Az elemzés eredményei azt mutatják, hogy az energiahatékonyság javítására való támaszkodás önmagában a CCUS-szal és a NET-ekkel kombinálva valószínűleg nem lesz költséghatékony út a kínai HTA-ágazatok, különösen a nehézipar mélyreható szén-dioxid-mentesítéséhez.Pontosabban, a tiszta hidrogén széleskörű alkalmazása a HTA-ágazatokban segíthet Kínának költséghatékonyan elérni a szén-dioxid-semlegességet a tiszta hidrogén előállítása és felhasználása nélküli forgatókönyvhöz képest.Az eredmények határozott útmutatást adnak Kína HTA-dekarbonizációs útjához, és értékes referenciaként szolgálnak a hasonló kihívásokkal küzdő országok számára.
HTA ipari szektorok szén-dioxid-mentesítése tiszta hidrogénnel
Elvégezzük a szén-dioxid-semlegesség mérséklésének integrált legkisebb költségű optimalizálását Kínában 2060-ban. Az 1. táblázatban négy modellezési forgatókönyvet definiálunk: a szokásos üzletmenet (BAU), Kína nemzetileg meghatározott hozzájárulása a Párizsi Megállapodás (NDC) szerint, nettó nulla károsanyag-kibocsátás hidrogénmentes alkalmazásoknál (ZERO-NH) és nettó nulla kibocsátás tiszta hidrogénnel (ZERO-H).A tanulmányban szereplő HTA ágazatok közé tartozik a cement, vas és acél, valamint kulcsfontosságú vegyi anyagok (beleértve az ammóniát, szódát és nátronlúgot) ipari termelése, valamint a nehéz szállítás, beleértve a teherszállítást és a belföldi szállítást.A részleteket a Módszerek részben és az 1–5. kiegészítő megjegyzésekben találja.Ami a vas- és acélágazatot illeti, Kínában a jelenlegi termelés domináns része (89,6%) az alapvető oxigén-kohós eljárás, ami kulcsfontosságú kihívás ennek a szén-dioxid-mentesítésnek.
ipar.Az elektromos ívkemencés eljárás Kínában a teljes termelés mindössze 10,4%-át tette ki 2019-ben, ami 17,5%-kal kevesebb, mint a világátlag, és 59,3%-kal kevesebb, mint az Egyesült Államoké18.A modellben 60 kulcsfontosságú acélgyártási kibocsátáscsökkentő technológiát elemeztünk, és hat kategóriába soroltuk őket (2a. ábra): anyaghatékonyság javítása, fejlett technológiai teljesítmény, villamosítás, CCUS, zöld hidrogén és kék hidrogén (1. kiegészítő táblázat).A ZERO-H rendszerköltség-optimalizálásának összehasonlítása NDC és ZERO-NH forgatókönyvekkel azt mutatja, hogy a tiszta hidrogén opciók bevonása jelentős szén-dioxid-csökkentést eredményezne a vas hidrogén-direkt redukciójának (hidrogén-DRI) bevezetésének köszönhetően.Megjegyzendő, hogy a hidrogén nemcsak energiaforrásként szolgálhat az acélgyártásban, hanem kiegészítő jelleggel szén-elnyelő redukálószerként is szolgálhat a Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF) eljárásban, és 100%-ban a hidrogén-DRI úton.A ZERO-H szerint a BF-BOF részesedése 34%-ra csökkenne 2060-ban, 45%-a elektromos ívkemencével és 21%-a hidrogén-DRI-vel, a tiszta hidrogén pedig a teljes végső energiaigény 29%-át fedezné az ágazatban.A nap- és szélenergia hálózati árával várhatóan2050-ben 38–40 MWh−1 USD-ra csökken19, a zöld hidrogén költsége
is csökkenni fog, és a 100%-os hidrogén-DRI út a korábban felismertnél fontosabb szerepet játszhat.Ami a cementgyártást illeti, a modell 47 kulcsfontosságú hatáscsökkentő technológiát tartalmaz a gyártási folyamatok során, hat kategóriába sorolva (2. és 3. kiegészítő táblázat): energiahatékonyság, alternatív üzemanyagok, a klinker-cement arány csökkentése, CCUS, zöld hidrogén és kék hidrogén. 2b. ábra).Az eredmények azt mutatják, hogy a továbbfejlesztett energiahatékonysági technológiák a cementágazat összes CO2-kibocsátásának csak 8-10%-át tudják csökkenteni, a hulladékhő kapcsolt energiatermelésének és az oxigén-üzemanyag-technológiáknak pedig korlátozott mérséklő hatása lesz (4-8%).A klinker-cement arány csökkentését célzó technológiák viszonylag magas (50–70%) szén-dioxid-csökkentést eredményezhetnek, főként a granulált nagyolvasztó salakot használó klinkergyártás dekarbonizált nyersanyagaival, bár a kritikusok megkérdőjelezik, hogy a kapott cement megőrzi-e alapvető tulajdonságait.A jelenlegi eredmények azonban azt mutatják, hogy a hidrogén és a CCUS együttes alkalmazása segítheti a cementágazatot abban, hogy 2060-ra közel nulla CO2-kibocsátást érjen el.
A ZERO-H forgatókönyv szerint 20 hidrogén alapú technológia (a 47 hatáscsökkentő technológia közül) jön szóba a cementgyártásban.Azt találtuk, hogy a hidrogéntechnológiák átlagos szén-dioxid-kibocsátás-csökkentési költsége alacsonyabb, mint a tipikus CCUS és üzemanyag-váltási megközelítések esetében (2b. ábra).Ezen túlmenően a zöld hidrogén várhatóan olcsóbb lesz 2030 után, mint a kék hidrogén, amint azt az alábbiakban részletesen tárgyaljuk, körülbelül 0,7–1,6 USD kg–1 H2 (20. hivatkozás), ami jelentős CO2-csökkentést jelent a cementgyártás ipari hőellátásában. .A jelenlegi eredmények azt mutatják, hogy a kínai iparban a fűtési folyamatból származó CO2-kibocsátást 89-95%-kal tudja csökkenteni (2b. ábra, technológiák
28–47.), ami összhangban van a Hidrogén Tanács 84–92%-os becslésével (21. hivatkozás).A klinkergyártás során keletkező CO2-kibocsátást a CCUS-nak kell csökkentenie mind a ZERO-H, mind a ZERO-NH esetén.Emellett szimuláljuk a hidrogén alapanyagként történő felhasználását ammónia, metán, metanol és más, a modellleírásban felsorolt vegyi anyagok előállításához.A ZERO-H forgatókönyv szerint a gázalapú ammónia hidrogén-hővel történő termelése 2060-ban a teljes termelés 20%-át fogja elérni (3. ábra és 4. kiegészítő táblázat).A modell négyféle metanol-előállítási technológiát tartalmaz: szénből metanollá (CTM), kokszgázból metanollá (CGTM), földgázból metanollá (NTM) és CGTM/NTM-ből hidrogén-hővel.A ZERO-H forgatókönyv szerint a hidrogénes hővel működő CGTM/NTM 21%-os termelési részesedést érhet el 2060-ban (3. ábra).A vegyszerek a hidrogén potenciális energiahordozói is.Integrált elemzésünk alapján a hidrogén 2060-ra a vegyipar hőellátásának végső energiafelhasználásának 17%-át teheti ki. A bioenergia (18%) és a villamos energia (32%) mellett a hidrogénnek jelentős szerepe van 
a kínai HTA vegyipar dekarbonizációja (4a. ábra).
2. ábra |A kulcsfontosságú mérséklési technológiák szén-dioxid-csökkentési potenciálja és csökkentési költségei.a, A 60 kulcsfontosságú acélgyártási kibocsátáscsökkentési technológia hat kategóriája.b, 47 kulcsfontosságú cementkibocsátás-csökkentési technológia hat kategóriája.A technológiák szám szerint vannak felsorolva, a megfelelő definíciókkal az 1. kiegészítő táblázatban (a) és a 2. kiegészítő táblázatban (b) szerepel.Az egyes technológiák technológiai készenléti szintjeit (TRL) jelöljük: TRL3, koncepció;TRL4, kis prototípus;TRL5, nagy prototípus;TRL6, teljes prototípus méretben;TRL7, kereskedelmi forgalomba hozatal előtti bemutató;TRL8, bemutató;TRL10, korai elfogadás;TRL11, érett.
A HTA szállítási módok dekarbonizálása tiszta hidrogénnel A modellezési eredmények alapján a hidrogénnek is nagy lehetősége van a kínai közlekedési szektor dekarbonizálására, bár ez időbe telik.Az LDV-k mellett a modellben elemzett egyéb szállítási módok közé tartoznak a flottabuszok, teherautók (könnyű/kis/közepes/nehéz), a belföldi hajózás és a vasutak, amelyek a legtöbb kínai szállítást lefedik.Az LDV-k esetében az elektromos járművek a jövőben is versenyképesek maradnak a költség szempontjából.A ZERO-H-ban a hidrogén üzemanyagcellás (HFC) penetrációja az LDV-piacon 2060-ban mindössze 5%-ot ér el (3. ábra).A flottabuszok esetében azonban a HFC-buszok költséghatékonyabbak lesznek, mint az elektromos alternatívák 2045-ben, és 2060-ban a teljes flotta 61%-át teszik ki a ZERO-H forgatókönyv szerint, a többi pedig elektromos (3. ábra).Ami a teherautókat illeti, az eredmények a terhelési aránytól függően változnak.Az elektromos meghajtás 2035-re a teljes könnyűteherautó-flotta több mint felét hajtja majd a ZERO-NH-ban.De a ZERO-H-ban a HFC könnyű teherautók versenyképesebbek lesznek 2035-re, mint az elektromos kisteherautók, és 2060-ra a piac 53%-át teszik ki. A nehéz tehergépjárművek esetében a HFC nehézteherautók elérnék a piac 66%-át. piac 2060-ban a ZERO-H forgatókönyv szerint.A dízel/biodízel/CNG (sűrített földgáz) HDV-k (nehéz tehergépjárművek) 2050 után kilépnek a piacról ZERO-NH és ZERO-H forgatókönyv esetén is (3. ábra).A HFC járművek további előnye az elektromos járművekkel szemben, hogy jobb teljesítményt nyújtanak hideg körülmények között, ami fontos Észak- és Nyugat-Kínában.A modell a közúti szállításon túlmenően a hidrogéntechnológiák széles körű elterjedését mutatja a hajózásban a ZERO-H forgatókönyv szerint.Kína belföldi szállítása nagyon energiaigényes, és különösen nehéz szén-dioxid-mentesítési kihívást jelent.Tiszta hidrogén, különösen a
az ammónia alapanyaga, lehetőséget biztosít a szén-dioxid-mentesítésre.A ZERO-H forgatókönyvben a legolcsóbb megoldás az ammóniával működő hajók 65%-os és a hidrogéntüzelésű hajók 12%-os penetrációját eredményezi 2060-ban (3. ábra).Ebben a forgatókönyvben a hidrogén a teljes közlekedési szektor végső energiafogyasztásának átlagosan 56%-át teszi ki 2060-ban. Modelleztük a hidrogén felhasználását a lakossági fűtésben is (6. kiegészítő megjegyzés), de ennek alkalmazása elhanyagolható, és ez a cikk a következőkre összpontosít. hidrogén felhasználás a HTA iparágakban és a nehéz szállításban.Költségmegtakarítás a szénsemlegesség tiszta hidrogén felhasználásával Kína szén-dioxid-semleges jövőjét a megújuló energiaforrások dominanciája fogja jellemezni, a szén fokozatos kivonása primer energiafelhasználásában (4. ábra).A nem fosszilis tüzelőanyagok a primerenergia-mix 88%-át teszik ki 2050-ben, és 93%-át 2060-ban a ZERO-H szerint. A szél- és a napenergia fogja biztosítani a primerenergia-fogyasztás felét 2060-ban. Országosan átlagosan a tiszta hidrogén aránya a teljes végső energiából A fogyasztás (TFEC) elérheti a 13%-ot 2060-ban. Figyelembe véve a termelési kapacitások regionális heterogenitását a kulcsfontosságú iparágakban régiónként (7. kiegészítő táblázat), tíz olyan tartomány van, ahol a TFEC hidrogén részaránya magasabb az országos átlagnál, köztük Belső-Mongólia, Fujian és Shandong és Guangdong, amelyet gazdag napenergia, szárazföldi és tengeri szélenergia és/vagy többszörös ipari hidrogénigény hajt.A ZERO-NH forgatókönyv szerint a szén-dioxid-semlegesség eléréséhez szükséges kumulált beruházási költség 2060-ig 20,63 billió dollár, azaz az aggregált bruttó hazai termék (GDP) 1,58%-a 2020–2060-ig.Az átlagos további beruházás éves szinten körülbelül 516 milliárd USD lenne.Ez az eredmény összhangban van Kína 2050-ig tartó 15 billió dolláros mérséklési tervével, amely átlagosan évi 500 milliárd USD új beruházást jelent (22. hivatkozás).Azonban a tiszta hidrogén opciók bevezetése a kínai energiarendszerbe és az ipari alapanyagokba a ZERO-H forgatókönyv szerint lényegesen alacsonyabb, 18,91 billió USD kumulált beruházást eredményez 2060-ra, és az évesA beruházások 2060-ban a GDP 1%-a alá csökkennének.4).A HTA szektorok tekintetében az éves beruházási költség azokbana ZERO-NH-ban évente körülbelül 392 milliárd USD-t tennének kiforgatókönyv, amely összhangban van az Energia kivetítésévelÁtmeneti Bizottság (400 milliárd USD) (23. hivatkozás).Ha azonban tiszta
A hidrogént beépítik az energiarendszerbe és a vegyi alapanyagokba, a ZERO-H forgatókönyv szerint a HTA szektorok éves beruházási költsége 359 milliárd USD-ra csökkenhet, főként a költséges CCUS-tól vagy NET-től való függés csökkentésével.Eredményeink azt sugallják, hogy a tiszta hidrogén használatával 1,72 billió USD beruházási költséget takaríthatunk meg, és elkerülhetjük az aggregált GDP 0,13%-os veszteségét (2020–2060), összehasonlítva a hidrogén nélküli úttal 2060-ig.
3. ábra |Technológiai penetráció a tipikus HTA szektorokban.A BAU, NDC, ZERO-NH és ZERO-H forgatókönyvek eredményei (2020–2060).Minden mérföldkő évben a specifikus technológiai penetrációt a különböző szektorokban színes sávok mutatják, ahol minden sáv 100%-ig terjedő százalékos penetrációt jelent (teljesen árnyékolt rács esetén).A technológiákat további típusok szerint osztályozzák (a jelmagyarázatokban látható).CNG, sűrített földgáz;LPG, folyékony kőolajgáz;LNG, folyékony földgáz;w/wo, vele vagy anélkül;EAF, elektromos ívkemence;NSP, új felfüggesztési előmelegítő száraz eljárás;WHR, hulladékhő visszanyerése.
Feladás időpontja: 2023. március 13
