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

Durchbrechen des schwer zu beseitigenden Engpasses auf Chinas Weg zur CO2-Neutralität mit sauberem Wasserstoff

Länder wie China stehen auf ihrem Weg zur CO2-Neutralität vor einem Engpass: der Verringerung der Emissionen in der Schwerindustrie und im Schwerlastverkehr.Es gibt nur wenige eingehende Studien über die voraussichtliche Rolle von sauberem Wasserstoff in diesen „hard-to-abate“ (HTA) Sektoren.Hier führen wir eine integrierte dynamische Least-Cost-Modeling-Analyse durch.Die Ergebnisse zeigen erstens, dass sauberer Wasserstoff sowohl ein wichtiger Energieträger als auch ein Rohstoff sein kann, der die Kohlenstoffemissionen der Schwerindustrie erheblich reduzieren kann.Bis 2060 können bis zu 50 % der Schwerlastwagen- und Busflotten Chinas und ein erheblicher Anteil der Schifffahrt damit betankt werden.Zweitens könnte ein realistisches Szenario mit sauberem Wasserstoff, das im Jahr 2060 eine Produktion von 65,7 Mt erreicht, im Vergleich zu einem Szenario ohne Wasserstoff 1,72 Billionen US-Dollar an Neuinvestitionen vermeiden.Diese Studie belegt den Wert von sauberem Wasserstoff in HTA-Sektoren für China und Länder, die vor ähnlichen Herausforderungen bei der Reduzierung von Emissionen stehen, um Netto-Null-Ziele zu erreichen.

Das Erreichen der CO2-Neutralität ist eine dringende globale Mission, aber es gibt keinen einheitlichen Weg für die größten Emittentennationen, um dieses Ziel zu erreichen1,2.Die meisten Industrienationen, wie die Vereinigten Staaten und die in Europa, verfolgen Dekarbonisierungsstrategien, die sich insbesondere auf große Flotten leichter Nutzfahrzeuge (LDV), Stromerzeugung, Fertigung sowie Gewerbe- und Wohngebäude konzentrieren, vier Sektoren, die zusammengenommen ausmachen die überwiegende Mehrheit ihrer CO2-Emissionen3,4.Im Gegensatz dazu haben große Emittenten in Entwicklungsländern wie China sehr unterschiedliche Wirtschaften und Energiestrukturen, die nicht nur in sektoraler Hinsicht unterschiedliche Dekarbonisierungsprioritäten erfordern, sondern auch in Bezug auf den strategischen Einsatz aufkommender kohlenstofffreier Technologien.

Die Hauptunterschiede des CO2-Emissionsprofils Chinas im Vergleich zu den westlichen Volkswirtschaften sind viel größere Emissionsanteile für die Schwerindustrie und viel kleinere Anteile für leichte Nutzfahrzeuge und den Energieverbrauch in Gebäuden (Abb. 1).Bei der Produktion von Zement, Eisen und Stahl, Chemikalien und Baumaterialien steht China mit Abstand an erster Stelle der Welt und verbraucht riesige Mengen Kohle für Industriewärme und Koksproduktion.Die Schwerindustrie trägt 31 % zu den derzeitigen Gesamtemissionen Chinas bei, ein Anteil, der 8 % über dem Weltdurchschnitt (23 %), 17 % über dem der Vereinigten Staaten (14 %) und 13 % über dem der Europäischen Union liegt (18%) (Ref.5).

China hat sich verpflichtet, seine CO2-Emissionen vor 2030 zu maximieren und CO2-Neutralität vor 2060 zu erreichen. Diese Klimaversprechen ernteten weithin Lob, warf aber auch Fragen zu ihrer Machbarkeit auf6, teilweise wegen der großen Rolle von „hard-to-abate“ (HTA) Prozesse in Chinas Wirtschaft.Zu diesen Prozessen gehören insbesondere der Energieverbrauch in der Schwerindustrie und im Schwerlastverkehr, die schwer zu elektrifizieren sind (und somit direkt auf erneuerbare Energien umgestellt werden können) und industrielle Prozesse, die jetzt von fossilen Brennstoffen für chemische Rohstoffe abhängig sind. Es gibt einige neuere Studien1– 3 Untersuchung von Dekarbonisierungspfaden in Richtung Kohlenstoffneutralität für Chinas gesamte Energiesystemplanung, jedoch mit begrenzten Analysen von HTA-Sektoren.International haben in den letzten Jahren potenzielle Minderungslösungen für HTA-Sektoren begonnen, Aufmerksamkeit zu erregen7–14.Die Dekarbonisierung von HTA-Sektoren ist eine Herausforderung, da sie nur schwer vollständig und/oder kostengünstig zu elektrifizieren sind7,8.Åhman betonte, dass die Pfadabhängigkeit das Hauptproblem für HTA-Sektoren sei und dass Visionen und langfristige Planung für fortschrittliche Technologien erforderlich seien, um die HTA-Sektoren, insbesondere die Schwerindustrie, von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu „befreien“9.Studien haben neue Materialien und Minderungslösungen im Zusammenhang mit der Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und/oder -speicherung (CCUS) und negativen Emissionstechnologien (NETs)10,11 untersucht. Mindestens eine Studie bestätigt, dass sie auch in der langfristigen Planung berücksichtigt werden sollten11.Im kürzlich veröffentlichten Sechsten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen wurde die Verwendung von „emissionsarmem“ Wasserstoff als eine der wichtigsten Minderungslösungen für mehrere Sektoren auf dem Weg zu einer Zukunft mit Netto-Null-Emissionen anerkannt12.

Die vorhandene Literatur zu sauberem Wasserstoff konzentriert sich weitgehend auf produktionstechnische Optionen mit Analysen der angebotsseitigen Kosten15.(„Sauberer“ Wasserstoff umfasst in diesem Papier sowohl „grünen“ als auch „blauen“ Wasserstoff, wobei ersterer durch Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energie erzeugt wird, letzterer aus fossilen Brennstoffen stammt, aber mit CCUS dekarbonisiert wird.) Die Diskussion über die Wasserstoffnachfrage konzentriert sich hauptsächlich auf der Transportsektor in entwickelten Ländern – insbesondere Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge16,17.Der Druck zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie ist im Vergleich zum Straßenverkehr zurückgeblieben, was die herkömmliche Annahme widerspiegelt, dass die Schwerindustrie dies tun wird
bleiben besonders schwer zu mindern, bis neue technologische Innovationen entstehen.Studien zu sauberem (insbesondere grünem) Wasserstoff haben dessen technologische Reife und sinkende Kosten nachgewiesen17, es sind jedoch weitere Studien erforderlich, die sich auf die Größe potenzieller Märkte und die technologischen Anforderungen der Industrie konzentrieren, um das voraussichtliche Wachstum der Versorgung mit sauberem Wasserstoff zu nutzen16.Das Verständnis des Potenzials von sauberem Wasserstoff zur Förderung der globalen CO2-Neutralität wird von Natur aus verzerrt sein, wenn sich die Analysen hauptsächlich auf die Kosten seiner Produktion, seinen Verbrauch nur durch bevorzugte Sektoren und seine Anwendung in entwickelten Volkswirtschaften beschränken. Die vorhandene Literatur zu sauberem Wasserstoff konzentriert sich weitgehend auf produktionstechnische Optionen mit Analysen der angebotsseitigen Kosten15.(„Sauberer“ Wasserstoff umfasst in diesem Papier sowohl „grünen“ als auch „blauen“ Wasserstoff, wobei ersterer durch Wasserelektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energie erzeugt wird, letzterer aus fossilen Brennstoffen stammt, aber mit CCUS dekarbonisiert wird.) Die Diskussion über die Wasserstoffnachfrage konzentriert sich hauptsächlich auf der Transportsektor in entwickelten Ländern – insbesondere Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge16,17.Der Druck zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie ist im Vergleich zum Straßenverkehr zurückgeblieben, was die herkömmliche Annahme widerspiegelt, dass die Schwerindustrie besonders schwer zu dämpfen sein wird, bis neue technologische Innovationen entstehen.Studien zu sauberem (insbesondere grünem) Wasserstoff haben dessen technologische Reife und sinkende Kosten nachgewiesen17, es sind jedoch weitere Studien erforderlich, die sich auf die Größe potenzieller Märkte und die technologischen Anforderungen der Industrie konzentrieren, um das voraussichtliche Wachstum der Versorgung mit sauberem Wasserstoff zu nutzen16.Das Verständnis des Potenzials von sauberem Wasserstoff zur Förderung der globalen CO2-Neutralität wird von Natur aus verzerrt sein, wenn sich die Analysen hauptsächlich auf die Kosten seiner Produktion, seinen Verbrauch nur durch bevorzugte Sektoren und seine Anwendung in entwickelten Volkswirtschaften beschränken.

Die Bewertung der Möglichkeiten für sauberen Wasserstoff hängt von der Neubewertung seiner voraussichtlichen Nachfrage als alternativer Kraftstoff und chemischer Rohstoff im gesamten Energiesystem und in der gesamten Wirtschaft ab, einschließlich der Berücksichtigung unterschiedlicher nationaler Umstände.Bisher gibt es keine so umfassende Studie zur Rolle von sauberem Wasserstoff in Chinas Netto-Null-Zukunft.Das Schließen dieser Forschungslücke wird dazu beitragen, einen klareren Fahrplan für Chinas Reduzierung der CO2-Emissionen zu zeichnen, eine Bewertung der Machbarkeit seiner Dekarbonisierungsversprechen für 2030 und 2060 zu ermöglichen und Leitlinien für andere wachsende Schwellenländer mit großen Schwerindustriesektoren bereitzustellen.

Abb. 1 |Kohlenstoffemissionen wichtiger Länder und Analysemechanismus für Wasserstoff im Energiesystem.a, Chinas Kohlenstoffemissionen im Jahr 2019 im Vergleich zu den Vereinigten Staaten, Europa, Japan und Indien, nach Kraftstoff.Im Jahr 2019 hatte die Kohleverbrennung den größten Anteil an den Kohlenstoffemissionen in China (79,62 %) und Indien (70,52 %), und die Ölverbrennung trug am meisten zu den Kohlenstoffemissionen in den Vereinigten Staaten (41,98 %) und Europa (41,27 %) bei.b, Chinas Kohlenstoffemissionen im Jahr 2019 im Vergleich zu den Vereinigten Staaten, Europa, Japan und Indien, nach Sektoren.In a und b sind die Emissionen links und der Anteil rechts dargestellt.Der Anteil der CO2-Emissionen der Industrie in China (28,10 %) und Indien (24,75 %) war 2019 viel höher als der der Vereinigten Staaten (9,26 %) und Europas (13,91 %). c, Technischer Weg mit angewandten Wasserstofftechnologien die HTA-Sektoren.SMR, Dampf-Methan-Reformierung;PEM-Elektrolyse, Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse;PEC-Prozess, photoelektrochemischer Prozess.

Diese Studie versucht, drei Schlüsselfragen zu beantworten.Erstens, was sind die wichtigsten Herausforderungen für die Dekarbonisierung von HTA-Sektoren in Entwicklungsländern wie China im Unterschied zu denen in Industrieländern?Sind aktuelle Minderungstechnologien in HTA-Sektoren (insbesondere Schwerindustrie) effektiv genug, um Chinas CO2-Neutralität bis 2060 zu erreichen?Zweitens, was sind die voraussichtlichen Rollen für sauberen Wasserstoff sowohl als Energieträger als auch als Rohstoff in HTA-Sektoren, insbesondere in China und anderen Entwicklungsländern, die gerade erst begonnen haben, Zugang zu seiner voraussichtlichen Produktion und Nutzung zu erhalten?Schließlich basierend auf dynamischer Optimierung des gesamten Energiesystems Chinas

Wäre eine weit verbreitete Anwendung von sauberem Wasserstoff in HTA-Sektoren im Vergleich zu anderen Optionen kosteneffektiv?

Hier bauen wir ein Modell eines integrierten Energiesystems auf, das sowohl Angebot als auch Nachfrage in allen Sektoren umfasst, um die voraussichtliche Kosteneffektivität und Rolle von sauberem Wasserstoff in Chinas gesamter Wirtschaft zu analysieren, mit Schwerpunkt auf den wenig erforschten HTA-Sektoren (Abb. 1c).

Postzeit: März-03-2023