Analyysin tulokset osoittavat, että riippuvuus energiatehokkuuden parantamisesta yhdessä CCUS:n ja NET:ien kanssa ei todennäköisesti ole kustannustehokas tie Kiinan HTA-sektoreiden, erityisesti raskaan teollisuuden, syvään hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen.Tarkemmin sanottuna puhtaan vedyn laaja käyttö HTA-sektoreilla voi auttaa Kiinaa saavuttamaan hiilineutraaliuden kustannustehokkaasti verrattuna skenaarioon ilman puhdasta vedyn tuotantoa ja käyttöä.Tulokset antavat vahvan opastuksen Kiinan HTA:n hiilidioksidipäästöjen vähentämispolulle ja arvokkaan referenssin muille samankaltaisten haasteiden edessä oleville maille.
HTA-teollisuuden alojen hiilenpoisto puhtaalla vedyllä
Suoritamme integroidun edullisimman optimoinnin hiilineutraaliuden lieventämispoluille Kiinalle vuonna 2060. Taulukossa 1 on määritelty neljä mallinnusskenaariota: normaali toiminta (BAU), Kiinan kansallisesti määrätyt panokset Pariisin sopimuksen (NDC) mukaisesti, net- nollapäästöt vedettömillä sovelluksilla (ZERO-NH) ja nettonollapäästöt puhtaalla vedyllä (ZERO-H).Tämän tutkimuksen HTA-sektoreihin kuuluvat sementin, raudan ja teräksen sekä keskeisten kemikaalien (mukaan lukien ammoniakki, sooda ja kaustinen sooda) teollinen tuotanto ja raskaat kuljetukset, mukaan lukien kuljetus- ja kotimaankuljetus.Täydelliset tiedot on annettu Menetelmät-osiossa ja lisähuomautuksissa 1–5.Mitä tulee rauta- ja terässektoriin, hallitseva osuus Kiinan nykyisestä tuotannosta (89,6 %) on happimasuunin perusprosessilla, mikä on keskeinen haaste tämän alan syvälle hiilidioksidin poistamiseksi.
ala.Valokaariuuniprosessin osuus Kiinan kokonaistuotannosta vuonna 2019 oli vain 10,4 %, mikä on 17,5 % vähemmän kuin maailman keskimääräinen osuus ja 59,3 % vähemmän kuin Yhdysvalloissa18.Analysoimme mallissa 60 keskeistä teräksentuotannon päästöjen vähentämisteknologiaa ja luokittelimme ne kuuteen kategoriaan (kuva 2a): materiaalitehokkuuden parantaminen, edistyneen teknologian suorituskyky, sähköistys, CCUS, vihreä vety ja sininen vety (lisätaulukko 1).Vertaamalla ZERO-H:n järjestelmän kustannusoptimointia NDC- ja ZERO-NH-skenaarioihin osoittaa, että puhtaiden vetyvaihtoehtojen sisällyttäminen tuottaisi huomattavaa hiilen vähentämistä johtuen raudan suoran vedyn pelkistyksen (vety-DRI) käyttöönotosta.Huomaa, että vety voi toimia paitsi energianlähteenä teräksen valmistuksessa myös hiiltä vähentävänä pelkistimenä täydentävästi Masuuni-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF) -prosessissa ja 100-prosenttisesti vety-DRI-reitillä.ZERO-H:n mukaan BF-BOF:n osuus pienenisi 34 prosenttiin vuonna 2060, 45 % valokaariuunissa ja 21 % vety-DRI:ssä, ja puhdas vety kattaisi 29 % alan kokonaisenergian loppukysynnästä.Aurinko- ja tuulivoiman verkkohinnan odotetaan olevanalenee 38–40 MWh−1 Yhdysvaltain dollariin vuonna 205019, vihreän vedyn hinta
myös heikkenee, ja 100 % vety-DRI -reitillä voi olla tärkeämpi rooli kuin aiemmin on tunnistettu.Sementin tuotannon osalta malli sisältää 47 keskeistä lievennysteknologiaa tuotantoprosesseissa, jotka on luokiteltu kuuteen kategoriaan (lisätaulukot 2 ja 3): energiatehokkuus, vaihtoehtoiset polttoaineet, klinkkeri-sementtisuhteen vähentäminen, CCUS, vihreä vety ja sininen vety ( Kuva 2b).Tulokset osoittavat, että parannetuilla energiatehokkuustekniikoilla voidaan vähentää vain 8–10 % sementtialan CO2-päästöjen kokonaismäärästä, ja hukkalämmön yhteistuotannon ja happipolttoaineteknologian lieventävä vaikutus on rajallinen (4–8 %).Klinkkerin ja sementin välistä suhdetta pienentävillä tekniikoilla voidaan saavuttaa suhteellisen suuri hiilenvähennys (50–70 %), pääasiassa klinkkerin valmistukseen klinkkeriraaka-aineista, joissa käytetään rakeista masuunikuonaa, vaikka kriitikot kyseenalaistavatkin, säilyttääkö syntyvä sementti olennaiset ominaisuutensa.Mutta nykyiset tulokset osoittavat, että vedyn käyttö yhdessä CCUS:n kanssa voisi auttaa sementtialaa saavuttamaan lähes nollan hiilidioksidipäästöt vuonna 2060.
ZERO-H-skenaariossa 20 vetypohjaista teknologiaa (47 lievennysteknologiasta) tulee käyttöön sementin tuotannossa.Havaitsemme, että vetyteknologioiden keskimääräiset hiilidioksidipäästöjen vähentämiskustannukset ovat alhaisemmat kuin tyypilliset CCUS- ja polttoaineenvaihtomenetelmät (kuva 2b).Lisäksi vihreän vedyn odotetaan olevan halvempaa kuin sininen vety vuoden 2030 jälkeen, kuten alla yksityiskohtaisesti käsitellään, noin 0,7–1,6 USD kg-1 H2 (viite 20), mikä vähentää merkittävästi hiilidioksidipäästöjä sementin valmistuksen teollisessa lämmöntuotannossa. .Nykyiset tulokset osoittavat, että se voi vähentää 89–95 % Kiinan teollisuuden lämmitysprosessin hiilidioksidipäästöistä (kuva 2b, teknologiat
28–47), mikä vastaa Vetyneuvoston arviota 84–92 % (viite 21).Klinkkeriprosessin CO2-päästöjä on vähennettävä CCUS:lla sekä ZERO-H:ssa että ZERO-NH:ssa.Simuloimme myös vedyn käyttöä raaka-aineena ammoniakin, metaanin, metanolin ja muiden mallikuvauksessa lueteltujen kemikaalien tuotannossa.ZERO-H-skenaariossa kaasupohjaisen ammoniakin tuotanto vetylämmöllä saa 20 % osuuden kokonaistuotannosta vuonna 2060 (kuva 3 ja lisätaulukko 4).Mallissa on neljä erilaista metanolin tuotantoteknologiaa: hiilestä metanoliksi (CTM), koksikaasusta metanoliksi (CGTM), maakaasusta metanoliksi (NTM) ja CGTM/NTM vetylämmöllä.ZERO-H-skenaariossa CGTM/NTM vetylämmöllä voi saavuttaa 21 %:n tuotantoosuuden vuonna 2060 (kuva 3).Kemikaalit ovat myös potentiaalisia vedyn energian kantajia.Integroidun analyysimme perusteella vedyn osuus kemianteollisuuden lämmöntuotannon loppukulutuksesta voi olla 17 % vuoteen 2060 mennessä. Bioenergian (18 %) ja sähkön (32 %) ohella vedyllä on merkittävä rooli 
Kiinan HTA-kemianteollisuuden hiilidioksidipäästöt (kuva 4a).
Kuva 2 |Keskeisten lieventämistekniikoiden hiilidioksidipäästöjen vähentämispotentiaali ja vähennyskustannukset.a, Kuusi luokkaa 60 keskeisestä teräksenvalmistuksen päästöjen vähentämisteknologiasta.b, kuusi luokkaa 47 keskeisestä sementtipäästöjen vähentämisteknologiasta.Tekniikat on lueteltu numeroittain, ja vastaavat määritelmät sisältyvät lisätaulukkoon 1 a:lle ja lisätaulukkoon 2 b:lle.Kunkin tekniikan teknologiavalmiustasot (TRL:t) on merkitty: TRL3, käsite;TRL4, pieni prototyyppi;TRL5, suuri prototyyppi;TRL6, täysi prototyyppi mittakaavassa;TRL7, esikaupallinen esittely;TRL8, esittely;TRL10, varhainen käyttöönotto;TRL11, kypsä.
HTA-kuljetusmuotojen hiilestä poistaminen puhtaalla vedyllä Vetyllä on mallinnustulosten perusteella myös suuri potentiaali hiilenpoistaa Kiinan liikennesektoria, vaikka se vie aikaa.LDV-autojen lisäksi muita mallissa analysoituja kuljetusmuotoja ovat laivastolinja-autot, kuorma-autot (kevyt/pieni/keskikokoinen/raskas), kotimaan laivaliikenne ja rautatiet, jotka kattavat suurimman osan Kiinan kuljetuksista.Kevyiden vetoautojen osalta sähköajoneuvot näyttävät pysyvän kustannuskilpailukykyisinä myös tulevaisuudessa.ZERO-H:ssa vetypolttokennojen (HFC) tunkeutuminen LDV-markkinoille saavuttaa vain 5 % vuonna 2060 (kuva 3).Laivaston linja-autojen osalta HFC-linja-autot ovat kuitenkin vuonna 2045 kustannuskilpailukykyisempiä kuin sähköiset vaihtoehdot, ja vuonna 2060 ne muodostavat 61 % koko kalustosta ZERO-H-skenaariossa ja loput sähköisiä (kuva 3).Kuorma-autojen osalta tulokset vaihtelevat kuormitusasteen mukaan.Sähkökäyttöinen propulsio käyttää yli puolta kevyiden kuorma-autojen kokonaiskannasta vuoteen 2035 mennessä ZERO-NH:ssa.Mutta ZERO-H:ssa kevyet HFC-kuorma-autot ovat kilpailukykyisempiä kuin sähkökäyttöiset kevyet kuorma-autot vuoteen 2035 mennessä, ja niiden osuus markkinoista on 53 % vuoteen 2060 mennessä. Raskaiden kuorma-autojen osalta raskaat HFC-kuorma-autot saavuttaisivat 66 %. markkinoille vuonna 2060 ZERO-H-skenaariossa.Diesel/biodiesel/CNG (paineistettu maakaasu) HDV-autot (raskaat ajoneuvot) poistuvat markkinoilta vuoden 2050 jälkeen sekä ZERO-NH- että ZERO-H -skenaarioissa (kuva 3).HFC-ajoneuvoilla on lisäetu sähköajoneuvoihin verrattuna niiden paremman suorituskyvyn ansiosta kylmissä olosuhteissa, mikä on tärkeää Pohjois- ja Länsi-Kiinassa.Maantiekuljetusten lisäksi malli osoittaa vetyteknologian laajaa käyttöönottoa merenkulussa ZERO-H-skenaariossa.Kiinan kotimaan merenkulku on erittäin energiaintensiivistä ja erityisen vaikea hiilestä poistamisen haaste.Puhdas vety, erityisesti a
ammoniakin raaka-aine, tarjoaa vaihtoehdon kuljetusten hiilidioksidin poistamiseen.Halvin ratkaisu ZERO-H-skenaariossa johtaa 65 % ammoniakkikäyttöisten ja 12 % vetykäyttöisten alusten tunkeutumiseen vuonna 2060 (kuva 3).Tässä skenaariossa vedyn osuus koko liikennesektorin energian loppukulutuksesta on keskimäärin 56 % vuonna 2060. Mallimme myös vedyn käyttöä asuinlämmityksessä (lisähuomautus 6), mutta sen käyttöönotto on vähäistä ja tässä artikkelissa keskitytään vedyn käyttö HTA-teollisuudessa ja raskaassa liikenteessä.Kustannussäästöt hiilineutraaliudesta puhtaalla vedyllä Kiinan hiilineutraalia tulevaisuutta leimaa uusiutuvan energian dominointi ja kivihiilen asteittainen luopuminen primäärienergian kulutuksesta (kuva 4).Ei-fossiiliset polttoaineet muodostavat 88 % primäärienergian yhdistelmästä vuonna 2050 ja 93 % vuonna 2060 ZERO-H:ssa. Tuuli ja aurinko tuottavat puolet primäärienergian kulutuksesta vuonna 2060. Keskimäärin valtakunnallisesti puhtaan vedyn osuus loppuenergian kokonaismäärästä kulutus (TFEC) voi nousta 13 prosenttiin vuonna 2060. Ottaen huomioon tuotantokapasiteetin alueellisen heterogeenisen keskeisillä toimialoilla alueittain (lisätaulukko 7), on kymmenen maakuntaa, joissa TFEC:n vetyosuudet ovat kansallista keskiarvoa korkeammat, mukaan lukien Sisä-Mongolia, Fujian ja Shandong ja Guangdong, jota ohjaavat runsaat aurinko- ja maa- ja offshore-tuuliresurssit ja/tai useat teolliset vedyn vaatimukset.ZERO-NH-skenaariossa kumulatiiviset investointikustannukset hiilineutraaliuden saavuttamiseksi vuoteen 2060 mennessä olisivat 20,63 biljoonaa dollaria eli 1,58 % bruttokansantuotteesta (BKT) vuosina 2020–2060.Keskimääräinen lisäinvestointi olisi noin 516 miljardia dollaria vuodessa.Tämä tulos on yhdenmukainen Kiinan 15 biljoonan dollarin lieventämissuunnitelman kanssa vuoteen 2050 asti, mikä tarkoittaa keskimäärin 500 miljardin dollarin vuotuista uutta investointia (viite 22).Puhtaiden vetyvaihtoehtojen tuominen Kiinan energiajärjestelmään ja teollisuuden raaka-aineisiin ZERO-H-skenaariossa johtaa kuitenkin merkittävästi pienempään kumulatiiviseen investointiin, joka on 18,91 biljoonaa US-dollaria vuoteen 2060 mennessä ja vuosittain.Investoinnit supistuisivat alle 1 prosenttiin BKT:sta vuonna 2060.4).HTA-sektoreiden osalta vuosittaiset investointikustannukset niilläZERO-NH:ssa olisi noin 392 miljardia dollaria vuodessaskenaario, joka on yhdenmukainen Energian ennusteen kanssaSiirtymäkomissio (400 miljardia dollaria) (viite 23).Jos kuitenkin puhdas
vetyä sisällytetään energiajärjestelmään ja kemiallisiin raaka-aineisiin, ZERO-H-skenaarion mukaan HTA-sektoreiden vuotuiset investointikustannukset voitaisiin vähentää 359 miljardiin dollariin, pääasiassa vähentämällä riippuvuutta kalliista CCUS- tai NET-verkoista.Tuloksemme viittaavat siihen, että puhtaan vedyn käyttö voi säästää 1,72 biljoonaa Yhdysvaltain dollaria investointikustannuksissa ja välttää 0,13 prosentin tappion kokonaistuotannossa (2020–2060) verrattuna siihen, että ilman vetyä vuoteen 2060 mennessä.
Kuva 3 |Teknologian levinneisyys tyypillisillä HTA-sektoreilla.Tulokset BAU-, NDC-, ZERO-NH- ja ZERO-H-skenaarioissa (2020–2060).Jokaisena virstanpylväsvuonna erityinen teknologian levinneisyys eri sektoreilla näkyy värillisillä palkkeilla, joissa jokainen palkki on penetraatioprosentti jopa 100 % (täysin varjostetulle hilalle).Tekniikat luokitellaan edelleen eri tyyppien mukaan (näkyy selitteissä).CNG, paineistettu maakaasu;nestekaasu, nestekaasu;LNG, nestemäinen maakaasu;w/wo, kanssa tai ilman;EAF, valokaariuunissa;NSP, uusi keskeytys esilämmitin kuiva prosessi;WHR, hukkalämmön talteenotto.
Postitusaika: 13.3.2023
