Die Ergebnisse der Analyse zeigen, dass das Vertrauen auf die Verbesserung der Energieeffizienz in Kombination mit CCUS und NETs allein wahrscheinlich kein kosteneffektiver Weg für eine tiefgreifende Dekarbonisierung von Chinas HTA-Sektoren, insbesondere der Schwerindustrie, ist.Genauer gesagt kann die weit verbreitete Anwendung von sauberem Wasserstoff in HTA-Sektoren China helfen, CO2-Neutralität im Vergleich zu einem Szenario ohne Produktion und Verwendung von sauberem Wasserstoff kostengünstig zu erreichen.Die Ergebnisse bieten eine starke Orientierungshilfe für Chinas HTA-Dekarbonisierungspfad und eine wertvolle Referenz für andere Länder, die vor ähnlichen Herausforderungen stehen.
Dekarbonisierung von HTA-Industriesektoren mit sauberem Wasserstoff
Wir führen für China im Jahr 2060 eine integrierte kostengünstigste Optimierung der Minderungspfade zur Klimaneutralität durch. In Tabelle 1 sind vier Modellierungsszenarien definiert: Business as usual (BAU), Chinas national festgelegte Beiträge im Rahmen des Null-Emissionen mit Anwendungen ohne Wasserstoff (ZERO-NH) und Netto-Null-Emissionen mit sauberem Wasserstoff (ZERO-H).Zu den HTA-Sektoren in dieser Studie gehören die industrielle Produktion von Zement, Eisen und Stahl und Schlüsselchemikalien (einschließlich Ammoniak, Soda und Natronlauge) sowie der Schwerlastverkehr, einschließlich Lkw und Binnenschifffahrt.Vollständige Einzelheiten sind im Abschnitt „Methoden“ und in den ergänzenden Anmerkungen 1–5 enthalten.In Bezug auf den Eisen- und Stahlsektor entfällt der dominierende Anteil der bestehenden Produktion in China (89,6 %) auf das grundlegende Sauerstoff-Hochofenverfahren, eine zentrale Herausforderung für dessen tiefe Dekarbonisierung
Industrie.Der Lichtbogenofenprozess machte 2019 nur 10,4 % der Gesamtproduktion in China aus, was 17,5 % weniger als der weltweite Durchschnittsanteil und 59,3 % weniger als der Anteil der Vereinigten Staaten ist18.Wir haben 60 Schlüsseltechnologien zur Emissionsminderung bei der Stahlerzeugung im Modell analysiert und sie in sechs Kategorien eingeteilt (Abb. 2a): Verbesserung der Materialeffizienz, Leistung fortschrittlicher Technologien, Elektrifizierung, CCUS, grüner Wasserstoff und blauer Wasserstoff (Ergänzungstabelle 1).Ein Vergleich der Systemkostenoptimierungen von ZERO-H mit NDC- und ZERO-NH-Szenarien zeigt, dass die Einbeziehung von sauberen Wasserstoffoptionen aufgrund der Einführung von Wasserstoff-Direktreduktion von Eisen (Wasserstoff-DRI)-Prozessen zu einer bemerkenswerten Kohlenstoffreduzierung führen würde.Beachten Sie, dass Wasserstoff nicht nur als Energiequelle in der Stahlerzeugung dienen kann, sondern auch als kohlenstoffminderndes Reduktionsmittel auf ergänzender Basis im Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF)-Prozess und zu 100 % in der Wasserstoff-DRI-Route.Unter ZERO-H würde der Anteil von BF-BOF bis 2060 auf 34 % reduziert, mit 45 % Elektrolichtbogenofen und 21 % Wasserstoff-DRI, und sauberer Wasserstoff würde 29 % des gesamten Endenergiebedarfs des Sektors decken.Mit dem Netzpreis für Solar- und Windstrom ist zu rechnenRückgang auf 38–40 MWh−1 im Jahr 205019, die Kosten für grünen Wasserstoff
wird ebenfalls zurückgehen, und die Route mit 100 % Wasserstoff-DRI könnte eine wichtigere Rolle spielen als bisher angenommen.In Bezug auf die Zementproduktion umfasst das Modell 47 Schlüsseltechnologien zur Minderung der Produktionsprozesse, die in sechs Kategorien eingeteilt sind (Ergänzungstabellen 2 und 3): Energieeffizienz, alternative Brennstoffe, Verringerung des Klinker-zu-Zement-Verhältnisses, CCUS, grüner Wasserstoff und blauer Wasserstoff ( Abb. 2b).Die Ergebnisse zeigen, dass verbesserte Energieeffizienztechnologien nur 8–10 % der gesamten CO2-Emissionen im Zementsektor reduzieren können und Abwärme-KWK- und Oxy-Fuel-Technologien nur einen begrenzten Minderungseffekt haben werden (4–8 %).Technologien zur Reduzierung des Klinker-zu-Zement-Verhältnisses können zu einer relativ hohen Kohlenstoffminderung (50–70 %) führen, hauptsächlich einschließlich dekarbonisierter Rohstoffe für die Klinkerherstellung unter Verwendung von granulierter Hochofenschlacke, obwohl Kritiker bezweifeln, dass der resultierende Zement seine wesentlichen Eigenschaften behält.Aktuelle Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Nutzung von Wasserstoff zusammen mit CCUS der Zementbranche helfen könnte, im Jahr 2060 nahezu null CO2-Emissionen zu erreichen.
Im ZERO-H-Szenario kommen 20 wasserstoffbasierte Technologien (von den 47 Minderungstechnologien) bei der Zementherstellung zum Einsatz.Wir stellen fest, dass die durchschnittlichen CO2-Minderungskosten von Wasserstofftechnologien niedriger sind als bei typischen CCUS- und Brennstoffumstellungsansätzen (Abb. 2b).Darüber hinaus wird erwartet, dass grüner Wasserstoff nach 2030 mit etwa 0,7 bis 1,6 US-Dollar kg-1 H2 (Ref. 20) billiger sein wird als blauer Wasserstoff, wie nachstehend ausführlich erörtert wird, was zu erheblichen CO2-Reduktionen bei der Bereitstellung industrieller Wärme bei der Zementherstellung führt .Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass es 89–95 % des CO2 aus dem Heizprozess in Chinas Industrie reduzieren kann (Abb. 2b, Technologien
28–47), was mit der Schätzung des Hydrogen Council von 84–92 % (Lit. 21) übereinstimmt.CO2-Emissionen aus dem Klinkerprozess müssen durch CCUS sowohl in ZERO-H als auch in ZERO-NH reduziert werden.Wir simulieren auch die Verwendung von Wasserstoff als Rohstoff bei der Herstellung von Ammoniak, Methan, Methanol und anderen Chemikalien, die in der Modellbeschreibung aufgeführt sind.Im ZERO-H-Szenario wird die gasbasierte Ammoniakproduktion mit Wasserstoffwärme im Jahr 2060 einen Anteil von 20 % an der Gesamtproduktion erreichen (Abb. 3 und Ergänzungstabelle 4).Das Modell umfasst vier Arten von Methanolproduktionstechnologien: Kohle zu Methanol (CTM), Koksgas zu Methanol (CGTM), Erdgas zu Methanol (NTM) und CGTM/NTM mit Wasserstoffwärme.Im ZERO-H-Szenario kann CGTM/NTM mit Wasserstoffwärme einen Produktionsanteil von 21 % im Jahr 2060 erreichen (Abb. 3).Auch Chemikalien sind potenzielle Energieträger von Wasserstoff.Auf Basis unserer integrierten Betrachtung kann Wasserstoff bis 2060 17 % des Endenergieverbrauchs zur Wärmebereitstellung in der chemischen Industrie ausmachen. Neben Bioenergie (18 %) und Strom (32 %) spielt Wasserstoff eine große Rolle 
Dekarbonisierung der chinesischen HTA-Chemieindustrie (Abb. 4a).
Abb. 2 |CO2-Minderungspotenzial und Minderungskosten der wichtigsten Minderungstechnologien.a, Sechs Kategorien von 60 Schlüsseltechnologien zur Emissionsminderung bei der Stahlerzeugung.b, Sechs Kategorien von 47 Schlüsseltechnologien zur Minderung von Zementemissionen.Die Technologien sind nach Nummer aufgelistet, wobei die entsprechenden Definitionen in der Ergänzungstabelle 1 für a und der Ergänzungstabelle 2 für b enthalten sind.Die Technologiereifegrade (TRLs) jeder Technologie sind gekennzeichnet: TRL3, Konzept;TRL4, kleiner Prototyp;TRL5, großer Prototyp;TRL6, vollständiger Prototyp im Maßstab;TRL7, vorkommerzielle Demonstration;TRL8, Demonstration;TRL10, frühe Übernahme;TRL11, ausgereift.
Dekarbonisierung von HTA-Verkehrsarten mit sauberem Wasserstoff Basierend auf den Modellierungsergebnissen hat Wasserstoff auch ein großes Potenzial zur Dekarbonisierung des chinesischen Verkehrssektors, obwohl dies einige Zeit in Anspruch nehmen wird.Zu den weiteren im Modell analysierten Verkehrsträgern neben leichten Nutzfahrzeugen gehören Flottenbusse, Lkw (leicht/klein/mittel/schwer), Inlandsschifffahrt und Eisenbahn, die den Großteil des Transports in China abdecken.Für LDVs sollen Elektrofahrzeuge auch in Zukunft kostenmäßig wettbewerbsfähig bleiben.Bei ZERO-H wird die Durchdringung des LDV-Marktes mit Wasserstoff-Brennstoffzellen (HFC) im Jahr 2060 nur 5 % erreichen (Abb. 3).Für Flottenbusse werden HFC-Busse jedoch im Jahr 2045 kostengünstiger als elektrische Alternativen sein und im Jahr 2060 im ZERO-H-Szenario 61 % der Gesamtflotte ausmachen, wobei der Rest elektrisch ist (Abb. 3).Bei Lastkraftwagen variieren die Ergebnisse je nach Auslastung.Elektroantrieb wird bis 2035 in ZERO-NH mehr als die Hälfte der gesamten Leicht-Lkw-Flotte antreiben.Aber in ZERO-H werden leichte HFC-Lkw bis 2035 wettbewerbsfähiger sein als elektrische leichte Lkw und bis 2060 53 % des Marktes ausmachen. Bei schweren Lkw würden HFC-schwere Lkw 66 % des Marktes erreichen Markt im Jahr 2060 im Szenario ZERO-H.Diesel/Biodiesel/CNG (Compressed Natural Gas) HDVs (Heavy Duty Vehicles) werden sowohl in ZERO-NH- als auch in ZERO-H-Szenarien nach 2050 vom Markt verschwinden (Abb. 3).HFC-Fahrzeuge haben einen zusätzlichen Vorteil gegenüber Elektrofahrzeugen in ihrer besseren Leistung bei kalten Bedingungen, was in Nord- und Westchina wichtig ist.Über den Straßenverkehr hinaus zeigt das Modell eine weit verbreitete Einführung von Wasserstofftechnologien in der Schifffahrt im ZERO-H-Szenario.Chinas Binnenschifffahrt ist sehr energieintensiv und eine besonders schwierige Herausforderung bei der Dekarbonisierung.Sauberer Wasserstoff, insbesondere als
Rohstoff für Ammoniak, bietet eine Option für die Dekarbonisierung von Schiffen.Die kostengünstigste Lösung im ZERO-H-Szenario führt im Jahr 2060 zu einer Durchdringung von 65 % mit Ammoniak und 12 % mit Wasserstoff betriebenen Schiffen (Abb. 3).In diesem Szenario wird Wasserstoff im Jahr 2060 durchschnittlich 56 % des Endenergieverbrauchs des gesamten Verkehrssektors ausmachen. Wir haben auch die Verwendung von Wasserstoff beim Heizen von Wohngebäuden modelliert (Ergänzende Anmerkung 6), aber seine Übernahme ist vernachlässigbar und dieses Papier konzentriert sich darauf Wasserstoffnutzung in der HTA-Industrie und im Schwerlastverkehr.Kosteneinsparungen durch CO2-Neutralität durch sauberen Wasserstoff Chinas CO2-neutrale Zukunft wird durch eine Dominanz erneuerbarer Energien mit einem Ausstieg aus Kohle beim Primärenergieverbrauch gekennzeichnet sein (Abb. 4).Nichtfossile Brennstoffe machen 88 % des Primärenergiemixes im Jahr 2050 und 93 % im Jahr 2060 unter ZERO-H aus. Wind und Sonne werden 2060 die Hälfte des Primärenergieverbrauchs liefern. Im nationalen Durchschnitt beträgt der saubere Wasserstoffanteil an der gesamten Endenergie Verbrauch (TFEC) könnte im Jahr 2060 13 % erreichen. Unter Berücksichtigung der regionalen Heterogenität der Produktionskapazitäten in Schlüsselindustrien nach Region (Ergänzungstabelle 7) gibt es zehn Provinzen mit Wasserstoffanteilen am TFEC, die über dem nationalen Durchschnitt liegen, darunter die Innere Mongolei, Fujian, Shandong und Guangdong, angetrieben von reichen Solar- und Onshore- und Offshore-Windressourcen und/oder einer vielfältigen industriellen Nachfrage nach Wasserstoff.Im ZERO-NH-Szenario würden die kumulierten Investitionskosten zur Erreichung der CO2-Neutralität bis 2060 20,63 Billionen US-Dollar oder 1,58 % des aggregierten Bruttoinlandsprodukts (BIP) für 2020–2060 betragen.Die durchschnittliche zusätzliche Investition auf Jahresbasis würde etwa 516 Milliarden US-Dollar pro Jahr betragen.Dieses Ergebnis steht im Einklang mit Chinas 15-Billionen-US-Dollar-Minderungsplan bis 2050, einer durchschnittlichen jährlichen Neuinvestition von 500 Milliarden US-Dollar (Ref. 22).Die Einführung sauberer Wasserstoffoptionen in Chinas Energiesystem und industrielle Rohstoffe im ZERO-H-Szenario führt jedoch zu einer deutlich geringeren kumulativen Investition von 18,91 Billionen US-Dollar bis 2060 und im Jahr2060 würden die Investitionen auf weniger als 1 % des BIP sinken (Abb.4).In Bezug auf die HTA-Sektoren die jährlichen Investitionskosten in diesenSektoren würden im ZERO-NH rund 392 Milliarden US-Dollar pro Jahr betragenSzenario, das mit der Projektion der Energie übereinstimmtÜbergangskommission (US$400 Milliarden) (Ref. 23).Allerdings wenn sauber
Wasserstoff in das Energiesystem und chemische Rohstoffe integriert wird, zeigt das ZERO-H-Szenario, dass die jährlichen Investitionskosten in HTA-Sektoren auf 359 Milliarden US-Dollar gesenkt werden könnten, hauptsächlich durch Verringerung der Abhängigkeit von kostspieligen CCUS oder NETs.Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung von sauberem Wasserstoff 1,72 Billionen US-Dollar an Investitionskosten einsparen und einen Verlust von 0,13 % des Gesamt-BIP (2020–2060) im Vergleich zu einem Weg ohne Wasserstoff bis 2060 vermeiden kann.
Abb. 3 |Technologiedurchdringung in typischen HTA-Branchen.Ergebnisse unter BAU-, NDC-, ZERO-NH- und ZERO-H-Szenarien (2020–2060).In jedem Meilensteinjahr wird die spezifische Technologiedurchdringung in verschiedenen Sektoren durch die farbigen Balken angezeigt, wobei jeder Balken einen Prozentsatz der Durchdringung von bis zu 100 % darstellt (für ein vollständig schattiertes Gitter).Die Technologien werden weiter nach verschiedenen Typen klassifiziert (in den Legenden gezeigt).CNG, komprimiertes Erdgas;LPG, Flüssiggas;LNG, flüssiges Erdgas;w/wo, mit oder ohne;EAF, Lichtbogenofen;NSP, neues Suspensionsvorwärmer-Trockenverfahren;WHR, Abwärmenutzung.
Postzeit: 13. März 2023
