Resultaterne af analysen viser, at afhængighed af forbedring af energieffektiviteten kombineret med CCUS og NET alene er usandsynligt at være en omkostningseffektiv vej til dyb dekarbonisering af Kinas MTV-sektorer, især tung industri.Mere specifikt kan udbredt anvendelse af rent brint i MTV-sektorer hjælpe Kina med at opnå kulstofneutralitet omkostningseffektivt sammenlignet med et scenario uden ren brintproduktion og -brug.Resultaterne giver stærk vejledning for Kinas MTV-dekarboniseringsvej og en værdifuld reference for andre lande, der står over for lignende udfordringer.
Dekarbonisering af MTV-industrisektorer med rent brint
Vi udfører en integreret mindsteomkostningsoptimering af afbødningsveje til CO2-neutralitet for Kina i 2060. Fire modelleringsscenarier er defineret i tabel 1: business as usual (BAU), Kinas nationalt fastsatte bidrag under Paris-aftalen (NDC), netto- nul-emissioner med ingen-brint-applikationer (ZERO-NH) og netto-nul-emissioner med ren brint (ZERO-H).MTV-sektorer i denne undersøgelse omfatter industriel produktion af cement, jern og stål og nøglekemikalier (herunder ammoniak, sodavand og kaustisk soda) og tung transport, herunder lastbilkørsel og indenlandsk skibsfart.Fuldstændige detaljer findes i metodeafsnittet og supplerende noter 1–5.Med hensyn til jern- og stålsektoren er den dominerende andel af den eksisterende produktion i Kina (89,6%) ved den grundlæggende oxygen-højovnsproces, en nøgleudfordring for dyb dekarbonisering af denne
industri.Elbueovnsprocessen omfattede kun 10,4 % af den samlede produktion i Kina i 2019, hvilket er 17,5 % mindre end verdensgennemsnitsandelen og 59,3 % mindre end for USA18.Vi analyserede 60 nøgleteknologier for emissionsreduktion af stålfremstilling i modellen og klassificerede dem i seks kategorier (fig. 2a): forbedring af materialeeffektivitet, avanceret teknologiydelse, elektrificering, CCUS, grøn brint og blå brint (Supplerende tabel 1).Sammenligning af systemomkostningsoptimeringerne af ZERO-H med NDC- og ZERO-NH-scenarier viser, at inklusion af rent brintmuligheder ville give en bemærkelsesværdig kulstofreduktion på grund af indførelse af hydrogen-direkte reduktion af jern (brint-DRI) processer.Bemærk, at brint ikke kun kan tjene som en energikilde i stålfremstilling, men også som et kulstofreducerende reduktionsmiddel på en supplerende basis i Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF)-processen og 100% i hydrogen-DRI-ruten.Under ZERO-H ville andelen af BF-BOF blive reduceret til 34% i 2060, med 45% lysbueovn og 21% brint-DRI, og ren brint ville levere 29% af den samlede endelige energiefterspørgsel i sektoren.Med den forventede netpris for sol- og vindkraftfalde til US$38-40MWh−1 i 205019, prisen på grøn brint
vil også falde, og 100% brint-DRI-ruten kan spille en vigtigere rolle end tidligere anerkendt.Med hensyn til cementproduktion inkluderer modellen 47 centrale afbødningsteknologier på tværs af produktionsprocesserne klassificeret i seks kategorier (Supplerende tabel 2 og 3): energieffektivitet, alternative brændstoffer, reduktion af klinker-til-cement-forholdet, CCUS, grøn brint og blå brint ( Fig. 2b).Resultater viser, at forbedrede energieffektivitetsteknologier kun kan reducere 8-10 % af de samlede CO2-emissioner i cementsektoren, og spildvarmekraftvarme- og oxyfuel-teknologier vil have begrænset afbødende effekt (4-8 %).Teknologier til at reducere klinker-til-cement-forholdet kan give relativt høj kulstofreduktion (50-70%), hovedsageligt inklusive dekarboniserede råmaterialer til klinkerproduktion ved brug af granuleret højovnsslagge, selvom kritikere stiller spørgsmålstegn ved, om den resulterende cement vil bevare sine væsentlige kvaliteter.Men de nuværende resultater indikerer, at udnyttelse af brint sammen med CCUS kan hjælpe cementsektoren med at opnå næsten nul CO2-emissioner i 2060.
I ZERO-H-scenariet kommer 20 brintbaserede teknologier (ud af de 47 afbødningsteknologier) i spil i cementproduktionen.Vi finder, at de gennemsnitlige kulstofreduktionsomkostninger ved brintteknologier er lavere end typiske CCUS- og brændstofskiftemetoder (fig. 2b).Desuden forventes grøn brint at være billigere end blå brint efter 2030, som beskrevet detaljeret nedenfor, til omkring 0,7-1,6 USD kg−1 H2 (ref. 20), hvilket medfører betydelige CO2-reduktioner i leveringen af industriel varme til cementfremstilling .Aktuelle resultater viser, at det kan reducere 89-95 % af CO2 fra opvarmningsprocessen i Kinas industri (fig. 2b, teknologier)
28–47), hvilket stemmer overens med Brintrådets skøn på 84–92 % (ref. 21).Klinkerprocessemissioner af CO2 skal dæmpes af CCUS i både ZERO-H og ZERO-NH.Vi simulerer også brugen af brint som råmateriale i produktionen af ammoniak, methan, methanol og andre kemikalier, der er anført i modelbeskrivelsen.I ZERO-H-scenariet vil gasbaseret ammoniakproduktion med brintvarme vinde en andel på 20 % af den samlede produktion i 2060 (Fig. 3 og Supplerende Tabel 4).Modellen omfatter fire slags metanolproduktionsteknologier: kul til methanol (CTM), koksgas til methanol (CGTM), naturgas til methanol (NTM) og CGTM/NTM med brintvarme.I ZERO-H-scenariet kan CGTM/NTM med brintvarme opnå en produktionsandel på 21 % i 2060 (fig. 3).Kemikalier er også potentielle energibærere af brint.På baggrund af vores integrerede analyse kan brint udgøre 17 % af det endelige energiforbrug til varmeforsyning i den kemiske industri i 2060. Sammen med bioenergi (18%) og elektricitet (32%) har brint en stor rolle at spille i 
dekarbonisering af Kinas MTV-kemiske industri (fig. 4a).
Fig. 2 |Kulstofreduktionspotentiale og reduktionsomkostninger ved vigtige reduktionsteknologier.a, Seks kategorier af 60 nøgleteknologier til emissionsreduktion af stålfremstilling.b, Seks kategorier af 47 nøgleteknologier til begrænsning af cementemissioner.Teknologierne er opført efter nummer, med tilsvarende definitioner inkluderet i Supplerende Tabel 1 for a og Supplerende Tabel 2 for b.Teknologiberedskabsniveauerne (TRL'er) for hver teknologi er markeret: TRL3, koncept;TRL4, lille prototype;TRL5, stor prototype;TRL6, fuld prototype i skala;TRL7, præ-kommerciel demonstration;TRL8, demonstration;TRL10, tidlig adoption;TRL11, moden.
Dekarbonisering af MTA-transportformer med rent brint På baggrund af modelleringsresultaterne har brint også et stort potentiale til at dekarbonisere Kinas transportsektor, selvom det vil tage tid.Ud over LDV'er omfatter andre transportformer, der er analyseret i modellen, flådebusser, lastbiler (lette/små/mellem/tunge), indenlandsk skibsfart og jernbaner, der dækker det meste transport i Kina.For LDV'er ser elektriske køretøjer ud til at forblive omkostningskonkurrencedygtige i fremtiden.I ZERO-H vil brintbrændselscelle (HFC) penetration af LDV-markedet kun nå op på 5 % i 2060 (fig. 3).For flådebusser vil HFC-busser dog være mere omkostningskonkurrencedygtige end elektriske alternativer i 2045 og udgøre 61 % af den samlede flåde i 2060 i ZERO-H-scenariet, mens resten er elektriske (fig. 3).Hvad angår lastbiler, varierer resultaterne afhængigt af lasthastigheden.Elektrisk fremdrift vil drive mere end halvdelen af den samlede lette lastbilflåde i 2035 i ZERO-NH.Men i ZERO-H vil HFC lette lastbiler være mere konkurrencedygtige end elektriske lette lastbiler i 2035 og udgøre 53 % af markedet i 2060. Hvad angår tunge lastbiler, ville HFC tunge lastbiler nå op på 66 % af marked i 2060 i ZERO-H-scenariet.Diesel/biodiesel/CNG (komprimeret naturgas) HDV'er (tunge køretøjer) vil forlade markedet efter 2050 i både ZERO-NH og ZERO-H scenarier (fig. 3).HFC-køretøjer har en yderligere fordel i forhold til elektriske køretøjer i deres bedre ydeevne under kolde forhold, hvilket er vigtigt i det nordlige og vestlige Kina.Ud over vejtransport viser modellen en udbredt anvendelse af brintteknologier inden for skibsfart i ZERO-H-scenariet.Kinas indenlandske skibsfart er meget energikrævende og en særlig vanskelig dekarboniseringsudfordring.Ren brint, især som en
råmateriale til ammoniak, giver mulighed for forsendelse af dekarbonisering.Den billigste løsning i ZERO-H-scenariet resulterer i 65 % indtrængning af ammoniak- og 12 % af brint-drevne skibe i 2060 (fig. 3).I dette scenarie vil brint udgøre et gennemsnit på 56 % af det endelige energiforbrug i hele transportsektoren i 2060. Vi modellerede også brintforbrug til boligopvarmning (Supplerende note 6), men dets anvendelse er ubetydelig, og dette papir fokuserer på brintbrug i MTV-industrien og tung transport.Omkostningsbesparelser ved CO2-neutralitet ved brug af rent brint Kinas CO2-neutrale fremtid vil være præget af vedvarende energidominans med en udfasning af kul i dets primære energiforbrug (fig. 4).Ikke-fossile brændstoffer udgør 88 % af det primære energimix i 2050 og 93 % i 2060 under NUL-H. Vind og sol vil levere halvdelen af det primære energiforbrug i 2060. I gennemsnit, på landsplan, andelen af ren brint af den samlede endelige energi forbrug (TFEC) kan nå op på 13 % i 2060. I betragtning af regional heterogenitet i produktionskapaciteten i nøgleindustrier efter region (supplerende tabel 7), er der ti provinser med brintandele af TFEC højere end det nationale gennemsnit, herunder Indre Mongoliet, Fujian, Shandong og Guangdong, drevet af rige sol- og onshore- og offshorevindressourcer og/eller flere industrielle krav om brint.I ZERO-NH-scenariet ville de kumulative investeringsomkostninger for at opnå CO2-neutralitet frem til 2060 være 20,63 billioner USD, eller 1,58 % af det samlede bruttonationalprodukt (BNP) for 2020-2060.Den gennemsnitlige yderligere investering på årsbasis vil være omkring 516 milliarder USD om året.Dette resultat er i overensstemmelse med Kinas 15 billioner USD afbødningsplan frem til 2050, en gennemsnitlig årlig ny investering på 500 milliarder USD (ref. 22).Introduktion af rene brintmuligheder i Kinas energisystem og industrielle råvarer i ZERO-H-scenariet resulterer imidlertid i en markant lavere kumulativ investering på 18,91 billioner USD i 2060 og den årligeinvesteringer ville blive reduceret til mindre end 1 % af BNP i 2060 (fig.4).Vedrørende MTV-sektorerne er de årlige investeringsomkostninger i dissesektorer ville være omkring 392 milliarder USD om året i ZERO-NHscenarie, som er i overensstemmelse med fremskrivningen af EnergiTransition Commission (400 milliarder USD) (ref. 23).Men hvis den er ren
brint er inkorporeret i energisystemet og kemiske råvarer, indikerer ZERO-H-scenariet, at de årlige investeringsomkostninger i MTV-sektorer kan reduceres til 359 milliarder USD, primært ved at reducere afhængigheden af dyre CCUS eller NET.Vores resultater tyder på, at brugen af rent brint kan spare 1,72 billioner USD i investeringsomkostninger og undgå et tab på 0,13 % i det samlede BNP (2020-2060) sammenlignet med en vej uden brint frem til 2060.
Fig. 3 |Teknologipenetration i typiske MTV-sektorer.Resultater under BAU, NDC, NUL-NH og NUL-H scenarier (2020–2060).I hvert milepælsår er den specifikke teknologigennemtrængning i forskellige sektorer vist med de farvede søjler, hvor hver søjle er en procentdel af penetration op til 100 % (for et fuldt skyggelagt gitter).Teknologierne er yderligere klassificeret efter forskellige typer (vist i legenderne).CNG, komprimeret naturgas;LPG, flydende petroleumsgas;LNG, flydende naturgas;w/wo, med eller uden;EAF, lysbueovn;NSP, ny suspension forvarmer tør proces;WHR, genvinding af spildvarme.
Post tid: Mar-13-2023
