Breaking the hard-to-abate bottleneck in China‘s path to carbon neutrality with clean hydrogen（1）

Het moeilijk te verhelpen knelpunt doorbreken op de weg van China naar koolstofneutraliteit met schone waterstof

Landen als China worden geconfronteerd met een knelpunt op hun weg naar koolstofneutraliteit: vermindering van de uitstoot in de zware industrie en zwaar transport.Er zijn weinig diepgaande studies naar de toekomstige rol van schone waterstof in deze 'hard-to-abate' (HTA) sectoren.Hier voeren we een geïntegreerde dynamische analyse van de laagste kostenmodellering uit.De resultaten tonen aan dat, ten eerste, schone waterstof zowel een belangrijke energiedrager als grondstof kan zijn die de koolstofemissies van de zware industrie aanzienlijk kan verminderen.Het kan tegen 2060 ook tot 50% van China's zware vrachtwagen- en busvloten van brandstof voorzien en een aanzienlijk deel van de scheepvaart.Ten tweede zou een realistisch scenario voor schone waterstof dat in 2060 een productie van 65,7 miljoen ton bereikt, 1,72 biljoen dollar aan nieuwe investeringen kunnen vermijden in vergelijking met een scenario zonder waterstof.Deze studie levert bewijs van de waarde van schone waterstof in HTA-sectoren voor China en landen die voor vergelijkbare uitdagingen staan bij het verminderen van emissies om netto-nuldoelen te bereiken.

Het bereiken van koolstofneutraliteit is een urgente wereldwijde missie, maar er is geen pasklare route voor landen met een grote uitstoot om deze doelstelling te halen1,2.De meeste ontwikkelde landen, zoals de Verenigde Staten en die in Europa, voeren strategieën voor decarbonisatie na, met name gericht op grote wagenparken van lichte voertuigen (LDV), elektriciteitsopwekking, productie en commerciële en residentiële gebouwen, vier sectoren die samen verantwoordelijk zijn voor overgrote meerderheid van hun koolstofemissies3,4.Grote uitstoters in ontwikkelingslanden, zoals China, hebben daarentegen zeer verschillende economieën en energiestructuren, waardoor niet alleen sectorale, maar ook wat betreft de strategische inzet van opkomende koolstofvrije technologieën verschillende prioriteiten voor het koolstofvrij maken nodig zijn.

De belangrijkste verschillen tussen het koolstofemissieprofiel van China in vergelijking met dat van westerse economieën zijn veel grotere emissieaandelen voor zware industrieën en veel kleinere fracties voor lichte bedrijfsvoertuigen en energieverbruik in gebouwen (figuur 1).China staat verreweg op de eerste plaats in de wereld wat betreft de productie van cement, ijzer en staal, chemicaliën en bouwmaterialen, en verbruikt enorme hoeveelheden steenkool voor industriële warmte en de productie van cokes.Zware industrie draagt 31% bij aan de huidige totale uitstoot van China, een aandeel dat 8% hoger is dan het wereldgemiddelde (23%), 17% groter dan dat van de Verenigde Staten (14%) en 13% hoger dan dat van de Europese Unie (18%) (ref.5).

China heeft toegezegd zijn koolstofemissies vóór 2030 te pieken en vóór 2060 koolstofneutraliteit te bereiken. Deze klimaattoezeggingen werden alom geprezen, maar deden ook twijfels rijzen over de haalbaarheid ervan6 , deels vanwege de belangrijke rol van 'moeilijk te verminderen' (HTA) processen in de Chinese economie.Deze processen omvatten met name het energieverbruik in de zware industrie en zwaar transport dat moeilijk te elektrificeren zal zijn (en dus direct over te schakelen op hernieuwbare energie) en industriële processen die nu afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen voor chemische grondstoffen. Er zijn enkele recente studies geweest1– 3 onderzoeken van decarbonisatieroutes naar koolstofneutraliteit voor China's algehele energiesysteemplanning, maar met beperkte analyses van HTA-sectoren.Internationaal beginnen de afgelopen jaren potentiële mitigatieoplossingen voor HTA-sectoren de aandacht te trekken7–14.Het koolstofarm maken van HTA-sectoren is een uitdaging omdat het moeilijk is om ze volledig en/of kosteneffectief te elektrificeren7,8.Åhman benadrukte dat padafhankelijkheid het belangrijkste probleem is voor HTA-sectoren en dat visie en langetermijnplanning voor geavanceerde technologieën nodig zijn om de HTA-sectoren, met name de zware industrie, te 'ontgrendelen' van fossiele afhankelijkheid9.Studies hebben nieuwe materialen en mitigatieoplossingen onderzocht met betrekking tot CO2-afvang, -gebruik en/of -opslag (CCUS) en negatieve-emissietechnologieën (NET's)10,11. uit ten minste één studie wordt erkend dat ze ook moeten worden overwogen bij langetermijnplanning11.In het onlangs uitgebrachte zesde beoordelingsrapport van het Intergouvernementeel Panel inzake klimaatverandering werd het gebruik van "emissiearme" waterstof erkend als een van de belangrijkste mitigatieoplossingen voor meerdere sectoren om een toekomst met netto nulemissie te bereiken12.

De bestaande literatuur over schone waterstof is grotendeels gericht op productietechnologie-opties met analyses van aanbodkosten15.('Schone' waterstof omvat in dit artikel zowel 'groene' als 'blauwe' waterstof, de eerste geproduceerd door waterelektrolyse met behulp van hernieuwbare energie, de laatste afkomstig van fossiele brandstoffen maar gedecarboniseerd met CCUS.) De bespreking van de vraag naar waterstof is grotendeels gericht op de transportsector in ontwikkelde landen, in het bijzonder waterstof-brandstofcelvoertuigen16,17.De druk om de zware industrie koolstofarm te maken is achtergebleven in vergelijking met die voor het wegvervoer, wat de conventionele veronderstelling weergeeft dat de zware industrie
blijven bijzonder moeilijk te verminderen totdat er nieuwe technologische innovaties opduiken.Studies van schone (vooral groene) waterstof hebben de technologische volwassenheid en dalende kosten ervan aangetoond17, maar verdere studies zijn nodig die zich richten op de omvang van potentiële markten en technologische behoeften van industrieën om de toekomstige groei van het aanbod van schone waterstof te benutten16.Het begrijpen van het potentieel van schone waterstof om wereldwijde koolstofneutraliteit te bevorderen, zal per definitie vertekend zijn als analyses voornamelijk beperkt blijven tot de kosten van de productie, het verbruik ervan door alleen begunstigde sectoren en de toepassing ervan in ontwikkelde economieën. De bestaande literatuur over schone waterstof is gericht grotendeels op productietechnologieopties met analyses van kosten aan de aanbodzijde15.('Schone' waterstof omvat in dit artikel zowel 'groene' als 'blauwe' waterstof, de eerste geproduceerd door waterelektrolyse met behulp van hernieuwbare energie, de laatste afkomstig van fossiele brandstoffen maar gedecarboniseerd met CCUS.) De bespreking van de vraag naar waterstof is grotendeels gericht op de transportsector in ontwikkelde landen, in het bijzonder waterstof-brandstofcelvoertuigen16,17.De druk om de zware industrie koolstofvrij te maken is achtergebleven bij die voor het wegvervoer, wat de conventionele aanname weerspiegelt dat de zware industrie bijzonder moeilijk te verminderen zal blijven tot er nieuwe technologische innovaties opduiken.Studies van schone (vooral groene) waterstof hebben de technologische volwassenheid en dalende kosten ervan aangetoond17, maar verdere studies zijn nodig die zich richten op de omvang van potentiële markten en technologische behoeften van industrieën om de toekomstige groei van het aanbod van schone waterstof te benutten16.Het begrijpen van het potentieel van schone waterstof om de wereldwijde koolstofneutraliteit te bevorderen, zal per definitie vertekend zijn als analyses zich hoofdzakelijk beperken tot de kosten van de productie, het verbruik ervan door alleen begunstigde sectoren en de toepassing ervan in ontwikkelde economieën.

Het evalueren van kansen voor schone waterstof hangt af van een herbeoordeling van de toekomstige vraag naar alternatieve brandstof en chemische grondstof voor het gehele energiesysteem en de economie, waarbij rekening wordt gehouden met de verschillende nationale omstandigheden.Er is tot nu toe geen dergelijk alomvattend onderzoek naar de rol van schone waterstof in China's netto-nultoekomst.Het opvullen van deze onderzoekslacune zal helpen bij het opstellen van een duidelijkere routekaart voor de vermindering van de CO2-emissies van China, het mogelijk maken om de haalbaarheid van de toezeggingen voor een koolstofarme economie in 2030 en 2060 te evalueren en een leidraad bieden voor andere groeiende opkomende economieën met grote zware industriële sectoren.

Afb. 1 |Koolstofemissies van sleutellanden en analysemechanisme voor waterstof in het energiesysteem.a, de koolstofemissies van China in 2019 vergeleken met de Verenigde Staten, Europa, Japan en India, per brandstof.In 2019 nam de verbranding van steenkool het grootste aandeel in de koolstofemissies in China (79,62%) en India (70,52%), en droeg de verbranding van olie het meest bij aan de koolstofemissies in de Verenigde Staten (41,98%) en Europa (41,27%).b, de koolstofemissies van China in 2019 vergeleken met de Verenigde Staten, Europa, Japan en India, per sector.Emissies worden links weergegeven en verhouding rechts in a en b.Het aandeel van de koolstofemissies van de industrie in China (28,10%) en India (24,75%) was in 2019 veel hoger dan dat van de Verenigde Staten (9,26%) en Europa (13,91%). c, Technisch traject met waterstoftechnologieën toegepast in de HTA-sectoren.SMR, stoommethaanreforming;PEM-elektrolyse, membraanelektrolyse van polymeerelektrolyt;PEC-proces, foto-elektrochemisch proces.

Dit onderzoek tracht drie belangrijke vragen te beantwoorden.Ten eerste, wat zijn de belangrijkste uitdagingen voor het koolstofarm maken van HTA-sectoren in ontwikkelingslanden zoals China, in tegenstelling tot die van ontwikkelde landen?Zijn de huidige mitigatietechnologieën in HTA-sectoren (met name de zware industrie) effectief genoeg om tegen 2060 de koolstofneutraliteit van China te bereiken?Ten tweede, wat zijn de toekomstige rollen voor schone waterstof als zowel energiedrager als grondstof in HTA-sectoren, met name in China en andere ontwikkelingslanden die net zijn begonnen toegang te krijgen tot de toekomstige productie en het gebruik ervan?Tot slot, gebaseerd op dynamische optimalisatie van het gehele energiesysteem van China

zou een wijdverbreide toepassing van schone waterstof in HTA-sectoren kosteneffectief zijn in vergelijking met andere opties?

Hier bouwen we een model van een geïntegreerd energiesysteem dat zowel vraag als aanbod in verschillende sectoren omvat om de toekomstige kosteneffectiviteit en rol van schone waterstof in de gehele economie van China te analyseren, met de nadruk op de onvoldoende onderzochte HTA-sectoren (Fig. 1c).

Posttijd: 03-03-2023