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

Memecahkan kesesakan yang sukar dikurangkan dalam laluan China menuju neutraliti karbon dengan hidrogen bersih

Negara-negara seperti China menghadapi kesesakan dalam laluan mereka untuk berkecuali karbon: mengurangkan pelepasan dalam industri berat dan pengangkutan tugas berat.Terdapat beberapa kajian mendalam tentang peranan prospektif untuk hidrogen bersih dalam sektor 'sukar-abat' (HTA) ini.Di sini kami menjalankan analisis pemodelan kos termurah dinamik bersepadu.Keputusan menunjukkan bahawa, pertama, hidrogen bersih boleh menjadi pembawa tenaga utama dan bahan suapan yang boleh mengurangkan pelepasan karbon industri berat dengan ketara.Ia juga boleh menjana sehingga 50% daripada armada trak dan bas tugas berat China menjelang 2060 dan bahagian perkapalan yang besar.Kedua, senario hidrogen bersih yang realistik yang mencapai 65.7 Mt pengeluaran pada 2060 boleh mengelakkan pelaburan baharu AS$1.72 trilion berbanding dengan senario tanpa hidrogen.Kajian ini memberikan bukti nilai hidrogen bersih dalam sektor HTA untuk China dan negara yang menghadapi cabaran yang sama dalam mengurangkan pelepasan untuk mencapai matlamat bersih-sifar.

Mencapai neutraliti karbon ialah misi global yang mendesak, tetapi tiada laluan 'satu saiz-sesuai-semua' untuk negara pemancar utama mencapai objektif ini1,2 .Kebanyakan negara maju, seperti Amerika Syarikat dan negara-negara di Eropah, sedang menjalankan strategi bonisasi decar tertumpu terutamanya pada armada kenderaan ringan (LDV) besar, penjanaan kuasa elektrik, pembuatan dan bangunan komersial dan kediaman, empat sektor yang bersama-sama menyumbang sebahagian besar pelepasan karbon mereka3,4.Pemancar utama negara membangun, seperti China, sebaliknya, mempunyai ekonomi dan struktur tenaga yang sangat berbeza, memerlukan keutamaan penyahkarbonan yang berbeza bukan sahaja dari segi sektor tetapi juga dalam penggunaan strategik teknologi sifar karbon yang baru muncul.

Perbezaan utama profil pelepasan karbon China berbanding dengan ekonomi barat ialah bahagian pelepasan yang lebih besar untuk industri berat dan pecahan yang jauh lebih kecil untuk LDV dan penggunaan tenaga dalam bangunan (Rajah 1).China menduduki tempat pertama di dunia, setakat ini, dari segi pengeluaran simen, besi dan keluli, bahan kimia dan bahan binaan, menggunakan sejumlah besar arang batu untuk haba industri dan pengeluaran kok.Industri berat menyumbang 31% daripada jumlah pelepasan semasa China, bahagian yang 8% lebih tinggi daripada purata dunia (23%), 17% lebih besar daripada Amerika Syarikat (14%) dan 13% lebih tinggi daripada Kesatuan Eropah (18%) (rujuk.5).

China telah berjanji untuk memuncak pelepasan karbonnya sebelum 2030 dan mencapai neutraliti karbon sebelum 2060. Ikrar iklim ini mendapat pujian yang meluas tetapi juga menimbulkan persoalan tentang kebolehupayaan mereka6 , sebahagiannya kerana peranan utama 'susah-abat' (HTA) proses dalam ekonomi China.Proses ini terutamanya termasuk penggunaan tenaga dalam industri berat dan pengangkutan tugas berat yang sukar untuk dielektrik (dan dengan itu beralih terus kepada kuasa boleh diperbaharui) dan proses perindustrian yang kini bergantung kepada bahan api fosil untuk bahan mentah kimia. Terdapat beberapa kajian terkini1– 3 menyiasat laluan bonisasi decar ke arah neutraliti karbon untuk keseluruhan perancangan sistem tenaga China tetapi dengan analisis terhad bagi sektor HTA.Di peringkat antarabangsa, penyelesaian mitigasi yang berpotensi untuk sektor HTA telah mula menarik perhatian sejak kebelakangan ini7–14.Penyahkarbonan sektor HTA adalah mencabar kerana ia sukar untuk dielektrik sepenuhnya dan/atau kos efektif7,8.Åhman menekankan bahawa pergantungan laluan adalah masalah utama bagi sektor HTA dan visi dan perancangan jangka panjang untuk teknologi canggih diperlukan untuk 'membuka kunci' sektor HTA, terutamanya industri berat, daripada pergantungan fosil9.Kajian telah meneroka bahan baharu dan penyelesaian mitigasi yang berkaitan dengan penangkapan, penggunaan dan/atau penyimpanan karbon (CCUS) dan teknologi pelepasan negatif (NETs)10,11.daripada sekurang-kurangnya satu kajian mengakui bahawa ia juga harus dipertimbangkan dalam perancangan jangka panjang11.Dalam Laporan Penilaian Keenam Panel Antara Kerajaan mengenai Perubahan Iklim yang dikeluarkan baru-baru ini, penggunaan hidrogen 'pelepasan rendah' telah diiktiraf sebagai salah satu penyelesaian mitigasi utama untuk pelbagai sektor ke arah mencapai pelepasan sifar bersih pada masa hadapan12.

Kesusasteraan sedia ada mengenai hidrogen bersih tertumpu sebahagian besarnya pada pilihan teknologi pengeluaran dengan analisis kos bahagian bekalan15.(Hidrogen 'bersih' dalam kertas ini merangkumi kedua-dua hidrogen 'hijau' dan 'biru', yang pertama dihasilkan oleh elektrolisis air menggunakan kuasa boleh diperbaharui, yang kedua diperoleh daripada bahan api fosil tetapi dinyahkarbon dengan CCUS.) Perbincangan mengenai permintaan hidrogen tertumpu sebahagian besarnya kepada sektor pengangkutan di negara maju—kenderaan sel bahan api hidrogen khususnya16,17.Tekanan untuk penyahkarbonan industri berat telah ketinggalan berbanding tekanan untuk pelabuhan trans jalan, mencerminkan andaian konvensional bahawa industri berat akan
kekal sukar untuk diredakan sehingga inovasi teknologi baharu muncul.Kajian hidrogen bersih (terutamanya hijau) telah menunjukkan kematangan teknologinya dan kos menurun17, tetapi kajian lanjut diperlukan yang memfokuskan pada saiz pasaran berpotensi dan keperluan teknologi industri untuk mengeksploitasi pertumbuhan prospektif bekalan hidrogen bersih16.Memahami potensi hidrogen bersih untuk memajukan neutraliti karbon global akan menjadi berat sebelah jika analisis dihadkan terutamanya kepada kos pengeluarannya, penggunaannya oleh sektor yang digemari sahaja dan penggunaannya dalam ekonomi maju. Kesusasteraan sedia ada mengenai hidrogen bersih difokuskan sebahagian besarnya pada pilihan teknologi pengeluaran dengan analisis kos bahagian bekalan15.(Hidrogen 'bersih' dalam kertas ini merangkumi kedua-dua hidrogen 'hijau' dan 'biru', yang pertama dihasilkan oleh elektrolisis air menggunakan kuasa boleh diperbaharui, yang kedua diperoleh daripada bahan api fosil tetapi dinyahkarbon dengan CCUS.) Perbincangan mengenai permintaan hidrogen tertumpu sebahagian besarnya kepada sektor pengangkutan di negara maju—kenderaan sel bahan api hidrogen khususnya16,17.Tekanan untuk penyahkarbonan industri berat telah ketinggalan berbanding dengan tekanan untuk pemindahan jalan raya, mencerminkan andaian konvensional bahawa industri berat akan kekal sukar untuk dihentikan sehingga inovasi teknologi baharu muncul.Kajian hidrogen bersih (terutamanya hijau) telah menunjukkan kematangan teknologinya dan kos menurun17, tetapi kajian lanjut diperlukan yang memfokuskan pada saiz pasaran berpotensi dan keperluan teknologi industri untuk mengeksploitasi pertumbuhan prospektif bekalan hidrogen bersih16.Memahami potensi hidrogen bersih untuk memajukan neutraliti karbon global akan menjadi berat sebelah jika analisis dihadkan terutamanya kepada kos pengeluarannya, penggunaannya oleh sektor yang digemari sahaja dan aplikasinya dalam ekonomi maju.

Menilai peluang untuk hidrogen bersih bergantung pada penilaian semula permintaan prospektifnya sebagai bahan api alternatif dan bahan suapan kimia merentas keseluruhan sistem tenaga dan ekonomi, termasuk pertimbangan keadaan negara yang berbeza.Tiada kajian komprehensif setakat ini mengenai peranan hidrogen bersih dalam masa depan bersih-sifar China.Mengisi jurang penyelidikan ini akan membantu melukis pelan hala tuju yang lebih jelas untuk pengurangan pelepasan CO2 China, membolehkan penilaian kebolehlaksanaan ikrar penyahkarbonan pada 2030 dan 2060 dan menyediakan panduan untuk ekonomi membangun lain yang sedang berkembang dengan sektor perindustrian berat yang besar.

Rajah 1 |Pelepasan karbon negara utama dan mekanisme analisis hidrogen dalam sistem tenaga.a, pelepasan karbon China pada 2019 berbanding dengan Amerika Syarikat, Eropah, Jepun dan India, melalui bahan api.Pada 2019, pembakaran arang batu mengambil bahagian terbesar pelepasan karbon di China (79.62%) dan India (70.52%), dan pembakaran minyak menyumbang paling banyak kepada pelepasan karbon di Amerika Syarikat (41.98%) dan Eropah (41.27%).b, pelepasan karbon China pada 2019 berbanding dengan Amerika Syarikat, Eropah, Jepun dan India, mengikut sektor.Pelepasan dipaparkan di sebelah kiri dan perkadaran di sebelah kanan dalam a dan b.Bahagian pelepasan karbon daripada industri di China (28.10%) dan India (24.75%) adalah jauh lebih tinggi daripada Amerika Syarikat (9.26%) dan Eropah (13.91%) pada 2019. c, Laluan teknikal dengan teknologi hidrogen yang digunakan dalam sektor HTA.SMR, reformasi metana wap;Elektrolisis PEM, elektrolisis membran elektrolit polimer;Proses PEC, proses fotoelektrokimia.

Kajian ini cuba menjawab tiga pertanyaan utama.Pertama, apakah cabaran utama untuk penyahkarbonan sektor HTA di negara membangun seperti China, seperti yang dibezakan daripada negara maju?Adakah teknologi mitigasi semasa dalam sektor HTA (terutamanya industri berat) cukup berkesan untuk mencapai neutraliti karbon China menjelang 2060?Kedua, apakah peranan prospektif untuk hidrogen bersih sebagai pembawa tenaga dan bahan suapan dalam sektor HTA, terutamanya di China dan negara membangun lain yang baru mula mengakses prospek pengeluaran dan penggunaannya?Akhir sekali, berdasarkan pengoptimuman dinamik seluruh sistem tenaga China

tem, adakah penggunaan meluas hidrogen bersih dalam sektor HTA akan menjimatkan kos berbanding dengan pilihan lain?

Di sini kami membina model sistem tenaga bersepadu termasuk kedua-dua bekalan dan permintaan merentas sektor untuk menganalisis prospek keberkesanan kos dan peranan hidrogen bersih dalam keseluruhan ekonomi China, dengan penekanan pada sektor HTA yang kurang diselidik (Rajah 1c).

Masa siaran: Mac-03-2023