додаткова таблиця 1).Порівняння системної оптимізації вартості сценаріїв ZERO-H зі сценаріями NDC і ZERO-NH показує, що включення варіантів використання чистого водню дасть значне скорочення викидів вуглецю завдяки запровадженню процесів прямого відновлення заліза воднем (водень-DRI).Зауважте, що водень може служити не лише джерелом енергії у виробництві сталі, але також як відновник для зменшення викиду вуглецю на додатковій основі в процесі доменної печі-базової кисневої печі (BF-BOF) і 100% у маршруті водень-DRI.Згідно з ZERO-H, частка BF-BOF зменшиться до 34% у 2060 році, з 45% електродугових печей і 21% воднем-DRI, а чистий водень забезпечить 29% загального кінцевого попиту на енергію в секторі.Очікується, що ціни на сонячну та вітрову енергетику в мережізнизиться до 38–40 МВт·год−1 у 2050 році19, вартість зеленого водню
також знизиться, і 100% водень-DRI може відігравати важливішу роль, ніж визнавалося раніше.Що стосується виробництва цементу, модель включає 47 ключових технологій пом’якшення у виробничих процесах, класифікованих за шістьма категоріями (додаткові таблиці 2 і 3): енергоефективність, альтернативні види палива, зменшення співвідношення клінкеру до цементу, CCUS, зелений водень і блакитний водень ( рис. 2b).Результати показують, що вдосконалені технології енергоефективності можуть зменшити лише 8–10% загальних викидів CO2 у цементному секторі, а когенерація відпрацьованого тепла та технології використання кисневого палива матимуть обмежений ефект пом’якшення (4–8%).Технології зменшення співвідношення клінкеру до цементу можуть забезпечити відносно високе скорочення викидів вуглецю (50–70%), головним чином включаючи декарбонізовану сировину для виробництва клінкеру з використанням гранульованого доменного шлаку, хоча критики сумніваються, чи збереже отриманий цемент свої основні якості.Але поточні результати показують, що використання водню разом із CCUS може допомогти цементному сектору досягти майже нульових викидів CO2 у 2060 році.
У сценарії ZERO-H у виробництві цементу використовуються 20 технологій на основі водню (з 47 технологій пом’якшення).Ми виявили, що середня вартість скорочення викидів вуглецю за допомогою водневих технологій нижча, ніж типові підходи CCUS і заміни палива (рис. 2b).Крім того, очікується, що «зелений» водень буде дешевшим ніж «блакитний» після 2030 року, як детально обговорено нижче, на рівні приблизно 0,7–1,6 доларів США кг−1 H2 (посилання 20), що призведе до значного скорочення CO2 у забезпеченні промислового тепла у виробництві цементу. .Поточні результати показують, що це може зменшити 89–95% CO2 від процесу нагрівання в китайській промисловості (рис. 2b, технології
28–47), що узгоджується з оцінкою Hydrogen Council у 84–92% (посилання 21).Викиди CO2 від процесу клінкеру повинні бути зменшені за допомогою CCUS як у ZERO-H, так і в ZERO-NH.Ми також моделюємо використання водню як вихідної сировини для виробництва аміаку, метану, метанолу та інших хімікатів, перелічених в описі моделі.У сценарії ZERO-H виробництво аміаку на основі газу з водневим теплом отримає 20% частки загального виробництва в 2060 році (рис. 3 і додаткова таблиця 4).Модель включає чотири типи технологій виробництва метанолу: вугілля в метанол (CTM), коксовий газ в метанол (CGTM), природний газ в метанол (NTM) і CGTM/NTM з водневим теплом.У сценарії ZERO-H, CGTM/NTM з водневим теплом може досягти 21% частки виробництва в 2060 році (рис. 3).Хімічні речовини також є потенційними енергоносіями водню.Згідно з нашим інтегрованим аналізом, до 2060 року водень може становити 17% кінцевого споживання енергії для теплопостачання в хімічній промисловості. Поряд з біоенергетикою (18%) та електроенергією (32%), водень відіграє важливу роль у 
декарбонізація хімічної промисловості Китаю HTA (рис. 4а).
Рис. 2 |Потенціал зменшення викидів вуглецю та витрати на скорочення ключових технологій пом’якшення.a, шість категорій із 60 ключових технологій зменшення викидів при виробництві сталі.b, Шість категорій із 47 ключових технологій зменшення викидів цементу.Технології перераховані за номерами з відповідними визначеннями, включеними в Додаткову таблицю 1 для a та Додаткову таблицю 2 для b.Позначено рівні технологічної готовності (TRLs) кожної технології: TRL3, концепція;TRL4, малий прототип;TRL5, великий прототип;TRL6, повний прототип у масштабі;TRL7, докомерційна демонстрація;TRL8, демонстрація;TRL10, раннє усиновлення;TRL11, зрілі.
Декарбонізація способів транспортування HTA за допомогою чистого водню На основі результатів моделювання, водень також має великий потенціал для декарбонізації транспортного сектора Китаю, хоча це займе час.Окрім легких транспортних засобів, інші види транспорту, проаналізовані в моделі, включають автобуси, вантажівки (легкі/малі/середні/важкі), внутрішній транспорт та залізницю, що охоплює більшість перевезень у Китаї.Для легких автомобілів електромобілі залишаться конкурентоспроможними в майбутньому.У ZERO-H проникнення водневих паливних елементів (HFC) на ринок LDV сягне лише 5% у 2060 році (рис. 3).Що стосується парку автобусів, однак, HFC автобуси будуть більш конкурентоспроможними, ніж електричні альтернативи в 2045 році, і становитимуть 61% від загального парку в 2060 році за сценарієм ZERO-H, а решта – електричні (рис. 3).Що стосується вантажівок, то результати відрізняються залежно від завантаженості.До 2035 року в ZERO-NH електричні двигуни будуть керувати більш ніж половиною всього парку легких вантажівок.Але в ZERO-H вантажівки легкої вантажопідйомності HFC будуть більш конкурентоспроможними, ніж електричні вантажівки легкої вантажопідйомності до 2035 року, і складатимуть 53% ринку до 2060 року. ринку в 2060 році за сценарієм ZERO-H.Дизель/біодизель/CNG (стиснений природний газ) HDV (важкі транспортні засоби) підуть з ринку після 2050 року як за сценаріями ZERO-NH, так і ZERO-H (рис. 3).Транспортні засоби на HFC мають додаткову перевагу перед електромобілями в тому, що вони кращі в холодних умовах, що важливо для північного та західного Китаю.Окрім автомобільного транспорту, модель демонструє широке застосування водневих технологій у судноплавстві за сценарієм ZERO-H.Внутрішнє судноплавство Китаю є дуже енергоємним і особливо складним викликом декарбонізації.Чистий водень, особливо як a
вихідна сировина для аміаку, передбачає можливість відвантаження декарбонізації.Рішення з найменшою вартістю в сценарії ZERO-H призводить до 65% проникнення суден, що працюють на аміаку, і 12% — суден, що працюють на водневому паливі, у 2060 році (рис. 3).За цим сценарієм у 2060 році на водень припадатиме в середньому 56% кінцевого споживання енергії в усьому транспортному секторі. Ми також змоделювали використання водню в опаленні житлових будинків (Додаткова примітка 6), але його впровадження є незначним, і ця стаття зосереджена на використання водню в галузях HTA і великовантажному транспорті.Економія витрат завдяки вуглецево-нейтральному використанню чистого водню Вуглецево-нейтральне майбутнє Китаю характеризуватиметься домінуванням відновлюваних джерел енергії з поступовою відмовою від використання вугілля в первинному споживанні енергії (рис. 4).Невикопне паливо становитиме 88% первинної енергетичної суміші у 2050 році та 93% у 2060 році за ZERO-H. Вітер і сонячна енергія забезпечуватимуть половину споживання первинної енергії у 2060 році. У середньому по країні частка чистого водню в загальній кінцевій енергії споживання (TFEC) може сягнути 13% у 2060 році. Враховуючи регіональну неоднорідність виробничих потужностей у ключових галузях промисловості за регіонами (додаткова таблиця 7), є десять провінцій з часткою водню в TFEC вищою за середню національну, включаючи Внутрішню Монголію, Фуцзянь, Шаньдун і Гуандун, завдяки багатим сонячним, береговим і офшорним вітровим ресурсам і/або численним промисловим попитом на водень.У сценарії ZERO-NH кумулятивні інвестиційні витрати для досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року становитимуть 20,63 трильйона доларів, або 1,58% сукупного валового внутрішнього продукту (ВВП) на 2020–2060 роки.Середні додаткові інвестиції на річній основі становитимуть близько 516 мільярдів доларів США на рік.Цей результат узгоджується з планом Китаю щодо пом’якшення наслідків на 15 трильйонів доларів США до 2050 року, що становить середньорічні нові інвестиції в розмірі 500 мільярдів доларів США (посилання 22).Однак запровадження чистого водню в енергетичну систему Китаю та промислову сировину за сценарієм ZERO-H призведе до значно нижчих сукупних інвестицій у 18,91 трильйона доларів США до 2060 року та щорічногоінвестиції скоротяться до менш ніж 1% ВВП у 2060 році (рис.4).Щодо секторів ОТЗ, річна вартість інвестицій у нихсекторів становитиме близько 392 мільярдів доларів США на рік у ZERO-NHсценарієм, який узгоджується з прогнозом ЕнергПерехідна комісія (400 мільярдів доларів США) (посилання 23).Однак якщо чистий
водень включений в енергетичну систему та хімічну сировину, сценарій ZERO-H вказує на те, що річні інвестиційні витрати в секторах HTA можуть бути зменшені до 359 мільярдів доларів США, головним чином за рахунок зменшення залежності від дорогих CCUS або NET.Наші результати свідчать про те, що використання чистого водню може заощадити 1,72 трильйона доларів США на інвестиційних витратах і уникнути 0,13% втрати сукупного ВВП (2020–2060) у порівнянні зі шляхом без водню до 2060 року.
Рис. 3 |Проникнення технологій у типові сектори ОТЗ.Результати за сценаріями BAU, NDC, ZERO-NH і ZERO-H (2020–2060).У кожному ключовому році конкретне проникнення технології в різних секторах показано кольоровими смугами, де кожна смуга є відсотком проникнення до 100% (для повністю заштрихованої решітки).Далі технології класифікуються за різними типами (показано в легендах).CNG, стиснений природний газ;LPG, зріджений нафтовий газ;СПГ, рідкий природний газ;з/без, з або без;ДСП, електродугова піч;NSP, новий підігрівач підвіски сухий процес;WHR, рекуперація відпрацьованого тепла.
Час публікації: 13 березня 2023 р
