Resultatene av analysen viser at avhengighet av forbedring av energieffektivitet kombinert med CCUS og NET alene er usannsynlig å være en kostnadseffektiv vei for dyp dekarbonisering av Kinas HTA-sektorer, spesielt tungindustri.Mer spesifikt kan utbredt bruk av rent hydrogen i HTA-sektorer hjelpe Kina med å oppnå karbonnøytralitet kostnadseffektivt sammenlignet med et scenario uten ren hydrogenproduksjon og bruk.Resultatene gir sterk veiledning for Kinas HTA-dekarboniseringsvei og en verdifull referanse for andre land som står overfor lignende utfordringer.
Avkarbonisere HTA industrisektorer med rent hydrogen
Vi gjennomfører en integrert minstekostnadsoptimalisering av avbøtende veier til karbonnøytralitet for Kina i 2060. Fire modelleringsscenarier er definert i tabell 1: business as usual (BAU), Kinas nasjonalt fastsatte bidrag under Parisavtalen (NDC), netto- null utslipp med ingen-hydrogen-applikasjoner (NULL-NH) og netto-null-utslipp med rent hydrogen (NULL-H).HTA-sektorer i denne studien inkluderer industriell produksjon av sement, jern og stål og nøkkelkjemikalier (inkludert ammoniakk, soda og kaustisk soda) og tungtransport, inkludert lastebiltransport og innenlands skipsfart.Fullstendige detaljer er gitt i metodedelen og tilleggsnotater 1–5.Når det gjelder jern- og stålsektoren, er den dominerende andelen av eksisterende produksjon i Kina (89,6%) ved den grunnleggende oksygen-masovnsprosessen, en nøkkelutfordring for dyp dekarbonisering av denne
industri.Den elektriske lysbueovnsprosessen utgjorde bare 10,4 % av den totale produksjonen i Kina i 2019, som er 17,5 % mindre enn verdens gjennomsnittlige andel og 59,3 % mindre enn for USA18.Vi analyserte 60 nøkkelteknologier for utslippsreduksjon av stålfremstilling i modellen og klassifiserte dem i seks kategorier (fig. 2a): forbedring av materialeffektivitet, avansert teknologiytelse, elektrifisering, CCUS, grønt hydrogen og blått hydrogen (tilleggstabell 1).Sammenligning av systemkostnadsoptimaliseringer av ZERO-H med NDC- og ZERO-NH-scenarier viser at inkludering av rent hydrogenalternativer vil gi betydelig karbonreduksjon på grunn av introduksjon av hydrogen-direkte reduksjon av jern (hydrogen-DRI) prosesser.Legg merke til at hydrogen ikke bare kan tjene som en energikilde i stålproduksjon, men også som et karbonreduserende reduksjonsmiddel på tilleggsbasis i Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF)-prosessen og 100 % i hydrogen-DRI-ruten.Under ZERO-H vil andelen BF-BOF reduseres til 34 % i 2060, med 45 % lysbueovn og 21 % hydrogen-DRI, og rent hydrogen vil dekke 29 % av det totale endelige energibehovet i sektoren.Med nettprisen for sol- og vindkraft forventet ågå ned til USD 38–40MWh−1 i 205019, kostnadene for grønt hydrogen
vil også avta, og ruten 100 % hydrogen-DRI kan spille en viktigere rolle enn tidligere anerkjent.Når det gjelder sementproduksjon, inkluderer modellen 47 nøkkelreduserende teknologier på tvers av produksjonsprosessene klassifisert i seks kategorier (tilleggstabeller 2 og 3): energieffektivitet, alternative brensler, reduksjon av klinker-til-sement-forholdet, CCUS, grønt hydrogen og blått hydrogen ( Fig. 2b).Resultatene viser at forbedrede energieffektivitetsteknologier kan redusere bare 8–10 % av de totale CO2-utslippene i sementsektoren, og avfallsvarmekraft- og oxyfuel-teknologier vil ha begrenset dempende effekt (4–8 %).Teknologier for å redusere klinker-til-sement-forholdet kan gi relativt høy karbonreduksjon (50–70%), hovedsakelig inkludert avkarboniserte råvarer for klinkerproduksjon ved bruk av granulert masovnslagg, selv om kritikere stiller spørsmål ved om den resulterende sementen vil beholde sine essensielle egenskaper.Men nåværende resultater indikerer at utnyttelse av hydrogen sammen med CCUS kan hjelpe sementsektoren med å oppnå nesten null CO2-utslipp i 2060.
I ZERO-H-scenariet kommer 20 hydrogenbaserte teknologier (av de 47 avbøtende teknologiene) inn i sementproduksjonen.Vi finner at den gjennomsnittlige karbonreduksjonskostnaden for hydrogenteknologier er lavere enn typiske CCUS- og drivstoffbyttemetoder (fig. 2b).Videre forventes grønt hydrogen å være billigere enn blått hydrogen etter 2030, som diskutert i detalj nedenfor, til rundt USD 0,7–1,6 USD kg−1 H2 (ref. 20), noe som gir betydelige CO2-reduksjoner i levering av industriell varme ved sementproduksjon .Nåværende resultater viser at det kan redusere 89–95 % av CO2 fra oppvarmingsprosessen i Kinas industri (fig. 2b, teknologier)
28–47), som samsvarer med Hydrogenrådets anslag på 84–92 % (ref. 21).Klinkerprosessutslipp av CO2 må reduseres av CCUS i både ZERO-H og ZERO-NH.Vi simulerer også bruk av hydrogen som råstoff i produksjon av ammoniakk, metan, metanol og andre kjemikalier oppført i modellbeskrivelsen.I ZERO-H-scenarioet vil gassbasert ammoniakkproduksjon med hydrogenvarme få 20 % andel av total produksjon i 2060 (fig. 3 og tilleggstabell 4).Modellen inkluderer fire typer metanolproduksjonsteknologier: kull til metanol (CTM), koksgass til metanol (CGTM), naturgass til metanol (NTM) og CGTM/NTM med hydrogenvarme.I ZERO-H scenario kan CGTM/NTM med hydrogenvarme oppnå 21 % produksjonsandel i 2060 (fig. 3).Kjemikalier er også potensielle energibærere av hydrogen.Basert på vår integrerte analyse kan hydrogen utgjøre 17 % av det endelige energiforbruket til varmeforsyning i kjemisk industri innen 2060. Sammen med bioenergi (18 %) og elektrisitet (32 %) har hydrogen en stor rolle å spille i 
dekarbonisering av Kinas HTA kjemiske industri (fig. 4a).
Fig. 2 |Karbonreduksjonspotensial og reduksjonskostnader ved viktige reduksjonsteknologier.a, Seks kategorier med 60 nøkkelteknologier for utslippsreduksjon av stålproduksjon.b, Seks kategorier av 47 sentrale sementutslippsreduksjonsteknologier.Teknologiene er oppført etter nummer, med tilsvarende definisjoner inkludert i tilleggstabell 1 for a og tilleggstabell 2 for b.Teknologiberedskapsnivåene (TRLs) for hver teknologi er merket: TRL3, konsept;TRL4, liten prototype;TRL5, stor prototype;TRL6, full prototype i skala;TRL7,pre-kommersiell demonstrasjon;TRL8, demonstrasjon;TRL10, tidlig adopsjon;TRL11, moden.
Avkarbonisering av HTA-transportformer med rent hydrogen Basert på modelleringsresultatene har hydrogen også et stort potensial for å avkarbonisere Kinas transportsektor, selv om det vil ta tid.I tillegg til LDV-er inkluderer andre transportmåter som er analysert i modellen flåtebusser, lastebiler (lette/små/middels/tunge), innenlands skipsfart og jernbaner, som dekker det meste av transport i Kina.For LDV-er ser elektriske kjøretøy ut til å forbli kostnadskonkurransedyktige i fremtiden.I ZERO-H vil hydrogenbrenselcelle (HFC) penetrasjon av LDV-markedet nå bare 5 % i 2060 (fig. 3).For flåtebusser vil imidlertid HFC-busser være mer kostnadskonkurransedyktige enn elektriske alternativer i 2045 og utgjøre 61 % av den totale flåten i 2060 i ZERO-H-scenarioet, mens resten er elektriske (fig. 3).Når det gjelder lastebiler, varierer resultatene med lastehastighet.Elektrisk fremdrift vil drive mer enn halvparten av den totale lette lastebilflåten innen 2035 i ZERO-NH.Men i ZERO-H vil HFC lette lastebiler være mer konkurransedyktige enn elektriske lette lastebiler innen 2035 og utgjøre 53 % av markedet innen 2060. Når det gjelder tunge lastebiler, vil HFC tunge lastebiler nå 66 % av markedet i 2060 i ZERO-H scenario.Diesel/biodiesel/CNG (komprimert naturgass) HDVer (tunge kjøretøyer) vil forlate markedet etter 2050 i både ZERO-NH og ZERO-H scenarier (fig. 3).HFC-kjøretøyer har en ekstra fordel i forhold til elektriske kjøretøy i deres bedre ytelse under kalde forhold, viktig i det nordlige og vestlige Kina.Utover veitransport viser modellen utbredt bruk av hydrogenteknologier i skipsfart i ZERO-H-scenariet.Kinas innenlandske skipsfart er svært energikrevende og en spesielt vanskelig avkarboniseringsutfordring.Rent hydrogen, spesielt som en
råstoff for ammoniakk, gir et alternativ for frakt avkarbonisering.Den billigste løsningen i ZERO-H-scenarioet resulterer i 65 % penetrasjon av ammoniakkdrevne og 12 % av hydrogendrevne skip i 2060 (fig. 3).I dette scenariet vil hydrogen utgjøre et gjennomsnitt på 56 % av det endelige energiforbruket til hele transportsektoren i 2060. Vi modellerte også hydrogenbruk i boligoppvarming (tilleggsnotat 6), men bruken er ubetydelig, og denne artikkelen fokuserer på hydrogenbruk i HTA-næringer og tungtransport.Kostnadsbesparelser ved karbonnøytralitet ved bruk av rent hydrogen Kinas karbonnøytrale fremtid vil være preget av dominans av fornybar energi, med en utfasing av kull i dets primære energiforbruk (fig. 4).Ikke-fossile brensler utgjør 88 % av primærenergimiksen i 2050 og 93 % i 2060 under NULL-H. Vind og sol vil levere halvparten av primærenergiforbruket i 2060. I gjennomsnitt, nasjonalt, er andelen rent hydrogen av total sluttenergi forbruk (TFEC) kan nå 13 % i 2060. Tatt i betraktning regional heterogenitet i produksjonskapasiteten i nøkkelnæringer etter region (tilleggstabell 7), er det ti provinser med hydrogenandeler av TFEC høyere enn landsgjennomsnittet, inkludert Indre Mongolia, Fujian, Shandong og Guangdong, drevet av rike sol- og vindressurser på land og til havs og/eller flere industrielle krav til hydrogen.I ZERO-NH-scenarioet vil den kumulative investeringskostnaden for å oppnå karbonnøytralitet frem til 2060 være 20,63 billioner dollar, eller 1,58 % av det samlede bruttonasjonalproduktet (BNP) for 2020–2060.Den gjennomsnittlige tilleggsinvesteringen på årsbasis vil være rundt 516 milliarder dollar per år.Dette resultatet stemmer overens med Kinas 15 billioner dollars reduksjonsplan frem til 2050, en gjennomsnittlig årlig nyinvestering på 500 milliarder dollar (ref. 22).Å introdusere rene hydrogenalternativer i Kinas energisystem og industrielle råvarer i ZERO-H-scenarioet resulterer imidlertid i en betydelig lavere kumulativ investering på 18,91 billioner USD innen 2060 og den årligeinvesteringene vil bli redusert til mindre enn 1 % av BNP i 2060 (fig.4).Når det gjelder HTA-sektorene, er den årlige investeringskostnaden i dissesektorer vil være rundt 392 milliarder dollar per år i ZERO-NHscenario, som er i samsvar med projeksjonen av energienTransition Commission (400 milliarder USD) (ref. 23).Men hvis det er rent
hydrogen er inkorporert i energisystemet og kjemiske råvarer, indikerer ZERO-H-scenariet at de årlige investeringskostnadene i HTA-sektorer kan reduseres til 359 milliarder USD, hovedsakelig ved å redusere avhengigheten av kostbare CCUS eller NET.Resultatene våre antyder at bruk av rent hydrogen kan spare 1,72 billioner dollar i investeringskostnader og unngå et tap på 0,13 % i det samlede BNP (2020–2060) sammenlignet med en vei uten hydrogen frem til 2060.
Fig. 3 |Teknologipenetrasjon i typiske HTA-sektorer.Resultater under BAU, NDC, ZERO-NH og ZERO-H scenarios (2020–2060).I hvert milepælår vises den spesifikke teknologipenetrasjonen i forskjellige sektorer av de fargede søylene, der hver søyle er en prosentandel av penetrasjon opp til 100 % (for et fullstendig skyggelagt gitter).Teknologiene er videre klassifisert etter forskjellige typer (vist i legendene).CNG, komprimert naturgass;LPG, flytende petroleumsgass;LNG, flytende naturgass;w/wo, med eller uten;EAF, elektrisk lysbue ovn;NSP, ny suspensjon forvarmer tørr prosess;WHR, spillvarmegjenvinning.
Innleggstid: 13. mars 2023
