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

Die breek van die moeilik-om te verminder bottelnek in China se pad na koolstofneutraliteit met skoon waterstof

Lande soos China staar 'n bottelnek in hul paaie na koolstofneutraliteit in die gesig: vermindering van uitstoot in swaar nywerhede en swaardiensvervoer.Daar is min in-diepte studies van die voornemende rol vir skoon waterstof in hierdie 'moeilik-om-te-verminder' (HTA)-sektore.Hier voer ons 'n geïntegreerde dinamiese laagstekoste-modelleringsanalise uit.Resultate toon dat, eerstens, skoon waterstof beide 'n belangrike energiedraer en grondstof kan wees wat koolstofvrystellings van swaar nywerhede aansienlik kan verminder.Dit kan ook tot 50% van China se swaardiens-vragmotor- en busvloot teen 2060 brandstof en aansienlike aandele van verskeping.Tweedens, 'n realistiese skoon waterstof-scenario wat 65,7 Mt produksie in 2060 bereik, kan US$1,72 triljoen se nuwe investering vermy in vergelyking met 'n geen-waterstof-scenario.Hierdie studie verskaf bewyse van die waarde van skoon waterstof in HTA-sektore vir China en lande wat soortgelyke uitdagings in die gesig staar om emissies te verminder om netto-nul doelwitte te bereik.

Om koolstofneutraliteit na te streef is 'n dringende globale missie, maar daar is geen 'een-grootte-pas-almal'-pad vir groot emitterende nasies om hierdie doelwit te bereik1,2 nie.Die meeste ontwikkelde lande, soos die Verenigde State en dié in Europa, volg dekarboniseringstrategieë wat veral gefokus is op groot ligtevoertuie (LDV) vlote, elektriese kragopwekking, vervaardiging en kommersiële en residensiële geboue, vier sektore wat saam verantwoordelik is vir oorgrote meerderheid van hul koolstofvrystellings3,4.Groot ontwikkelende lande-emitteerders, soos China, daarenteen, het baie verskillende ekonomieë en energiestrukture, wat verskillende ontkolingsprioriteite vereis, nie net in sektorale terme nie, maar ook in die strategiese ontplooiing van ontluikende geenkoolstoftegnologieë.

Sleutelonderskeidings van China se koolstofvrystellingsprofiel in vergelyking met dié van Westerse ekonomieë is baie groter emissieaandele vir swaar nywerhede en baie kleiner fraksies vir LDV's en energiegebruik in geboue (Fig. 1).China is verreweg eerste in die wêreld in terme van produksie van sement, yster en staal, chemikalieë en boumateriaal, wat groot hoeveelhede steenkool verbruik vir industriële hitte en produksie van kooks.Swaar nywerhede dra 31% van China se huidige totale emissies by, 'n aandeel wat 8% hoër is as die wêreldgemiddelde (23%), 17% groter as dié van die Verenigde State (14%) en 13% hoër as dié van die Europese Unie. (18%) (verw.5).

China het belowe om sy koolstofvrystellings voor 2030 te bereik en koolstofneutraliteit voor 2060 te bereik. Hierdie klimaatbeloftes het wydverspreide lof verdien, maar het ook vrae laat ontstaan oor hul haalbaarheid6, deels vanweë die groot rol van 'moeilik-om te verminder' (HTA). prosesse in China se ekonomie.Hierdie prosesse sluit veral energiegebruik in swaar nywerhede en swaardiensvervoer in wat moeilik sal wees om te elektrifiseer (en dus direk na hernubare krag oor te skakel) en industriële prosesse wat nou afhanklik is van fossielbrandstowwe vir chemiese grondstowwe. Daar was 'n paar onlangse studies1– 3 ondersoek dekarboniseringspaaie na koolstofneutraliteit vir China se algehele energiestelselbeplanning, maar met beperkte ontledings van HTA-sektore.Internasionaal het potensiële versagtingsoplossings vir HTA-sektore die afgelope jare aandag begin trek7–14.Die ontkarbonisering van HTA-sektore is uitdagend omdat dit moeilik is om ten volle en/of kostedoeltreffend te elektrifiseer7,8.Åhman het beklemtoon dat padafhanklikheid die sleutelprobleem vir HTA-sektore is en dat visie en langtermynbeplanning vir gevorderde tegnologieë nodig is om die HTA-sektore, veral swaar nywerhede, van fossielafhanklikheid te 'ontsluit'9.Studies het nuwe materiale en versagtingsoplossings ondersoek wat verband hou met koolstofopvang, gebruik en/of berging (CCUS) en negatiewe emissietegnologieë (NET's)10,11.van ten minste een studie erken dat dit ook in langtermynbeplanning oorweeg moet word11.In die onlangs vrygestelde Sesde Evalueringsverslag van die Interregeringspaneel oor Klimaatsverandering, is die gebruik van 'lae-emissie'-waterstof erken as een van die sleutelversagtende oplossings vir veelvuldige sektore om 'n netto-nul-vrystellingtoekoms te bereik12.

Die bestaande literatuur oor skoon waterstof is grootliks gefokus op produksietegnologie-opsies met ontledings van aanbodkantkoste15.('Skoon' waterstof in hierdie vraestel sluit beide 'groen' en 'blou' waterstof in, eersgenoemde geproduseer deur waterelektrolise met behulp van hernubare krag, laasgenoemde afkomstig van fossielbrandstowwe, maar ontkoolstof met CCUS.) Bespreking van waterstofvraag is grootliks gefokus op die vervoersektor in ontwikkelde lande—veral waterstofbrandstofselvoertuie16,17.Druk vir ontkarbonisering van swaar nywerhede het agtergebly in vergelyking met dié vir padvervoer, wat die konvensionele aannames weerspieël dat swaar nywerhede
bly besonder moeilik om te verminder totdat nuwe tegnologiese innovasies na vore kom.Studies van skoon (veral groen) waterstof het sy tegnologiese volwassenheid en dalende koste17 getoon, maar verdere studies is nodig wat fokus op die grootte van potensiële markte en tegnologiese vereistes van nywerhede om voornemende groei van die skoon waterstofvoorraad te ontgin16.Begrip van die potensiaal van skoon waterstof om globale koolstofneutraliteit te bevorder sal inherent bevooroordeeld wees as ontledings hoofsaaklik beperk word tot die koste van sy produksie, die verbruik daarvan slegs deur bevoordeelde sektore en die toepassing daarvan in ontwikkelde ekonomieë. Die bestaande literatuur oor skoon waterstof is gefokus. grootliks op produksietegnologie-opsies met ontledings van aanbodkantkoste15.('Skoon' waterstof in hierdie vraestel sluit beide 'groen' en 'blou' waterstof in, eersgenoemde geproduseer deur waterelektrolise met behulp van hernubare krag, laasgenoemde afkomstig van fossielbrandstowwe, maar ontkoolstof met CCUS.) Bespreking van waterstofvraag is grootliks gefokus op die vervoersektor in ontwikkelde lande—veral waterstofbrandstofselvoertuie16,17.Druk vir ontkarbonisering van swaar nywerhede het agterweë gebly in vergelyking met dié vir padvervoer, wat konvensionele aannames weerspieël dat swaar nywerhede besonder moeilik sal bly om te verminder totdat nuwe tegnologiese innovasies na vore kom.Studies van skoon (veral groen) waterstof het sy tegnologiese volwassenheid en dalende koste17 getoon, maar verdere studies is nodig wat fokus op die grootte van potensiële markte en tegnologiese vereistes van nywerhede om voornemende groei van die skoon waterstofvoorraad te ontgin16.Om die potensiaal van skoon waterstof te verstaan om globale koolstofneutraliteit te bevorder, sal inherent bevooroordeeld wees as ontledings hoofsaaklik beperk word tot die koste van sy produksie, die verbruik daarvan slegs deur bevoordeelde sektore en die toepassing daarvan in ontwikkelde ekonomieë.

Die evaluering van geleenthede vir skoon waterstof hang af van die heroorweging van sy voornemende behoeftes as 'n alternatiewe brandstof en chemiese grondstof oor die hele energiestelsel en ekonomie, insluitend inagneming van verskillende nasionale omstandighede.Daar is tot dusver nie so 'n omvattende studie oor die rol van skoon waterstof in China se netto-nul toekoms nie.Deur hierdie navorsingsgaping te vul, sal dit help om 'n duideliker padkaart vir China se CO2-vrystellingsvermindering te teken, evaluering van die haalbaarheid van sy 2030- en 2060-ontkolingsbeloftes moontlik te maak en leiding te gee vir ander groeiende ontwikkelende ekonomieë met groot swaar-industriële sektore.

Fig. 1 |Koolstofvrystellings van sleutellande en analitiese meganisme vir waterstof in die energiestelsel.a, China se koolstofvrystellings in 2019 in vergelyking met die Verenigde State, Europa, Japan en Indië, deur brandstof.In 2019 het steenkoolverbranding die grootste deel van die koolstofvrystellings in China (79,62%) en Indië (70,52%) geneem, en olieverbranding het die meeste bygedra tot die koolstofvrystellings in die Verenigde State (41,98%) en Europa (41,27%).b, China se koolstofvrystellings in 2019 in vergelyking met die Verenigde State, Europa, Japan en Indië, volgens sektor.Emissies word aan die linkerkant en proporsie aan die regterkant in a en b vertoon.Die proporsie koolstofvrystellings van nywerhede in China (28,10%) en Indië (24,75%) was baie hoër as dié van die Verenigde State (9,26%) en Europa (13,91%) in 2019. c, Tegniese pad met waterstoftegnologieë wat toegepas word in die HTA-sektore.SMR, stoom metaan hervorming;PEM elektrolise, polimeer elektroliet membraan elektrolise;PEC proses, foto-elektrochemiese proses.

Hierdie studie poog om drie sleutelnavrae te beantwoord.Eerstens, wat is die sleuteluitdagings vir dekarbonisering van HTA-sektore in ontwikkelende lande soos China, soos onderskei van dié van ontwikkelde lande?Is huidige versagtingstegnologieë in HTA-sektore (veral swaar nywerhede) doeltreffend genoeg om China se koolstofneutraliteit teen 2060 te bereik?Tweedens, wat is die voornemende rolle vir skoon waterstof as beide 'n energiedraer en grondstof in HTA-sektore, veral in China en ander ontwikkelende lande wat pas begin om toegang tot die voornemende produksie en gebruik daarvan te kry?Ten slotte, gebaseer op dinamiese optimalisering van China se hele energiestelsel

tem, sal wydverspreide toepassing van skoon waterstof in HTA-sektore koste-effektief wees in vergelyking met ander opsies?

Hier bou ons 'n model van 'n geïntegreerde energiestelsel wat beide vraag en aanbod oor sektore heen insluit om die voornemende kostedoeltreffendheid en rolle van skoon waterstof in China se hele ekonomie te ontleed, met die klem op die onder-nagevorste HTA-sektore (Fig. 1c).

Pos tyd: Mrt-03-2023