Els resultats de l'anàlisi mostren que la confiança en la millora de l'eficiència energètica combinada només amb CCUS i NETs és poc probable que sigui un camí rendible per a la descarbonització profunda dels sectors d'HTA de la Xina, especialment les indústries pesades.Més concretament, l'aplicació generalitzada d'hidrogen net als sectors d'HTA pot ajudar a la Xina a aconseguir la neutralitat de carboni de manera efectiva en comparació amb un escenari sense producció i ús d'hidrogen net.Els resultats proporcionen una orientació sòlida per a la via de descarbonització de l'HTA de la Xina i una referència valuosa per a altres països que s'enfronten a reptes similars.
Descarbonització dels sectors industrials HTA amb hidrogen net
Realitzem una optimització integrada de menys cost de les vies de mitigació cap a la neutralitat de carboni per a la Xina l'any 2060. A la taula 1 es defineixen quatre escenaris de modelització: business as usual (BAU), contribucions determinades a nivell nacional de la Xina en virtut de l'Acord de París (NDC), net- zero emissions amb aplicacions sense hidrogen (ZERO-NH) i zero emissions netes amb hidrogen net (ZERO-H).Els sectors d'HTA d'aquest estudi inclouen la producció industrial de ciment, ferro i acer i productes químics clau (inclosos l'amoníac, la sosa i la sosa càustica) i el transport pesat, inclosos els camions i l'enviament nacional.Els detalls complets es proporcionen a la secció Mètodes i les notes complementàries 1-5.Pel que fa al sector siderúrgic, la part dominant de la producció existent a la Xina (89,6%) és el procés bàsic d'alt forn d'oxigen, un repte clau per a la descarbonització profunda d'aquest
indústria.El procés del forn d'arc elèctric només va representar el 10,4% de la producció total a la Xina el 2019, que és un 17,5% menys que la quota mitjana mundial i un 59,3% menys que la dels Estats Units18.Hem analitzat 60 tecnologies clau de mitigació d'emissions de fabricació d'acer al model i les hem classificat en sis categories (Fig. 2a): millora de l'eficiència dels materials, rendiment de la tecnologia avançada, electrificació, CCUS, hidrogen verd i hidrogen blau (Taula suplementària 1).La comparació de les optimitzacions de costos del sistema de ZERO-H amb els escenaris NDC i ZERO-NH mostra que la inclusió d'opcions d'hidrogen net produiria una reducció notable de carboni a causa de la introducció de processos de reducció directa d'hidrogen del ferro (hidrogen-DRI).Tingueu en compte que l'hidrogen pot servir no només com a font d'energia en la fabricació d'acer, sinó també com a agent reductor de reducció de carboni de manera suplementària en el procés d'alts forns d'oxigen bàsic (BF-BOF) i 100% en la ruta d'hidrogen-DRI.Sota ZERO-H, la quota de BF-BOF es reduiria al 34% el 2060, amb un 45% de forn d'arc elèctric i un 21% d'hidrogen-DRI, i l'hidrogen net subministraria el 29% de la demanda total d'energia final del sector.Amb el preu de la xarxa de l'energia solar i eòlica previstdisminució a 38-40 MWh-1 de dòlars EUA el 205019, el cost de l'hidrogen verd
també disminuirà, i la ruta 100% hidrogen-DRI pot tenir un paper més important del que es reconeixia anteriorment.Pel que fa a la producció de ciment, el model inclou 47 tecnologies clau de mitigació dels processos de producció classificades en sis categories (Taules complementàries 2 i 3): eficiència energètica, combustibles alternatius, reducció de la relació clinker-ciment, CCUS, hidrogen verd i hidrogen blau ( Fig. 2b).Els resultats mostren que les tecnologies d'eficiència energètica millorades només poden reduir entre un 8 i un 10% de les emissions totals de CO2 al sector del ciment, i les tecnologies de cogeneració de calor residual i d'oxicombustible tindran un efecte de mitigació limitat (4-8%).Les tecnologies per reduir la relació clinker-ciment poden produir una mitigació del carboni relativament alta (50-70%), incloent principalment matèries primeres descarbonitzades per a la producció de clinker mitjançant escòries granulades d'alt forn, encara que els crítics qüestionen si el ciment resultant conservarà les seves qualitats essencials.Però els resultats actuals indiquen que la utilització de l'hidrogen juntament amb el CCUS podria ajudar el sector del ciment a aconseguir gairebé zero emissions de CO2 el 2060.
En l'escenari ZERO-H, 20 tecnologies basades en hidrogen (de les 47 tecnologies de mitigació) entren en joc en la producció de ciment.Trobem que el cost mitjà de reducció de carboni de les tecnologies d'hidrogen és inferior als enfocaments típics de CCUS i canvi de combustible (figura 2b).A més, s'espera que l'hidrogen verd sigui més barat que l'hidrogen blau després del 2030, tal com s'explica amb detall a continuació, al voltant de 0,7-1,6 dòlars EUA kg-1 H2 (ref. 20), cosa que comportarà reduccions significatives de CO2 en el subministrament de calor industrial a la fabricació de ciment. .Els resultats actuals mostren que pot reduir del 89 al 95% del CO2 del procés de calefacció a la indústria xinesa (Fig. 2b, tecnologies).
28–47), que és coherent amb l'estimació del Consell de l'Hidrogen del 84–92% (ref. 21).Les emissions de CO2 del procés de clínquer s'han de reduir mitjançant CCUS tant a ZERO-H com a ZERO-NH.També simulem l'ús de l'hidrogen com a matèria primera en la producció d'amoníac, metà, metanol i altres productes químics enumerats a la descripció del model.En l'escenari ZERO-H, la producció d'amoníac a base de gas amb calor d'hidrogen guanyarà una quota del 20% de la producció total el 2060 (figura 3 i taula suplementària 4).El model inclou quatre tipus de tecnologies de producció de metanol: carbó a metanol (CTM), gas de coc a metanol (CGTM), gas natural a metanol (NTM) i CGTM/NTM amb calor d'hidrogen.En l'escenari ZERO-H, CGTM/NTM amb calor d'hidrogen pot assolir una quota de producció del 21% el 2060 (Fig. 3).Els productes químics també són portadors d'energia potencials d'hidrogen.Sobre la base de la nostra anàlisi integrada, l'hidrogen pot suposar el 17% del consum final d'energia per al subministrament de calor a la indústria química l'any 2060. Juntament amb la bioenergia (18%) i l'electricitat (32%), l'hidrogen té un paper important a jugar. 
descarbonització de la indústria química HTA de la Xina (Fig. 4a).
Fig. 2 |Potencial de mitigació del carboni i costos de reducció de tecnologies clau de mitigació.a, Sis categories de 60 tecnologies clau de mitigació d'emissions de fabricació d'acer.b, Sis categories de 47 tecnologies clau de mitigació d'emissions de ciment.Les tecnologies s'enumeren per nombre, amb les definicions corresponents incloses a la taula suplementària 1 per a i la taula suplementària 2 per a b.Els nivells de preparació tecnològica (TRL) de cada tecnologia estan marcats: TRL3, concepte;TRL4, petit prototip;TRL5, gran prototip;TRL6, prototip complet a escala;TRL7, demostració precomercial;TRL8, demostració;TRL10, adopció anticipada;TRL11, madur.
Descarbonització dels modes de transport HTA amb hidrogen net Sobre la base dels resultats de la modelització, l'hidrogen també té un gran potencial per descarbonitzar el sector del transport de la Xina, tot i que trigarà temps.A més dels LDV, altres modes de transport analitzats en el model inclouen flotes d'autobusos, camions (lleugers/petits/mitjans/pesats), transport marítim nacional i ferrocarrils, que cobreixen la majoria del transport a la Xina.Per als LDV, els vehicles elèctrics volen seguir sent competitius en costos en el futur.A ZERO-H, la penetració de les piles de combustible d'hidrogen (HFC) al mercat de LDV només arribarà al 5% el 2060 (figura 3).Per als autobusos de la flota, però, els autobusos HFC seran més competitius en costos que les alternatives elèctriques el 2045 i representen el 61% de la flota total el 2060 en l'escenari ZERO-H, amb la resta elèctrica (Fig. 3).Pel que fa als camions, els resultats varien segons la velocitat de càrrega.La propulsió elèctrica conduirà més de la meitat de la flota total de camions lleugers el 2035 a ZERO-NH.Però a ZERO-H, els camions lleugers HFC seran més competitius que els camions lleugers elèctrics el 2035 i representen el 53% del mercat el 2060. Pel que fa als camions pesants, els camions pesants HFC arribarien al 66% del mercat. mercat el 2060 en l'escenari ZERO-H.Els HDV (vehicles pesats) dièsel/biodièsel/GNC (gas natural comprimit) sortiran del mercat després del 2050 tant en escenaris ZERO-NH com ZERO-H (figura 3).Els vehicles HFC tenen un avantatge addicional respecte als vehicles elèctrics en el seu millor rendiment en condicions de fred, important al nord i l'oest de la Xina.Més enllà del transport per carretera, el model mostra una adopció generalitzada de tecnologies d'hidrogen en el transport marítim en l'escenari ZERO-H.L'enviament nacional de la Xina consumeix molta energia i és un repte de descarbonització especialment difícil.Hidrogen net, especialment com a
matèria primera per a amoníac, ofereix una opció per a la descarbonització d'enviament.La solució de menor cost en l'escenari ZERO-H dóna com a resultat una penetració del 65% dels vaixells alimentats amb amoníac i el 12% dels vaixells alimentats amb hidrogen el 2060 (Fig. 3).En aquest escenari, l'hidrogen representarà una mitjana del 56% del consum final d'energia de tot el sector del transport l'any 2060. També vam modelar l'ús d'hidrogen en calefacció residencial (Nota complementària 6), però la seva adopció és insignificant i aquest article se centra en ús d'hidrogen en indústries HTA i transport pesat.Estalvi de costos de neutralitat de carboni utilitzant hidrogen net El futur neutre en carboni de la Xina es caracteritzarà pel domini de les energies renovables, amb una eliminació gradual del carbó en el seu consum d'energia primària (figura 4).Els combustibles no fòssils representen el 88% del mix d'energia primària el 2050 i el 93% el 2060 sota ZERO-H. L'eòlica i la solar subministraran la meitat del consum d'energia primària el 2060. De mitjana, a nivell nacional, la quota d'hidrogen net de l'energia final total (TFEC) podria arribar al 13% el 2060. Tenint en compte l'heterogeneïtat regional de les capacitats de producció en indústries clau per regió (taula suplementària 7), hi ha deu províncies amb quotes d'hidrogen de TFEC superiors a la mitjana nacional, incloses Mongòlia Interior, Fujian i Shandong. i Guangdong, impulsat per rics recursos solars i eòlics terrestres i marítims i/o múltiples demandes industrials d'hidrogen.En l'escenari ZERO-NH, el cost d'inversió acumulat per aconseguir la neutralitat de carboni fins al 2060 seria de 20,63 bilions de dòlars, o l'1,58% del producte interior brut (PIB) agregat per al període 2020-2060.La inversió addicional mitjana anual seria d'uns 516.000 milions de dòlars EUA anuals.Aquest resultat és coherent amb el pla de mitigació de 15 bilions de dòlars de la Xina fins al 2050, una inversió mitjana anual nova de 500.000 milions de dòlars (ref. 22).No obstant això, la introducció d'opcions d'hidrogen net al sistema energètic i a les matèries primeres industrials de la Xina en l'escenari ZERO-H es tradueix en una inversió acumulada significativament menor de 18,91 bilions de dòlars EUA el 2060 i l'any 2060.La inversió es reduiria a menys de l'1% del PIB el 2060 (Fig.4).Pel que fa als sectors HTA, el cost anual d'inversió en aquellssectors seria d'uns 392.000 milions de dòlars EUA anuals al ZERO-NHescenari, que és coherent amb la projecció de l'EnergiaComissió de Transició (400.000 milions de dòlars EUA) (ref. 23).Tanmateix, si està net
L'hidrogen s'incorpora al sistema energètic i a les matèries primeres químiques, l'escenari ZERO-H indica que el cost d'inversió anual en els sectors d'HTA es podria reduir a 359.000 milions de dòlars EUA, principalment reduint la dependència dels costosos CCUS o NET.Els nostres resultats suggereixen que l'ús d'hidrogen net pot estalviar 1,72 bilions de dòlars EUA en costos d'inversió i evitar una pèrdua del 0,13% del PIB agregat (2020-2060) en comparació amb una via sense hidrogen fins al 2060.
Fig. 3 |Penetració tecnològica en sectors típics d'HTA.Resultats en els escenaris BAU, NDC, ZERO-NH i ZERO-H (2020–2060).En cada any de fita, la penetració tecnològica específica en diferents sectors es mostra amb les barres de colors, on cada barra és un percentatge de penetració de fins al 100% (per a una gelosia totalment ombrejada).Les tecnologies es classifiquen a més per diferents tipus (que es mostren a les llegendes).GNC, gas natural comprimit;GLP, gas líquid del petroli;GNL, gas natural líquid;w/wo, amb o sense;EAF, forn d'arc elèctric;NSP, nou procés sec del preescalfador de suspensió;WHR, recuperació de calor residual.
Hora de publicació: 13-mar-2023
