Результаты анализа показывают, что опора на повышение энергоэффективности в сочетании только с CCUS и NETs вряд ли будет рентабельным путем глубокой декарбонизации секторов HTA Китая, особенно тяжелой промышленности.В частности, широкое применение чистого водорода в секторах HTA может помочь Китаю достичь углеродной нейтральности с меньшими затратами по сравнению со сценарием без производства и использования чистого водорода.Результаты дают четкое представление о пути декарбонизации ОМТ в Китае и являются ценным ориентиром для других стран, столкнувшихся с аналогичными проблемами.
Декарбонизация промышленных секторов HTA с помощью чистого водорода
Мы проводим комплексную оптимизацию с наименьшими затратами путей смягчения последствий для достижения углеродной нейтральности для Китая в 2060 году. В таблице 1 определены четыре сценария моделирования: обычный бизнес (BAU), определяемый на национальном уровне вклад Китая в соответствии с Парижским соглашением (NDC), нетто- нулевые выбросы при использовании безводородных установок (ZERO-NH) и нулевые выбросы при использовании чистого водорода (ZERO-H).Сектора ОМТ, рассматриваемые в данном исследовании, включают промышленное производство цемента, железа и стали и основных химических веществ (включая аммиак, соду и каустическую соду) и большегрузный транспорт, включая автомобильные перевозки и внутренние перевозки.Полная информация представлена в разделе «Методы» и в дополнительных примечаниях 1–5.Что касается сектора черной металлургии, то доминирующая доля существующего производства в Китае (89,6%) приходится на кислородно-доменный процесс, что является ключевой проблемой для глубокого обезуглероживания этого сектора.
промышленность.В 2019 году на электросталеплавильный процесс приходилось всего 10,4% от общего объема производства в Китае, что на 17,5% меньше, чем в среднем по миру, и на 59,3% меньше, чем в США18.Мы проанализировали 60 ключевых технологий снижения выбросов при производстве стали в модели и классифицировали их по шести категориям (рис. 2а): повышение эффективности использования материалов, эффективность передовых технологий, электрификация, CCUS, зеленый водород и синий водород (дополнительная таблица 1).Сравнение оптимизации стоимости системы ZERO-H со сценариями NDC и ZERO-NH показывает, что включение вариантов чистого водорода приведет к заметному сокращению выбросов углерода благодаря внедрению процессов прямого восстановления железа водородом (водород-DRI).Обратите внимание, что водород может служить не только в качестве источника энергии в сталеплавильном производстве, но и в качестве восстановителя, уменьшающего углерод, на дополнительной основе в процессе доменной печи-основной кислородной печи (BF-BOF) и на 100% в водородном пути DRI.В соответствии с ZERO-H доля BF-BOF будет снижена до 34% в 2060 году, с 45% электродуговой печью и 21% водородом-ПВЖ, а чистый водород будет обеспечивать 29% общего конечного спроса на энергию в секторе.Ожидается, что сетевая цена на солнечную и ветровую энергиюснизится до 38–40 МВтч-1 в 2050 году19, стоимость зеленого водорода
также будет снижаться, и маршрут 100% водород-ПВЖ может играть более важную роль, чем предполагалось ранее.Что касается производства цемента, модель включает 47 ключевых технологий смягчения последствий в производственных процессах, классифицированных по шести категориям (дополнительные таблицы 2 и 3): энергоэффективность, альтернативные виды топлива, снижение отношения клинкера к цементу, CCUS, зеленый водород и синий водород ( рис. 2б).Результаты показывают, что усовершенствованные технологии энергоэффективности могут сократить только 8–10% общих выбросов CO2 в цементном секторе, а когенерация на отходящем тепле и кислородно-топливные технологии будут иметь ограниченный эффект смягчения (4–8%).Технологии снижения отношения клинкера к цементу могут обеспечить относительно высокое снижение выбросов углерода (50–70%), в основном включая обезуглероженное сырье для производства клинкера с использованием гранулированного доменного шлака, хотя критики сомневаются, сохранит ли полученный цемент свои основные качества.Но текущие результаты показывают, что использование водорода вместе с CCUS может помочь цементному сектору достичь почти нулевых выбросов CO2 в 2060 году.
В сценарии ZERO-H в производстве цемента задействованы 20 технологий на основе водорода (из 47 технологий смягчения последствий).Мы обнаружили, что средние затраты на сокращение выбросов углерода при использовании водородных технологий ниже, чем у типичных подходов CCUS и перехода на другой вид топлива (рис. 2b).Кроме того, ожидается, что зеленый водород будет дешевле голубого водорода после 2030 г., как подробно обсуждается ниже, примерно на уровне 0,7–1,6 долл. США за кг–1 H2 (ссылка 20), что приведет к значительному сокращению выбросов CO2 при производстве промышленного тепла при производстве цемента. .Текущие результаты показывают, что он может снизить выбросы CO2 в процессе нагревания в промышленности Китая на 89–95 % (рис. 2b, технологии).
28–47), что согласуется с оценкой Hydrogen Council в 84–92% (ссылка 21).Выбросы CO2 в процессе производства клинкера должны быть снижены с помощью CCUS как в ZERO-H, так и в ZERO-NH.Мы также моделируем использование водорода в качестве сырья для производства аммиака, метана, метанола и других химических веществ, перечисленных в описании модели.В сценарии ZERO-H производство аммиака на основе газа с использованием водородного тепла составит 20% от общего объема производства в 2060 году (рис. 3 и дополнительная таблица 4).Модель включает четыре вида технологий производства метанола: из угля в метанол (CTM), из коксового газа в метанол (CGTM), из природного газа в метанол (NTM) и CGTM/NTM с водородным теплом.В сценарии ZERO-H CGTM/NTM с водородным теплом могут достичь 21% доли производства в 2060 г. (рис. 3).Химические вещества также являются потенциальными энергоносителями водорода.Согласно нашему комплексному анализу, к 2060 г. водород может составлять 17% конечного энергопотребления для теплоснабжения в химической промышленности. Наряду с биоэнергетикой (18%) и электричеством (32%), водороду предстоит 
декарбонизация химической промышленности HTA Китая (рис. 4а).
Рис. 2 |Потенциал смягчения выбросов углерода и затраты на снижение основных технологий смягчения последствий.a, Шесть категорий из 60 ключевых технологий снижения выбросов при производстве стали.b, Шесть категорий из 47 ключевых технологий снижения выбросов цемента.Технологии перечислены по номерам с соответствующими определениями, включенными в Дополнительную таблицу 1 для a и Дополнительную таблицу 2 для b.Уровни технологической готовности (TRL) каждой технологии отмечены: TRL3, концепция;TRL4, небольшой прототип;TRL5, большой прототип;TRL6, полный прототип в масштабе;TRL7, предкоммерческая демонстрация;TRL8, демонстрация;TRL10, раннее внедрение;TRL11, зрелый.
Декарбонизация транспортных средств HTA с помощью чистого водорода На основе результатов моделирования водород также обладает большим потенциалом для декарбонизации транспортного сектора Китая, хотя на это потребуется время.Помимо легковых автомобилей, другие виды транспорта, проанализированные в модели, включают парк автобусов, грузовые автомобили (легкие/малые/средние/тяжелые), внутренние перевозки и железные дороги, охватывающие большую часть перевозок в Китае.Что касается легковых автомобилей, то электромобили в будущем останутся конкурентоспособными по стоимости.В ZERO-H проникновение водородных топливных элементов (ГФУ) на рынок легковых автомобилей к 2060 году достигнет лишь 5% (рис. 3).Что касается автобусного парка, автобусы с ГФУ будут более конкурентоспособными по стоимости, чем электрические альтернативы, в 2045 г. и составят 61% от общего парка в 2060 г. в сценарии ZERO-H, а оставшаяся часть — электрические (рис. 3).Что касается грузовых автомобилей, результаты варьируются в зависимости от степени загрузки.К 2035 году в ZERO-NH более половины всего парка легких грузовиков будут приводиться в движение электрическим приводом.Но в ZERO-H легкие грузовики с ГФУ будут более конкурентоспособными, чем легкие электрические грузовики, к 2035 году и будут занимать 53% рынка к 2060 году. рынок в 2060 году в сценарии ZERO-H.Дизель/биодизель/CNG (сжатый природный газ) HDV (тяжелые транспортные средства) уйдут с рынка после 2050 года как в сценариях ZERO-NH, так и в сценариях ZERO-H (рис. 3).Транспортные средства с ГФУ имеют дополнительное преимущество перед электромобилями в их лучшей работе в холодных условиях, что важно для северного и западного Китая.Помимо автомобильного транспорта, модель показывает широкое распространение водородных технологий в судоходстве в сценарии ZERO-H.Внутреннее судоходство Китая очень энергоемко и представляет собой особенно сложную проблему обезуглероживания.Чистый водород, особенно в качестве
сырье для аммиака, обеспечивает возможность декарбонизации отгрузки.Решение с наименьшими затратами в сценарии ZERO-H приводит к проникновению 65% судов, работающих на аммиаке, и 12% судов, работающих на водороде, к 2060 году (рис. 3).В этом сценарии на водород будет приходиться в среднем 56% конечного энергопотребления всего транспортного сектора в 2060 году. Мы также смоделировали использование водорода для отопления жилых помещений (дополнительное примечание 6), но его принятие незначительно, и в этой статье основное внимание уделяется использование водорода в промышленности HTA и большегрузном транспорте.Снижение затрат за счет углеродной нейтральности с использованием чистого водорода Углеродно-нейтральное будущее Китая будет характеризоваться доминированием возобновляемых источников энергии с постепенным отказом от использования угля в качестве основного источника энергии (рис. 4).Неископаемые виды топлива будут составлять 88 % структуры первичной энергии в 2050 г. и 93 % в 2060 г. в соответствии с ZERO-H. Ветровая и солнечная энергия будут обеспечивать половину потребления первичной энергии в 2060 г. В среднем по стране доля чистого водорода в общей конечной энергии потребление (TFEC) может достичь 13% в 2060 году. Учитывая региональную неоднородность производственных мощностей в ключевых отраслях промышленности по регионам (дополнительная таблица 7), есть десять провинций с долей водорода в TFEC выше, чем в среднем по стране, включая Внутреннюю Монголию, Фуцзянь, Шаньдун. и Гуандун, движимый богатыми солнечными и наземными и морскими ветровыми ресурсами и / или многочисленными промышленными потребностями в водороде.В сценарии ZERO-NH совокупные инвестиционные затраты на достижение углеродной нейтральности до 2060 года составят 20,63 триллиона долларов, или 1,58% совокупного валового внутреннего продукта (ВВП) на 2020–2060 годы.Среднегодовые дополнительные инвестиции составят около 516 миллиардов долларов США в год.Этот результат согласуется с планом Китая по смягчению последствий на сумму 15 триллионов долларов США до 2050 года, что означает среднегодовые новые инвестиции в размере 500 миллиардов долларов США (ссылка 22).Однако внедрение вариантов чистого водорода в энергетическую систему Китая и промышленное сырье в сценарии ZERO-H приводит к значительному снижению совокупных инвестиций в размере 18,91 трлн долларов США к 2060 году и годовомуинвестиции сократятся до менее 1% ВВП в 2060 году (рис.4).Что касается секторов ОМТ, то годовая стоимость инвестиций в нихсекторов будет около 392 миллиардов долларов США в год в ZERO-NHсценарий, который согласуется с проекцией энергетическогоПереходная комиссия (400 миллиардов долларов США) (ссылка 23).Однако если чисто
водород включен в энергетическую систему и химическое сырье, сценарий ZERO-H указывает на то, что ежегодные инвестиционные затраты в секторах HTA могут быть снижены до 359 миллиардов долларов США, главным образом за счет снижения зависимости от дорогостоящих CCUS или NET.Наши результаты показывают, что использование чистого водорода может сэкономить 1,72 триллиона долларов США на инвестиционных затратах и избежать потери 0,13% совокупного ВВП (2020–2060 годы) по сравнению с вариантом без использования водорода до 2060 года.
Рис. 3 |Проникновение технологий в типичные секторы ОМТ.Результаты по сценариям BAU, NDC, ZERO-NH и ZERO-H (2020–2060 гг.).В каждый контрольный год проникновение конкретной технологии в различные сектора показано цветными полосами, где каждая полоса представляет собой процент проникновения до 100% (для полностью заштрихованной сетки).Технологии далее классифицируются по разным типам (показаны в легендах).CNG, сжатый природный газ;LPG, сжиженный нефтяной газ;СПГ, сжиженный природный газ;ж/б, с или без;ДСП, электродуговая печь;NSP, новый сухой процесс подогревателя суспензии;WHR, рекуперация отработанного тепла.
Время публикации: 13 марта 2023 г.
