نتایج تجزیه و تحلیل نشان می دهد که اتکا به بهبود بهره وری انرژی همراه با CCUS و NET ها به تنهایی بعید است مسیر مقرون به صرفه ای برای کربن زدایی عمیق بخش های HTA چین، به ویژه صنایع سنگین باشد.به طور خاص، کاربرد گسترده هیدروژن پاک در بخش‌های HTA می‌تواند به چین کمک کند تا در مقایسه با سناریویی بدون تولید و استفاده از هیدروژن تمیز، به طور موثری به بی‌طرفی کربن دست یابد.نتایج راهنمایی قوی برای مسیر کربن زدایی HTA چین و مرجع ارزشمندی برای سایر کشورهایی که با چالش های مشابه روبرو هستند ارائه می دهد.
کربن زدایی بخش های صنعتی HTA با هیدروژن تمیز
ما در سال 2060 یک بهینه‌سازی یکپارچه کم‌هزینه مسیرهای کاهش به سمت بی‌طرفی کربن را برای چین انجام می‌دهیم. چهار سناریو مدل‌سازی در جدول 1 تعریف شده است: کسب‌وکار طبق معمول (BAU)، مشارکت‌های ملی تعیین‌شده چین تحت توافقنامه پاریس (NDC)، شبکه انتشار صفر با کاربردهای بدون هیدروژن (ZERO-NH) و انتشار خالص صفر با هیدروژن تمیز (ZERO-H).بخش های HTA در این مطالعه شامل تولید صنعتی سیمان، آهن و فولاد و مواد شیمیایی کلیدی (شامل آمونیاک، سودا و سود سوزآور) و حمل و نقل سنگین، از جمله حمل و نقل و حمل و نقل داخلی است.جزئیات کامل در بخش روش ها و یادداشت های تکمیلی 1-5 ارائه شده است.با توجه به بخش آهن و فولاد، سهم غالب تولید موجود در چین (6/89%) توسط فرآیند پایه اکسیژن-کوره بلند است که یک چالش کلیدی برای کربن زدایی عمیق این است.
صنعت.فرآیند کوره قوس الکتریکی تنها 10.4 درصد از کل تولید در چین در سال 2019 را شامل می شود که 17.5 درصد کمتر از سهم متوسط جهانی و 59.3 درصد کمتر از سهم ایالات متحده است.ما 60 فن‌آوری کلیدی کاهش انتشار آلاینده‌های فولادسازی را در مدل تجزیه و تحلیل کردیم و آنها را به شش دسته طبقه‌بندی کردیم (شکل 2a): بهبود کارایی مواد، عملکرد فناوری پیشرفته، برق‌رسانی، CCUS، هیدروژن سبز و هیدروژن آبی (جدول تکمیلی 1).مقایسه بهینه‌سازی‌های هزینه سیستم ZERO-H با سناریوهای NDC و ZERO-NH نشان می‌دهد که گنجاندن گزینه‌های هیدروژن تمیز به دلیل معرفی فرآیندهای کاهش مستقیم هیدروژن آهن (هیدروژن-DRI) کاهش قابل‌توجه کربن را به همراه خواهد داشت.توجه داشته باشید که هیدروژن می تواند نه تنها به عنوان یک منبع انرژی در فولادسازی بلکه به عنوان یک عامل کاهش دهنده کربن به صورت مکمل در فرآیند کوره بلند اکسیژن پایه (BF-BOF) و 100٪ در مسیر هیدروژن-DRI عمل کند.تحت ZERO-H، سهم BF-BOF در سال 2060 به 34 درصد کاهش می یابد، با 45 درصد کوره قوس الکتریکی و 21 درصد هیدروژن-DRI، و هیدروژن پاک 29 درصد از کل تقاضای انرژی نهایی در این بخش را تامین می کند.با قیمت شبکه برای انرژی خورشیدی و بادی انتظار می رودکاهش به 38 تا 40 مگاوات ساعت آمریکا در سال 205019، هزینه هیدروژن سبز
همچنین کاهش خواهد یافت و مسیر 100% هیدروژن-DRI ممکن است نقش مهم تری نسبت به آنچه قبلاً شناخته شده بود بازی کند.با توجه به تولید سیمان، مدل شامل 47 فناوری کاهش دهنده کلیدی در سراسر فرآیندهای تولید است که در شش دسته طبقه بندی شده اند (جدول تکمیلی 2 و 3): بهره وری انرژی، سوخت های جایگزین، کاهش نسبت کلینکر به سیمان، CCUS، هیدروژن سبز و هیدروژن آبی ( شکل 2b).نتایج نشان می‌دهد که فن‌آوری‌های بهره‌وری انرژی بهبود یافته می‌توانند تنها 8 تا 10 درصد از کل انتشار CO2 در بخش سیمان را کاهش دهند، و فناوری‌های تولید همزمان گرمای زباله و فناوری‌های سوخت اکسیژن اثر کاهشی محدودی خواهند داشت (4 تا 8 درصد).فن‌آوری‌های کاهش نسبت کلینکر به سیمان می‌توانند کاهش کربن نسبتاً بالایی (۵۰ تا ۷۰ درصد) به همراه داشته باشند، که عمدتاً شامل مواد خام کربن‌زدایی شده برای تولید کلینکر با استفاده از سرباره کوره بلند دانه‌بندی شده است، اگرچه منتقدان این سوال را مطرح می‌کنند که آیا سیمان حاصل کیفیت‌های اساسی خود را حفظ می‌کند یا خیر.اما نتایج کنونی نشان می‌دهد که استفاده از هیدروژن همراه با CCUS می‌تواند به بخش سیمان کمک کند تا انتشار CO2 نزدیک به صفر را در سال 2060 به دست آورد.
در سناریوی ZERO-H، 20 فناوری مبتنی بر هیدروژن (از 47 فناوری کاهش) در تولید سیمان وارد عمل می شوند.ما متوجه شدیم که میانگین هزینه کاهش کربن فن‌آوری‌های هیدروژن کمتر از CCUS معمولی و روش‌های تعویض سوخت است (شکل 2b).علاوه بر این، انتظار می‌رود که هیدروژن سبز پس از سال 2030 ارزان‌تر از هیدروژن آبی باشد، همانطور که در زیر به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است، در حدود 0.7-1.6 دلار آمریکا در کیلوگرم-1 H2 (مرجع 20)، که باعث کاهش قابل توجه CO2 در تامین گرمای صنعتی در سیمان‌سازی می‌شود. .نتایج کنونی نشان می‌دهد که می‌تواند 89 تا 95 درصد از CO2 حاصل از فرآیند گرمایش در صنعت چین را کاهش دهد (شکل 2b، فناوری‌ها).
28-47)، که با برآورد شورای هیدروژن از 84-92٪ (مراجعه 21) سازگار است.انتشار CO2 فرآیند کلینکر باید توسط CCUS در هر دو حالت ZERO-H و ZERO-NH کاهش یابد.ما همچنین استفاده از هیدروژن را به عنوان ماده اولیه در تولید آمونیاک، متان، متانول و سایر مواد شیمیایی ذکر شده در توضیحات مدل شبیه‌سازی می‌کنیم.در سناریوی ZERO-H، تولید آمونیاک مبتنی بر گاز با گرمای هیدروژن، سهم 20 درصدی از کل تولید را در سال 2060 به دست خواهد آورد (شکل 3 و جدول تکمیلی 4).این مدل شامل چهار نوع فناوری تولید متانول است: زغال سنگ به متانول (CTM)، گاز کک به متانول (CGTM)، گاز طبیعی به متانول (NTM) و CGTM/NTM با حرارت هیدروژن.در سناریوی ZERO-H، CGTM/NTM با گرمای هیدروژن می تواند به 21 درصد سهم تولید در سال 2060 دست یابد (شکل 3).مواد شیمیایی نیز حامل انرژی بالقوه هیدروژن هستند.بر اساس تجزیه و تحلیل یکپارچه ما، هیدروژن می تواند تا سال 2060 17٪ از انرژی مصرفی نهایی برای تامین گرما در صنایع شیمیایی را شامل شود. در کنار انرژی زیستی (18٪) و الکتریسیته (32٪)، هیدروژن نقش اصلی را در 
کربن زدایی از صنعت شیمیایی HTA چین (شکل 4a).
شکل 2 |پتانسیل کاهش کربن و هزینه های کاهش فناوری های کاهش دهنده کلیدیالف، شش دسته از 60 فناوری کلیدی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای فولادسازی.ب، شش دسته از 47 فن‌آوری کلیدی کاهش انتشار سیمان.فن‌آوری‌ها بر اساس تعداد فهرست شده‌اند، با تعاریف مربوطه در جدول تکمیلی 1 برای a و جدول تکمیلی 2 برای b.سطوح آمادگی فناوری (TRL) هر فناوری مشخص شده است: TRL3, concept;TRL4، نمونه اولیه کوچک؛TRL5، نمونه اولیه بزرگ؛TRL6، نمونه اولیه کامل در مقیاس.TRL7، تظاهرات قبل از تجاری؛TRL8، نمایش؛TRL10، پذیرش زودهنگام؛TRL11، بالغ.
کربن زدایی حالت های حمل و نقل HTA با هیدروژن پاک بر اساس نتایج مدل سازی، هیدروژن همچنین دارای پتانسیل زیادی برای کربن زدایی بخش حمل و نقل چین است، اگرچه زمان می برد.علاوه بر LDVها، سایر حالت‌های حمل‌ونقل تحلیل‌شده در این مدل شامل اتوبوس‌های ناوگان، کامیون‌ها (سبک/کوچک/متوسط/سنگین)، کشتی‌رانی داخلی و راه‌آهن هستند که بیشتر حمل‌ونقل در چین را پوشش می‌دهند.برای خودروهای LDV، خودروهای برقی به نظر می رسد در آینده رقابتی با قیمت تمام شده باقی بمانند.در ZERO-H، نفوذ پیل سوختی هیدروژنی (HFC) به بازار LDV در سال 2060 تنها به 5 درصد خواهد رسید (شکل 3).با این حال، برای اتوبوس‌های ناوگان، اتوبوس‌های HFC نسبت به جایگزین‌های الکتریکی در سال 2045 مقرون به صرفه‌تر خواهند بود و 61 درصد از کل ناوگان را در سال 2060 در سناریوی ZERO-H تشکیل می‌دهند، با بقیه برقی (شکل 3).در مورد کامیون ها، نتایج بر اساس میزان بار متفاوت است.پیشرانه الکتریکی بیش از نیمی از کل ناوگان کامیون های سبک را تا سال 2035 در ZERO-NH هدایت خواهد کرد.اما در ZERO-H، کامیون های سبک HFC تا سال 2035 رقابتی تر از کامیون های سبک الکتریکی خواهند بود و تا سال 2060 53 درصد از بازار را به خود اختصاص خواهند داد. بازار در سال 2060 در سناریوی ZERO-H.دیزل/بیو دیزل/CNG (گاز طبیعی فشرده) HDV (وسایل نقلیه سنگین) پس از سال 2050 در هر دو سناریو ZERO-NH و ZERO-H از بازار خارج خواهند شد (شکل 3).خودروهای HFC نسبت به خودروهای الکتریکی در عملکرد بهتر در شرایط سرد مزیت بیشتری دارند که در شمال و غرب چین مهم است.فراتر از حمل و نقل جاده ای، این مدل پذیرش گسترده فناوری های هیدروژن در حمل و نقل را در سناریوی ZERO-H نشان می دهد.حمل و نقل داخلی چین بسیار انرژی بر است و به ویژه یک چالش کربن زدایی دشوار است.هیدروژن تمیز، به ویژه به عنوان یک
مواد اولیه برای آمونیاک، گزینه ای برای کربن زدایی حمل و نقل فراهم می کند.راه حل کم‌هزینه در سناریوی ZERO-H منجر به نفوذ 65 درصدی کشتی‌های دارای سوخت آمونیاک و 12 درصدی کشتی‌های دارای سوخت هیدروژنی در سال 2060 می‌شود (شکل 3).در این سناریو، هیدروژن به طور متوسط 56 درصد از مصرف انرژی نهایی کل بخش حمل و نقل در سال 2060 را تشکیل خواهد داد. استفاده از هیدروژن در صنایع HTA و حمل و نقل سنگینصرفه جویی در هزینه خنثی بودن کربن با استفاده از هیدروژن پاک آینده غیر کربنی چین با تسلط بر انرژی های تجدید پذیر، با حذف تدریجی زغال سنگ در مصرف انرژی اولیه آن مشخص خواهد شد (شکل 4).سوخت‌های غیرفسیلی 88 درصد از ترکیب انرژی اولیه در سال 2050 و 93 درصد در سال 2060 تحت ZERO-H را تشکیل می‌دهند. باد و خورشید نیمی از مصرف انرژی اولیه را در سال 2060 تامین خواهند کرد. به طور متوسط، در سطح ملی، سهم هیدروژن پاک از کل انرژی نهایی مصرف (TFEC) می تواند در سال 2060 به 13 درصد برسد. با توجه به ناهمگونی منطقه ای ظرفیت های تولید در صنایع کلیدی به تفکیک منطقه (جدول تکمیلی 7)، ده استان با سهم هیدروژن TFEC بالاتر از میانگین ملی هستند، از جمله مغولستان داخلی، فوجیان، شاندونگ. و گوانگدونگ، که توسط منابع بادی غنی خورشیدی، خشکی و دریایی و/یا نیازهای صنعتی متعدد برای هیدروژن هدایت می‌شوند.در سناریوی ZERO-NH، هزینه سرمایه گذاری تجمعی برای دستیابی به بی طرفی کربن تا سال 2060، 20.63 تریلیون دلار یا 1.58٪ از کل تولید ناخالص داخلی (GDP) برای سال های 2020-2060 خواهد بود.متوسط سرمایه گذاری اضافی سالانه حدود 516 میلیارد دلار در سال خواهد بود.این نتیجه با برنامه کاهش 15 تریلیون دلاری چین تا سال 2050 مطابقت دارد که میانگین سرمایه گذاری جدید سالانه 500 میلیارد دلار آمریکا است (مرجع 22).با این حال، معرفی گزینه های هیدروژن پاک به سیستم انرژی و مواد اولیه صنعتی چین در سناریوی ZERO-H منجر به سرمایه گذاری تجمعی قابل توجهی کمتر از 18.91 تریلیون دلار آمریکا تا سال 2060 و سالانه می شود.سرمایه گذاری در سال 2060 به کمتر از 1 درصد تولید ناخالص داخلی کاهش می یابد (شکل 1).4).با توجه به بخش های HTA، هزینه سرمایه گذاری سالانه در آن هااین بخش در ZERO-NH حدود 392 میلیارد دلار در سال خواهد بودسناریویی که با پیش بینی انرژی مطابقت داردکمیسیون انتقال (400 میلیارد دلار) (مراجعه 23).با این حال، اگر تمیز باشد
هیدروژن در سیستم انرژی و مواد اولیه شیمیایی گنجانده شده است، سناریوی ZERO-H نشان می دهد که هزینه سرمایه گذاری سالانه در بخش های HTA می تواند به 359 میلیارد دلار کاهش یابد، عمدتاً با کاهش اتکا به CCUS یا NET های پرهزینه.نتایج ما نشان می‌دهد که استفاده از هیدروژن پاک می‌تواند 1.72 تریلیون دلار در هزینه سرمایه‌گذاری صرفه‌جویی کند و از 0.13 درصد کاهش در تولید ناخالص داخلی کل (2020-2060) در مقایسه با مسیر بدون هیدروژن تا سال 2060 جلوگیری کند.
شکل 3 |نفوذ فناوری در بخش های معمولی HTAنتایج تحت سناریوهای BAU، NDC، ZERO-NH و ZERO-H (2020-2060).در هر سال نقطه عطف، نفوذ فناوری خاص در بخش‌های مختلف با میله‌های رنگی نشان داده می‌شود، که در آن هر نوار درصدی از نفوذ تا 100٪ (برای یک شبکه کاملاً سایه‌دار) است.فن آوری ها بیشتر بر اساس انواع مختلف طبقه بندی می شوند (در افسانه ها نشان داده شده است).CNG، گاز طبیعی فشرده؛LPG، گاز نفت مایع؛LNG، گاز طبیعی مایع؛w/wo، با یا بدون.EAF، کوره قوس الکتریکی؛NSP، فرآیند خشک پیش گرمکن تعلیق جدید؛WHR، بازیابی حرارت هدر رفته.
زمان ارسال: مارس-13-2023
