Resultaten av analysen visar att beroende av förbättringar av energieffektiviteten i kombination med CCUS och NET enbart är osannolikt att vara en kostnadseffektiv väg för djup avkarbonisering av Kinas HTA-sektorer, särskilt tung industri.Mer specifikt kan en utbredd tillämpning av rent väte i HTA-sektorer hjälpa Kina att uppnå koldioxidneutralitet kostnadseffektivt jämfört med ett scenario utan ren väteproduktion och användning.Resultaten ger stark vägledning för Kinas HTA-dekarboniseringsväg och en värdefull referens för andra länder som står inför liknande utmaningar.
Dekarbonisering av HTA-industrisektorer med rent väte
Vi genomför en integrerad lägsta kostnadsoptimering av begränsningsvägar till koldioxidneutralitet för Kina 2060. Fyra modelleringsscenarier definieras i Tabell 1: business as usual (BAU), Kinas nationellt fastställda bidrag under Parisavtalet (NDC), netto- nollutsläpp utan vätetillämpningar (NOLL-NH) och nettonollutsläpp med rent väte (NOLL-H).HTA-sektorer i denna studie inkluderar industriell produktion av cement, järn och stål och nyckelkemikalier (inklusive ammoniak, soda och kaustiksoda) och tunga transporter, inklusive lastbilstransporter och inrikes sjöfart.Fullständig information finns i avsnittet Metoder och kompletterande anmärkningar 1–5.När det gäller järn- och stålsektorn är den dominerande andelen av den befintliga produktionen i Kina (89,6 %) av den grundläggande syre-masugnsprocessen, en viktig utmaning för djup avkolning av denna
industri.Den elektriska ljusbågsugnsprocessen utgjorde endast 10,4 % av den totala produktionen i Kina 2019, vilket är 17,5 % mindre än världens genomsnittliga andel och 59,3 % mindre än den för USA18.Vi analyserade 60 nyckeltekniker för minskning av utsläpp av ståltillverkning i modellen och klassificerade dem i sex kategorier (Fig. 2a): förbättring av materialeffektivitet, avancerad teknikprestanda, elektrifiering, CCUS, grönt väte och blått väte (kompletterande tabell 1).Att jämföra systemkostnadsoptimeringarna av ZERO-H med NDC- och ZERO-NH-scenarier visar att inkludering av rent vätealternativ skulle ge märkbar kolreduktion på grund av införandet av vätedirekt reduktion av järn (väte-DRI) processer.Observera att väte inte bara kan fungera som en energikälla vid ståltillverkning utan också som ett kolminskande reduktionsmedel på en kompletterande basis i BF-BOF-processen (Bast Furnance-Basic Oxygen Furnance) och 100 % i väte-DRI-vägen.Under ZERO-H skulle andelen BF-BOF minskas till 34 % 2060, med 45 % ljusbågsugn och 21 % väte-DRI, och rent väte skulle svara för 29 % av den totala slutliga energiefterfrågan i sektorn.Med nätpriset för sol- och vindkraft förväntassjunka till 38–40 MWh−1 USD 205019, kostnaden för grönt väte
kommer också att minska, och 100 % väte-DRI-vägen kan spela en viktigare roll än vad som tidigare erkänts.När det gäller cementproduktion inkluderar modellen 47 nyckeltekniker för begränsning av produktionsprocesserna som klassificeras i sex kategorier (kompletterande tabeller 2 och 3): energieffektivitet, alternativa bränslen, minskning av klinker-till-cement-förhållandet, CCUS, grönt väte och blått väte ( Fig. 2b).Resultaten visar att förbättrad energieffektivitetsteknik endast kan minska 8–10 % av de totala CO2-utsläppen i cementsektorn, och spillvärmekraftvärme- och syrebränsletekniker kommer att ha begränsad begränsningseffekt (4–8 %).Teknik för att minska förhållandet mellan klinker och cement kan ge relativt hög kolreducering (50–70 %), främst inklusive avkolade råmaterial för klinkerproduktion med hjälp av granulerad masugnsslagg, även om kritiker ifrågasätter om den resulterande cementen kommer att behålla sina väsentliga egenskaper.Men aktuella resultat tyder på att användning av väte tillsammans med CCUS kan hjälpa cementsektorn att uppnå nära noll CO2-utsläpp år 2060.
I ZERO-H-scenariot kommer 20 vätebaserade tekniker (av de 47 begränsningsteknikerna) in i cementproduktionen.Vi finner att den genomsnittliga kostnaden för minskning av koldioxidutsläppen för väteteknik är lägre än typiska metoder för CCUS och bränslebyte (Fig. 2b).Dessutom förväntas grönt väte vara billigare än blått väte efter 2030, vilket diskuteras i detalj nedan, till cirka 0,7–1,6 USD kg−1 H2 (ref. 20), vilket medför betydande CO2-minskningar i tillhandahållandet av industriell värme vid cementtillverkning .Aktuella resultat visar att det kan minska 89–95 % av CO2 från uppvärmningsprocessen i Kinas industri (Fig. 2b, teknologier)
28–47), vilket överensstämmer med Vätgasrådets uppskattning på 84–92 % (ref. 21).Klinkerprocessens utsläpp av CO2 måste minskas av CCUS i både ZERO-H och ZERO-NH.Vi simulerar även användning av väte som råvara vid produktion av ammoniak, metan, metanol och andra kemikalier som anges i modellbeskrivningen.I ZERO-H-scenariot kommer gasbaserad ammoniakproduktion med vätevärme att få en andel på 20 % av den totala produktionen 2060 (Fig. 3 och Tilläggstabell 4).Modellen inkluderar fyra typer av metanolproduktionsteknologier: kol till metanol (CTM), koksgas till metanol (CGTM), naturgas till metanol (NTM) och CGTM/NTM med vätevärme.I ZERO-H scenariot kan CGTM/NTM med vätevärme uppnå en produktionsandel på 21 % år 2060 (Fig. 3).Kemikalier är också potentiella energibärare av väte.Baserat på vår integrerade analys kan väte utgöra 17 % av den slutliga energiförbrukningen för värmeförsörjning i den kemiska industrin år 2060. Tillsammans med bioenergi (18 %) och elektricitet (32 %) har väte en stor roll att spela i 
avkarbonisering av Kinas HTA kemiska industri (Fig. 4a).
Fig. 2 |Koldioxidreduktionspotential och minskningskostnader för viktiga begränsningstekniker.a, Sex kategorier av 60 nyckeltekniker för minskning av utsläpp av ståltillverkning.b, Sex kategorier av 47 nyckeltekniker för begränsning av cementutsläpp.Teknikerna är listade efter nummer, med motsvarande definitioner inkluderade i tilläggstabell 1 för a och tilläggstabell 2 för b.Teknikberedskapsnivåerna (TRL) för varje teknik är märkta: TRL3, koncept;TRL4, liten prototyp;TRL5, stor prototyp;TRL6, full prototyp i skala;TRL7,förkommersiell demonstration;TRL8, demonstration;TRL10, tidig adoption;TRL11, mogen.
Dekarbonisering av HTA-transportsätt med rent väte Baserat på modelleringsresultaten har vätgas också stor potential att dekarbonatisera Kinas transportsektor, även om det kommer att ta tid.Förutom LDV, inkluderar andra transportsätt som analyseras i modellen flotta bussar, lastbilar (lätt/små/medel/tunga), inrikes sjöfart och järnvägar, som täcker de flesta transporter i Kina.För LDV ser elfordon ut att förbli kostnadskonkurrenskraftiga i framtiden.I ZERO-H kommer penetrationen av vätebränsleceller (HFC) på LDV-marknaden att nå endast 5 % år 2060 (Fig. 3).För flottbussar kommer dock HFC-bussar att vara mer kostnadskonkurrenskraftiga än elalternativ 2045 och utgöra 61 % av den totala flottan 2060 i ZERO-H-scenariot, medan resten är elektriska (Fig. 3).När det gäller lastbilar varierar resultaten beroende på lasthastighet.Elektrisk framdrivning kommer att driva mer än hälften av den totala lätta lastbilsflottan år 2035 i ZERO-NH.Men i ZERO-H kommer lätta HFC-lastbilar att vara mer konkurrenskraftiga än elektriska lätta lastbilar år 2035 och utgöra 53 % av marknaden år 2060. När det gäller tunga lastbilar skulle tunga HFC-lastbilar nå 66 % av marknaden 2060 i ZERO-H-scenariot.Diesel/biodiesel/CNG (komprimerad naturgas) HDV (tunga fordon) kommer att lämna marknaden efter 2050 i både ZERO-NH och ZERO-H scenarierna (Fig. 3).HFC-fordon har ytterligare en fördel gentemot elfordon i deras bättre prestanda under kalla förhållanden, vilket är viktigt i norra och västra Kina.Utöver vägtransporter visar modellen en utbredd användning av väteteknik inom sjöfarten i ZERO-H-scenariot.Kinas inrikes sjöfart är mycket energikrävande och en särskilt svår utmaning för att minska koldioxidutsläppen.Rent väte, särskilt som en
råvara för ammoniak, ger ett alternativ för att transportera avkolning.Den billigaste lösningen i ZERO-H-scenariot resulterar i 65 % penetration av ammoniakdrivna och 12 % av vätgasdrivna fartyg år 2060 (Fig. 3).I detta scenario kommer vätgas att stå för i genomsnitt 56 % av den slutliga energiförbrukningen för hela transportsektorn år 2060. Vi modellerade också vätgasanvändning vid uppvärmning av bostäder (kompletterande anmärkning 6), men användningen är försumbar och detta dokument fokuserar på vätgasanvändning i HTA-industrier och tunga transporter.Kostnadsbesparingar av koldioxidneutralitet med hjälp av rent väte Kinas koldioxidneutrala framtid kommer att präglas av dominans av förnybar energi, med en utfasning av kol i sin primära energiförbrukning (Fig. 4).Icke-fossila bränslen utgör 88 % av den primära energimixen 2050 och 93 % 2060 under NOLL-H. Vind och sol kommer att tillhandahålla hälften av primärenergiförbrukningen 2060. I genomsnitt, nationellt, andelen rent väte av den totala slutliga energin konsumtionen (TFEC) kan nå 13 % år 2060. Med tanke på regional heterogenitet i produktionskapaciteten i nyckelindustrier per region (kompletterande tabell 7), finns det tio provinser med väteandelar av TFEC högre än det nationella genomsnittet, inklusive Inre Mongoliet, Fujian, Shandong och Guangdong, driven av rika sol- och vindresurser på land och till havs och/eller flera industriella krav på väte.I ZERO-NH-scenariot skulle den kumulativa investeringskostnaden för att uppnå koldioxidneutralitet fram till 2060 vara 20,63 biljoner dollar, eller 1,58 % av den sammanlagda bruttonationalprodukten (BNP) för 2020–2060.Den genomsnittliga ytterligare investeringen på årsbasis skulle vara cirka 516 miljarder USD per år.Detta resultat överensstämmer med Kinas minskningsplan för 15 biljoner USD fram till 2050, en genomsnittlig årlig nyinvestering på 500 miljarder USD (ref. 22).Men att införa alternativ för rena väte i Kinas energisystem och industriella råvaror i ZERO-H-scenariot resulterar i en betydligt lägre ackumulerad investering på 18,91 biljoner USD till 2060 och den årligainvesteringar skulle minska till mindre än 1 % av BNP 2060 (Fig.4).Beträffande HTA-sektorerna, den årliga investeringskostnaden i dessasektorer skulle vara cirka 392 miljarder USD per år i ZERO-NHscenario, vilket är förenligt med energiprojekteringenTransition Commission (400 miljarder USD) (ref. 23).Men om den är ren
väte införlivas i energisystemet och kemiska råvaror, indikerar ZERO-H-scenariot att den årliga investeringskostnaden i HTA-sektorer kan minskas till 359 miljarder USD, främst genom att minska beroendet av dyra CCUS eller NET.Våra resultat tyder på att användningen av rent väte kan spara 1,72 biljoner USD i investeringskostnader och undvika en förlust på 0,13 % i den sammanlagda BNP (2020–2060) jämfört med en väg utan väte fram till 2060.
Fig. 3 |Teknikpenetration i typiska HTA-sektorer.Resultat under scenarierna BAU, NDC, ZERO-NH och ZERO-H (2020–2060).Under varje milstolpeår visas den specifika teknikpenetrationen i olika sektorer av de färgade staplarna, där varje stapel är en procentandel av penetration upp till 100 % (för ett helt skuggat galler).Teknikerna klassificeras ytterligare efter olika typer (visas i legenderna).CNG, komprimerad naturgas;LPG, flytande petroleumgas;LNG, flytande naturgas;w/wo, med eller utan;EAF, ljusbågsugn;NSP, ny suspensionsförvärmare torrprocess;WHR, spillvärmeåtervinning.
Posttid: Mar-13-2023
