تظهر نتائج التحليل أن الاعتماد على تحسين كفاءة الطاقة جنبًا إلى جنب مع CCUS و NETs وحدها من غير المرجح أن يكون مسارًا فعالًا من حيث التكلفة لإزالة الكربون من قطاعات HTA في الصين ، وخاصة الصناعات الثقيلة.وبشكل أكثر تحديدًا ، يمكن للتطبيق الواسع النطاق للهيدروجين النظيف في قطاعات HTA أن يساعد الصين على تحقيق حياد الكربون بشكل فعال من حيث التكلفة مقارنة بالسيناريو بدون إنتاج واستخدام الهيدروجين النظيف.توفر النتائج إرشادات قوية لمسار إزالة الكربون من HTA في الصين ومرجعًا قيمًا للبلدان الأخرى التي تواجه تحديات مماثلة.
إزالة الكربون من القطاعات الصناعية HTA باستخدام الهيدروجين النظيف
ننفذ تحسينًا متكاملًا بأقل تكلفة لمسارات التخفيف إلى حياد الكربون للصين في عام 2060. تم تحديد أربعة سيناريوهات للنمذجة في الجدول 1: العمل كالمعتاد (BAU) ، مساهمات الصين المحددة وطنياً بموجب اتفاقية باريس (NDC) ، صافي- انبعاثات صفرية مع تطبيقات لا تحتوي على الهيدروجين (ZERO-NH) وانبعاثات خالصة من الهيدروجين النظيف (ZERO-H).تشمل قطاعات HTA في هذه الدراسة الإنتاج الصناعي للأسمنت والحديد والصلب والمواد الكيميائية الرئيسية (بما في ذلك الأمونيا والصودا والصودا الكاوية) والنقل الثقيل ، بما في ذلك النقل بالشاحنات والشحن المحلي.يتم توفير التفاصيل الكاملة في قسم الأساليب والملاحظات التكميلية 1-5.فيما يتعلق بقطاع الحديد والصلب ، فإن الحصة المهيمنة من الإنتاج الحالي في الصين (89.6 ٪) هي من خلال عملية فرن الأكسجين الأساسي ، وهو تحد رئيسي لإزالة الكربون العميق من هذا.
صناعة.شكلت عملية فرن القوس الكهربائي 10.4٪ فقط من إجمالي الإنتاج في الصين في عام 2019 ، وهو أقل بنسبة 17.5٪ من متوسط الحصة العالمية و 59.3٪ أقل من الولايات المتحدة 18.قمنا بتحليل 60 تقنية رئيسية لتخفيف انبعاثات صناعة الصلب في النموذج وصنفناها إلى ست فئات (الشكل 2 أ): تحسين كفاءة المواد ، وأداء التكنولوجيا المتقدمة ، والكهرباء ، و CCUS ، والهيدروجين الأخضر ، والهيدروجين الأزرق (الجدول التكميلي 1).تُظهر مقارنة تحسينات تكلفة النظام لـ ZERO-H مع سيناريوهات NDC و ZERO-NH أن إدراج خيارات الهيدروجين النظيف من شأنه أن يؤدي إلى تقليل الكربون بشكل ملحوظ بسبب إدخال عمليات الاختزال المباشر للهيدروجين في الحديد (الهيدروجين- DRI).لاحظ أن الهيدروجين يمكن أن يعمل ليس فقط كمصدر للطاقة في صناعة الصلب ولكن أيضًا كعامل اختزال للكربون على أساس تكميلي في عملية فرن الأوكسجين الأساسي (BF-BOF) و 100٪ في مسار الهيدروجين- DRI.في ظل الصفر- H ، ستنخفض حصة BF-BOF إلى 34٪ في عام 2060 ، مع 45٪ من فرن القوس الكهربائي و 21٪ Hydrogen-DRI ، وسيوفر الهيدروجين النظيف 29٪ من إجمالي الطلب النهائي على الطاقة في هذا القطاع.مع توقع سعر الشبكة للطاقة الشمسية وطاقة الرياحانخفاض إلى 38-40 ميجاوات في الساعة − 1 في 205019 ، تكلفة الهيدروجين الأخضر
سينخفض أيضًا ، وقد يلعب مسار الهيدروجين-الاختزال المباشر بنسبة 100٪ دورًا أكثر أهمية مما كان معترفًا به سابقًا.فيما يتعلق بإنتاج الأسمنت ، يشتمل النموذج على 47 تقنية رئيسية للتخفيف عبر عمليات الإنتاج المصنفة في ست فئات (الجدولان التكميليان 2 و 3): كفاءة الطاقة ، والوقود البديل ، وتقليل نسبة الكلنكر إلى الأسمنت ، و CCUS ، والهيدروجين الأخضر ، والهيدروجين الأزرق ( الشكل 2 ب).تظهر النتائج أن تقنيات كفاءة الطاقة المحسّنة يمكن أن تقلل فقط 8-10٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الأسمنت ، وأن تقنيات التوليد المشترك للحرارة المُهدرة والوقود الأكسجينى سيكون لها تأثير تخفيف محدود (4-8٪).يمكن لتقنيات تقليل نسبة الكلنكر إلى الأسمنت أن تسفر عن تخفيف عالٍ للكربون نسبيًا (50-70٪) ، بما في ذلك بشكل أساسي المواد الخام منزوعة الكربون لإنتاج الكلنكر باستخدام خبث الأفران العالية ، على الرغم من أن النقاد يتساءلون عما إذا كان الأسمنت الناتج سيحتفظ بصفاته الأساسية.لكن النتائج الحالية تشير إلى أن استخدام الهيدروجين مع CCUS يمكن أن يساعد قطاع الأسمنت على تحقيق ما يقرب من الصفر من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في عام 2060.
في سيناريو ZERO-H ، يتم تشغيل 20 تقنية قائمة على الهيدروجين (من أصل 47 تقنية تخفيف) في إنتاج الأسمنت.وجدنا أن متوسط تكلفة خفض الكربون لتقنيات الهيدروجين أقل من النهج النموذجية لتكثيف وتخزين الكربون وتغيير الوقود (الشكل 2 ب).علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يكون الهيدروجين الأخضر أرخص من الهيدروجين الأزرق بعد عام 2030 كما تمت مناقشته بالتفصيل أدناه ، عند حوالي 0.7 دولار أمريكي - 1.6 دولار أمريكي لكل 1 H2 (المرجع 20) ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في ثاني أكسيد الكربون في توفير الحرارة الصناعية في صناعة الأسمنت .تظهر النتائج الحالية أنه يمكن أن يقلل من 89-95٪ من ثاني أكسيد الكربون الناتج عن عملية التسخين في الصناعة الصينية (الشكل 2 ب ، التقنيات
28-47) ، وهو ما يتوافق مع تقدير مجلس الهيدروجين بنسبة 84-92٪ (المرجع 21).يجب الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن عمليات الكلنكر بواسطة CCUS في كل من ZERO-H و ZERO-NH.نقوم أيضًا بمحاكاة استخدام الهيدروجين كمادة وسيطة في إنتاج الأمونيا والميثان والميثانول والمواد الكيميائية الأخرى المدرجة في وصف النموذج.في سيناريو ZERO-H ، سيكتسب إنتاج الأمونيا القائم على الغاز باستخدام حرارة الهيدروجين حصة 20٪ من إجمالي الإنتاج في عام 2060 (الشكل 3 والجدول التكميلي 4).يشتمل النموذج على أربعة أنواع من تقنيات إنتاج الميثانول: الفحم إلى الميثانول (CTM) ، غاز الكوك إلى الميثانول (CGTM) ، الغاز الطبيعي إلى الميثانول (NTM) و CGTM / NTM باستخدام حرارة الهيدروجين.في سيناريو ZERO-H ، يمكن أن تحقق CGTM / NTM مع حرارة الهيدروجين حصة إنتاج تبلغ 21٪ في عام 2060 (الشكل 3).المواد الكيميائية هي أيضًا ناقلات طاقة محتملة للهيدروجين.على أساس تحليلنا المتكامل ، يمكن أن يشكل الهيدروجين 17٪ من استهلاك الطاقة النهائي لتوفير الحرارة في الصناعة الكيميائية بحلول عام 2060. إلى جانب الطاقة الحيوية (18٪) والكهرباء (32٪) ، يلعب الهيدروجين دورًا رئيسيًا في 
إزالة الكربون من الصناعة الكيميائية HTA في الصين (الشكل 4 أ).
الشكل 2 |إمكانية تخفيف الكربون وتكاليف التخفيف لتقنيات التخفيف الرئيسية.أ ، ست فئات من 60 تقنية رئيسية لتخفيف انبعاثات صناعة الصلب.ب ، ست فئات من 47 تقنية رئيسية لتخفيف انبعاثات الأسمنت.يتم سرد التقنيات حسب الرقم ، مع التعريفات المقابلة المدرجة في الجدول التكميلي 1 للجدول التكميلي 2 لـ b.يتم وضع علامة على مستويات الاستعداد التكنولوجي (TRLs) لكل تقنية: TRL3 ، المفهوم ؛TRL4 ، نموذج أولي صغير ؛TRL5 ، نموذج أولي كبير ؛TRL6 ، نموذج أولي كامل على نطاق واسع ؛TRL7 ، مظاهرة ما قبل التجاري ؛TRL8 ، مظاهرة ؛TRL10 ، اعتماد مبكر ؛TRL11 ، ناضجة.
إزالة الكربون من وسائط النقل HTA باستخدام الهيدروجين النظيف على أساس نتائج النمذجة ، يمتلك الهيدروجين أيضًا إمكانات كبيرة لإزالة الكربون من قطاع النقل في الصين ، على الرغم من أن الأمر سيستغرق وقتًا.بالإضافة إلى LDVs ، تشمل وسائط النقل الأخرى التي تم تحليلها في النموذج حافلات الأسطول والشاحنات (الخفيفة / الصغيرة / المتوسطة / الثقيلة) والشحن المحلي والسكك الحديدية ، والتي تغطي معظم وسائل النقل في الصين.بالنسبة لمركبات LDV ، تتطلع السيارات الكهربائية إلى أن تظل تنافسية من حيث التكلفة في المستقبل.في ZERO-H ، سيصل اختراق خلايا وقود الهيدروجين (HFC) لسوق LDV إلى 5 ٪ فقط في عام 2060 (الشكل 3).ومع ذلك ، بالنسبة لحافلات الأسطول ، ستكون حافلات HFC أكثر تنافسية من حيث التكلفة من البدائل الكهربائية في عام 2045 وستشكل 61٪ من إجمالي الأسطول في عام 2060 في سيناريو ZERO-H ، والباقي كهربائي (الشكل 3).بالنسبة للشاحنات ، تختلف النتائج حسب معدل التحميل.سيقود الدفع الكهربائي أكثر من نصف إجمالي أسطول الشاحنات الخفيفة بحلول عام 2035 في منطقة الصفر-NH.ولكن في زيرو-إتش ، ستكون الشاحنات الخفيفة العاملة بمركبات الكربون الهيدروفلورية أكثر قدرة على المنافسة من الشاحنات الكهربائية الخفيفة بحلول عام 2035 وستشكل 53٪ من السوق بحلول عام 2060. وفيما يتعلق بالشاحنات الثقيلة ، فإن الشاحنات الثقيلة التي تعمل بمركبات الكربون الهيدروفلورية ستصل إلى 66٪ من السوق في عام 2060 في سيناريو ZERO-H.الديزل / الديزل الحيوي / CNG (الغاز الطبيعي المضغوط) HDVs (المركبات الثقيلة) ستخرج من السوق بعد عام 2050 في كل من سيناريوهات ZERO-NH و ZERO-H (الشكل 3).تتمتع مركبات HFC بميزة إضافية على المركبات الكهربائية في أدائها الأفضل في الظروف الباردة ، وهو أمر مهم في شمال وغرب الصين.إلى جانب النقل البري ، يُظهر النموذج اعتمادًا واسع النطاق لتقنيات الهيدروجين في الشحن في سيناريو الصفر- H.الشحن المحلي في الصين كثيف للغاية للطاقة ويشكل تحديًا صعبًا للغاية في مجال إزالة الكربون.قم بتنظيف الهيدروجين ، خاصةً كمادة
كمواد أولية للأمونيا ، يوفر خيارًا لشحن إزالة الكربون.ينتج عن الحل الأقل تكلفة في سيناريو ZERO-H تغلغل بنسبة 65٪ في السفن التي تعمل بوقود الأمونيا و 12٪ من السفن التي تعمل بوقود الهيدروجين في عام 2060 (الشكل 3).في هذا السيناريو ، يمثل الهيدروجين في المتوسط 56٪ من الاستهلاك النهائي للطاقة لقطاع النقل بأكمله في عام 2060. كما قمنا بنمذجة استخدام الهيدروجين في التدفئة السكنية (الملاحظة التكميلية 6) ، ولكن اعتماده لا يكاد يذكر وتركز هذه الورقة على استخدام الهيدروجين في صناعات HTA والنقل الثقيل.التوفير في تكلفة تحييد الكربون باستخدام الهيدروجين النظيف سيتسم مستقبل الصين الخالي من الكربون بهيمنة الطاقة المتجددة ، مع التخلص التدريجي من الفحم في استهلاكها الأساسي للطاقة (الشكل 4).يشكّل الوقود غير الأحفوري 88٪ من مزيج الطاقة الأولية في عام 2050 و 93٪ في عام 2060 في إطار صفر-ساعة ، وستوفر الرياح والطاقة الشمسية نصف استهلاك الطاقة الأولية في عام 2060. في المتوسط ، على المستوى الوطني ، حصة الهيدروجين النظيف من إجمالي الطاقة النهائية يمكن أن يصل الاستهلاك (TFEC) إلى 13٪ في عام 2060. وبالنظر إلى عدم التجانس الإقليمي لقدرات الإنتاج في الصناعات الرئيسية حسب المنطقة (الجدول التكميلي 7) ، هناك عشر مقاطعات بها حصص الهيدروجين من TFEC أعلى من المتوسط الوطني ، بما في ذلك منغوليا الداخلية وفوجيان وشاندونغ وقوانغدونغ ، مدفوعة بالطاقة الشمسية الغنية وموارد الرياح البرية والبحرية و / أو الطلبات الصناعية المتعددة للهيدروجين.في سيناريو الصفر-NH ، ستكون تكلفة الاستثمار التراكمية لتحقيق حياد الكربون حتى عام 2060 20.63 تريليون دولار ، أو 1.58٪ من إجمالي الناتج المحلي الإجمالي للفترة 2020-2060.وسيصل متوسط الاستثمار الإضافي على أساس سنوي إلى حوالي 516 مليار دولار أمريكي سنويًا.تتوافق هذه النتيجة مع خطة التخفيف الصينية البالغة 15 تريليون دولار أمريكي حتى عام 2050 ، بمتوسط استثمار سنوي جديد يبلغ 500 مليار دولار أمريكي (المرجع 22).ومع ذلك ، فإن إدخال خيارات الهيدروجين النظيف في نظام الطاقة الصيني والمواد الأولية الصناعية في سيناريو ZERO-H يؤدي إلى انخفاض كبير في الاستثمار التراكمي البالغ 18.91 تريليون دولار أمريكي بحلول عام 2060 وعلى المستوى السنوي.سينخفض الاستثمار إلى أقل من 1٪ من الناتج المحلي الإجمالي في عام 2060 (الشكل.4).فيما يتعلق بقطاعات HTA ، تكلفة الاستثمار السنوية فيهاسيكون حوالي 392 مليار دولار أمريكي سنويًا في منطقة الصفر في NHالسيناريو الذي يتوافق مع إسقاط الطاقةاللجنة الانتقالية (400 مليار دولار أمريكي) (المرجع 23).ومع ذلك ، إذا كانت نظيفة
تم دمج الهيدروجين في نظام الطاقة والمواد الأولية الكيميائية ، يشير سيناريو ZERO-H إلى أن تكلفة الاستثمار السنوية في قطاعات HTA يمكن تخفيضها إلى 359 مليار دولار أمريكي ، وذلك أساسًا عن طريق تقليل الاعتماد على CCUS أو NETs المكلفة.تشير نتائجنا إلى أن استخدام الهيدروجين النظيف يمكن أن يوفر 1.72 تريليون دولار أمريكي من تكلفة الاستثمار وتجنب خسارة 0.13٪ في إجمالي الناتج المحلي الإجمالي (2020-2060) مقارنة بمسار بدون هيدروجين حتى عام 2060.
الشكل 3 |اختراق التكنولوجيا في قطاعات HTA النموذجية.النتائج في إطار سيناريوهات BAU و NDC و ZERO-NH و ZERO-H (2020-2060).في كل سنة بارزة ، يظهر تغلغل التكنولوجيا المحددة في القطاعات المختلفة من خلال الأشرطة الملونة ، حيث يمثل كل شريط نسبة اختراق تصل إلى 100٪ (لشبكة مظللة بالكامل).يتم تصنيف التقنيات أيضًا حسب أنواع مختلفة (كما هو موضح في الأساطير).CNG ، غاز طبيعي مضغوط ؛غاز البترول المسال ، غاز البترول المسال ؛الغاز الطبيعي المسال والغاز الطبيعي السائل ؛ث / وو ، مع أو بدون ؛فرن القوس الكهربائي ، فرن القوس الكهربائي ؛NSP ، عملية تجفيف التسخين المسبق للتعليق الجديد ؛WHR ، استرداد الحرارة المهدرة.
الوقت ما بعد: مارس -13-2023
