De resultaten van de analyse tonen aan dat het onwaarschijnlijk is dat het vertrouwen op verbetering van de energie-efficiëntie in combinatie met CCUS en NET's alleen een kosteneffectieve weg zal zijn voor verregaande decarbonisatie van de Chinese HTA-sectoren, met name de zware industrieën.Meer specifiek kan een wijdverbreide toepassing van schone waterstof in HTA-sectoren China helpen om kosteneffectief koolstofneutraliteit te bereiken in vergelijking met een scenario zonder productie en gebruik van schone waterstof.De resultaten vormen een sterke leidraad voor China's HTA-decarbonisatietraject en een waardevolle referentie voor andere landen die met soortgelijke uitdagingen worden geconfronteerd.
Decarbonisatie van HTA-industriesectoren met schone waterstof
We voeren een geïntegreerde optimalisatie van de laagste kosten uit van mitigatieroutes naar koolstofneutraliteit voor China in 2060. Vier modelleringsscenario's zijn gedefinieerd in tabel 1: business as usual (BAU), China's nationaal bepaalde bijdragen onder de Overeenkomst van Parijs (NDC), net- nulemissie met toepassingen zonder waterstof (ZERO-NH) en netto nulemissie met schone waterstof (ZERO-H).HTA-sectoren in deze studie omvatten de industriële productie van cement, ijzer en staal en belangrijke chemicaliën (waaronder ammoniak, soda en caustic soda) en zwaar transport, waaronder vrachtvervoer en binnenlandse scheepvaart.Volledige details zijn te vinden in het gedeelte Methoden en aanvullende opmerkingen 1-5.Wat de ijzer- en staalsector betreft, is het dominante aandeel van de bestaande productie in China (89,6%) afkomstig van het basale zuurstofhoogovenproces, een belangrijke uitdaging voor het verregaand koolstofvrij maken van deze sector.
industrie.Het vlamboogovenproces omvatte slechts 10,4% van de totale productie in China in 2019, wat 17,5% minder is dan het wereldwijde gemiddelde aandeel en 59,3% minder dan dat voor de Verenigde Staten18.We analyseerden 60 belangrijke emissiebeperkende technologieën voor staalproductie in het model en classificeerden ze in zes categorieën (figuur 2a): verbetering van materiaalefficiëntie, geavanceerde technologieprestaties, elektrificatie, CCUS, groene waterstof en blauwe waterstof (aanvullende tabel 1).Vergelijking van de systeemkostenoptimalisaties van ZERO-H met NDC- en ZERO-NH-scenario's toont aan dat opname van opties voor schone waterstof een opmerkelijke koolstofreductie zou opleveren dankzij de introductie van waterstof-directe reductie van ijzer (waterstof-DRI) processen.Merk op dat waterstof niet alleen kan dienen als energiebron bij de staalproductie, maar ook als koolstofreducerend reductiemiddel op aanvullende basis in het Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF)-proces en 100% in de waterstof-DRI-route.Onder ZERO-H zou het aandeel van BF-BOF worden teruggebracht tot 34% in 2060, met 45% vlamboogovens en 21% waterstof-DRI, en schone waterstof zou 29% van de totale finale energievraag in de sector leveren.Met de verwachte netprijs voor zonne- en windenergiedalen tot US $ 38–40 MWh−1 in 205019, de kosten van groene waterstof
zal ook afnemen en de 100% waterstof-DRI-route kan een belangrijkere rol gaan spelen dan eerder werd onderkend.Wat de cementproductie betreft, bevat het model 47 belangrijke mitigatietechnologieën voor de productieprocessen die zijn ingedeeld in zes categorieën (aanvullende tabellen 2 en 3): energie-efficiëntie, alternatieve brandstoffen, vermindering van de klinker-tot-cementverhouding, CCUS, groene waterstof en blauwe waterstof ( afb. 2b).De resultaten tonen aan dat verbeterde energie-efficiëntietechnologieën slechts 8-10% van de totale CO2-emissies in de cementsector kunnen verminderen, en afvalwarmte-warmtekrachtkoppeling en autogeen-brandstoftechnologieën zullen een beperkt mitigatie-effect hebben (4-8%).Technologieën om de klinker-tot-cementverhouding te verlagen, kunnen een relatief hoge koolstofbeperking opleveren (50-70%), voornamelijk inclusief koolstofarme grondstoffen voor de productie van klinker met behulp van gegranuleerde hoogovenslakken, hoewel critici zich afvragen of het resulterende cement zijn essentiële eigenschappen zal behouden.Maar de huidige resultaten geven aan dat het gebruik van waterstof in combinatie met CCUS de cementsector zou kunnen helpen om in 2060 bijna nul CO2-emissies te bereiken.
In het ZERO-H-scenario spelen 20 op waterstof gebaseerde technologieën (van de 47 mitigatietechnologieën) een rol bij de cementproductie.We vinden dat de gemiddelde CO2-reductiekosten van waterstoftechnologieën lager zijn dan bij typische CCUS- en brandstofomschakelingsbenaderingen (Fig. 2b).Bovendien wordt verwacht dat groene waterstof na 2030 goedkoper zal zijn dan blauwe waterstof, zoals hieronder in detail besproken, voor ongeveer US $ 0,7 - US $ 1,6 kg−1 H2 (ref. 20), wat een aanzienlijke CO2-reductie oplevert in de levering van industriële warmte bij het maken van cement. .Huidige resultaten laten zien dat het 89-95% van de CO2 van het verwarmingsproces in de Chinese industrie kan verminderen (Fig. 2b, technologieën
28-47), wat overeenkomt met de schatting van de Hydrogen Council van 84-92% (ref. 21).De uitstoot van CO2 door het klinkerproces moet worden verminderd door CCUS in zowel ZERO-H als ZERO-NH.We simuleren ook het gebruik van waterstof als grondstof bij de productie van ammoniak, methaan, methanol en andere chemicaliën die in de modelbeschrijving worden genoemd.In het NUL-H-scenario zal de productie van ammoniak op basis van gas met waterstofwarmte in 2060 een aandeel van 20% in de totale productie krijgen (figuur 3 en aanvullende tabel 4).Het model bevat vier soorten methanolproductietechnologieën: steenkool naar methanol (CTM), cokesgas naar methanol (CGTM), aardgas naar methanol (NTM) en CGTM/NTM met waterstofwarmte.In het NUL-H scenario kan CGTM/NTM met waterstofwarmte in 2060 een productieaandeel van 21% halen (Fig. 3).Chemicaliën zijn ook potentiële energiedragers van waterstof.Op basis van onze integrale analyse kan waterstof in 2060 17% uitmaken van het finaal energieverbruik voor warmtevoorziening in de chemische industrie. Naast bio-energie (18%) en elektriciteit (32%) speelt waterstof een grote rol in 
decarbonisatie van de Chinese HTA-chemische industrie (Fig. 4a).
Afb. 2 |Koolstofmitigatiepotentieel en reductiekosten van belangrijke mitigatietechnologieën.a, Zes categorieën van 60 belangrijke emissiebeperkende technologieën voor de staalproductie.b, Zes categorieën van 47 belangrijke technologieën voor het beperken van cementemissies.De technologieën zijn gerangschikt op nummer, met de bijbehorende definities in aanvullende tabel 1 voor a en aanvullende tabel 2 voor b.De Technology Readiness Levels (TRL's) van elke technologie zijn gemarkeerd: TRL3, concept;TRL4, klein prototype;TRL5, groot prototype;TRL6, volledig prototype op schaal;TRL7, precommerciële demonstratie;TRL8, demonstratie;TRL10, vroege acceptatie;TRL11, volwassen.
HTA-transportmodi koolstofarm maken met schone waterstof Op basis van de modelleringsresultaten heeft waterstof ook een groot potentieel om de Chinese transportsector koolstofarm te maken, hoewel het tijd zal kosten.Naast LDV's omvatten andere vervoerswijzen die in het model zijn geanalyseerd vlootbussen, vrachtwagens (licht/klein/middelzwaar/zwaar), binnenlandse scheepvaart en spoorwegen, die het meeste vervoer in China dekken.Voor LDV's lijken elektrische voertuigen in de toekomst kostenconcurrerend te blijven.In ZERO-H zal de penetratie van waterstof-brandstofcellen (HFC) op de LDV-markt in 2060 slechts 5% bedragen (Fig. 3).Voor vlootbussen zullen HFC-bussen in 2045 echter kostenconcurrerender zijn dan elektrische alternatieven en in 2060 61% van de totale vloot uitmaken in het ZERO-H-scenario, en de rest elektrisch (Fig. 3).Wat betreft vrachtwagens variëren de resultaten per laadsnelheid.Tegen 2035 zal meer dan de helft van het totale wagenpark van lichte vrachtwagens elektrisch rijden in ZERO-NH.Maar in ZERO-H zullen lichte HFC-vrachtwagens tegen 2035 concurrerender zijn dan elektrische lichte vrachtwagens en in 2060 53% van de markt uitmaken. Wat betreft zware vrachtwagens, zouden zware HFC-vrachtwagens 66% van de markt in 2060 in het NUL-H-scenario.Diesel/biodiesel/CNG (gecomprimeerd aardgas) HDV's (zware voertuigen) zullen na 2050 van de markt verdwijnen in zowel het ZERO-NH- als het ZERO-H-scenario (Fig. 3).HFC-voertuigen hebben een bijkomend voordeel ten opzichte van elektrische voertuigen door hun betere prestaties in koude omstandigheden, belangrijk in Noord- en West-China.Naast wegtransport toont het model een wijdverspreide toepassing van waterstoftechnologieën in de scheepvaart in het ZERO-H-scenario.De binnenlandse scheepvaart van China is zeer energie-intensief en een bijzonder moeilijke uitdaging om de economie koolstofarm te maken.Schone waterstof, vooral als een
grondstof voor ammoniak, biedt een optie voor decarbonisatie van de scheepvaart.De goedkoopste oplossing in het ZERO-H-scenario resulteert in 65% penetratie van ammoniak-aangedreven schepen en 12% van waterstofaangedreven schepen in 2060 (Fig. 3).In dit scenario zal waterstof in 2060 gemiddeld 56% uitmaken van het eindenergieverbruik van de gehele transportsector. We hebben ook het waterstofgebruik in woningverwarming gemodelleerd (aanvullende opmerking 6), maar de acceptatie ervan is verwaarloosbaar en dit document richt zich op waterstofgebruik in HTA-industrieën en zwaar transport.Kostenbesparingen door koolstofneutraliteit met behulp van schone waterstof China's koolstofneutrale toekomst zal worden gekenmerkt door dominantie van hernieuwbare energie, met een uitfasering van steenkool in het primaire energieverbruik (figuur 4).Niet-fossiele brandstoffen maken 88% uit van de primaire energiemix in 2050 en 93% in 2060 onder ZERO-H. Wind en zon zullen in 2060 de helft van het primaire energieverbruik leveren. Landelijk gemiddeld is het aandeel schone waterstof in de totale eindenergie verbruik (TFEC) zou in 2060 13% kunnen bedragen. Gezien de regionale heterogeniteit van productiecapaciteiten in belangrijke industrieën per regio (aanvullende tabel 7), zijn er tien provincies met waterstofaandelen van TFEC die hoger zijn dan het nationale gemiddelde, waaronder Binnen-Mongolië, Fujian, Shandong en Guangdong, gedreven door rijke zonne- en onshore en offshore windbronnen en/of meerdere industriële vraag naar waterstof.In het NUL-NH-scenario zouden de cumulatieve investeringskosten om tot 2060 koolstofneutraliteit te bereiken 20,63 biljoen dollar bedragen, of 1,58% van het totale bruto binnenlands product (bbp) voor 2020-2060.De gemiddelde extra investering op jaarbasis zou ongeveer 516 miljard dollar per jaar bedragen.Dit resultaat komt overeen met het Chinese mitigatieplan van 15 biljoen dollar tot 2050, een gemiddelde jaarlijkse nieuwe investering van 500 miljard dollar (ref. 22).De introductie van opties voor schone waterstof in het Chinese energiesysteem en industriële grondstoffen in het ZERO-H-scenario resulteert echter in een aanzienlijk lagere cumulatieve investering van 18,91 biljoen dollar tegen 2060 en de jaarlijkseinvesteringen zouden worden teruggebracht tot minder dan 1% van het bbp in 2060 (fig.4).Wat betreft de HTA-sectoren, de jaarlijkse investeringskosten daarinsectoren zou ongeveer 392 miljard dollar per jaar bedragen in de NUL-NHscenario, dat consistent is met de projectie van de EnergyTransition Commission (US $ 400 miljard) (ref. 23).Als het echter schoon is
waterstof wordt opgenomen in het energiesysteem en chemische grondstoffen, geeft het ZERO-H-scenario aan dat de jaarlijkse investeringskosten in HTA-sectoren kunnen worden verlaagd tot 359 miljard dollar, voornamelijk door de afhankelijkheid van dure CCUS of NET's te verminderen.Onze resultaten suggereren dat het gebruik van schone waterstof US $ 1,72 biljoen aan investeringskosten kan besparen en een verlies van 0,13% in het totale bbp (2020-2060) kan voorkomen in vergelijking met een route zonder waterstof tot 2060.
Afb. 3 |Technologiepenetratie in typische HTA-sectoren.Resultaten onder BAU-, NDC-, ZERO-NH- en ZERO-H-scenario's (2020–2060).In elk mijlpaaljaar wordt de specifieke technologiepenetratie in verschillende sectoren weergegeven door de gekleurde balken, waarbij elke staaf een percentage is van de penetratie tot 100% (voor een volledig gearceerd rooster).De technologieën worden verder ingedeeld in verschillende typen (weergegeven in de legenda's).CNG, gecomprimeerd aardgas;LPG, vloeibaar petroleumgas;LNG, vloeibaar aardgas;w/wo, met of zonder;EAF, vlamboogoven;NSP, nieuw droogproces voor ophangingsvoorverwarmer;WHR, warmteterugwinning.
Posttijd: 13 maart 2023
