Kết quả phân tích cho thấy rằng việc chỉ dựa vào cải thiện hiệu quả năng lượng kết hợp với CCUS và NET không chắc sẽ là một con đường hiệu quả về chi phí để khử cacbon sâu trong các ngành HTA của Trung Quốc, đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng.Cụ thể hơn, việc áp dụng rộng rãi hydro sạch trong các lĩnh vực HTA có thể giúp Trung Quốc đạt được mức chi phí trung hòa carbon một cách hiệu quả so với kịch bản không sản xuất và sử dụng hydro sạch.Kết quả cung cấp hướng dẫn mạnh mẽ cho lộ trình khử cacbon HTA của Trung Quốc và là tài liệu tham khảo có giá trị cho các quốc gia khác đang đối mặt với những thách thức tương tự.
Khử cacbon cho các ngành công nghiệp HTA bằng hydro sạch
Chúng tôi thực hiện tối ưu hóa tích hợp với chi phí thấp nhất cho các lộ trình giảm thiểu để đạt được tính trung lập carbon cho Trung Quốc vào năm 2060. Bốn kịch bản mô hình hóa được xác định trong Bảng 1: kinh doanh như bình thường (BAU), Đóng góp do quốc gia tự quyết định của Trung Quốc theo Thỏa thuận Paris (NDC), mạng lưới- lượng khí thải bằng không với các ứng dụng không có hydro (ZERO-NH) và lượng khí thải ròng bằng không với hydro sạch (ZERO-H).Các lĩnh vực HTA trong nghiên cứu này bao gồm sản xuất công nghiệp xi măng, sắt thép và các hóa chất chính (bao gồm amoniac, soda và xút ăn da) và vận tải hạng nặng, bao gồm vận tải đường bộ và vận tải nội địa.Chi tiết đầy đủ được cung cấp trong phần Phương pháp và Ghi chú bổ sung 1–5.Về lĩnh vực sắt thép, phần lớn trong sản xuất hiện có ở Trung Quốc (89,6%) là bằng quy trình lò thổi oxy cơ bản, một thách thức chính đối với quá trình khử cacbon sâu của ngành này.
ngành công nghiệp.Quy trình lò hồ quang điện chỉ chiếm 10,4% tổng sản lượng tại Trung Quốc vào năm 2019, thấp hơn 17,5% so với tỷ trọng trung bình của thế giới và thấp hơn 59,3% so với Hoa Kỳ18.Chúng tôi đã phân tích 60 công nghệ giảm thiểu khí thải sản xuất thép chính trong mô hình và phân loại chúng thành sáu loại (Hình 2a): cải thiện hiệu quả vật liệu, hiệu suất công nghệ tiên tiến, điện khí hóa, CCUS, hydro xanh và hydro xanh (Bảng bổ sung 1).So sánh các kịch bản tối ưu hóa chi phí hệ thống của ZERO-H với NDC và ZERO-NH cho thấy rằng việc đưa vào các tùy chọn hydro sạch sẽ mang lại mức giảm carbon đáng kể nhờ áp dụng các quy trình khử sắt (hydro-DRI) trực tiếp bằng hydro.Lưu ý rằng hydro không chỉ có thể đóng vai trò là nguồn năng lượng trong sản xuất thép mà còn là chất khử làm giảm cacbon trên cơ sở bổ sung trong quy trình Lò cao-Lò oxy cơ bản (BF-BOF) và 100% trong lộ trình hydro-DRI.Theo ZERO-H, tỷ lệ BF-BOF sẽ giảm xuống còn 34% vào năm 2060, với 45% lò hồ quang điện và 21% hydro-DRI, và hydro sạch sẽ cung cấp 29% tổng nhu cầu năng lượng cuối cùng trong lĩnh vực này.Với giá hòa lưới điện mặt trời và điện gió dự kiến ​​sẽgiảm xuống còn 38–40MWh−1 đô la Mỹ vào năm 205019, chi phí hydro xanh
cũng sẽ suy giảm và lộ trình 100% hydro-DRI có thể đóng vai trò quan trọng hơn so với những gì đã được công nhận trước đây.Về sản xuất xi măng, mô hình bao gồm 47 công nghệ giảm thiểu chính trong các quy trình sản xuất được phân thành sáu loại (Bảng bổ sung 2 và 3): hiệu quả năng lượng, nhiên liệu thay thế, giảm tỷ lệ clinker-xi măng, CCUS, hydro xanh và hydro xanh lam ( Hình 2b).Kết quả cho thấy các công nghệ hiệu quả năng lượng cải tiến chỉ có thể giảm 8–10% tổng lượng khí thải CO2 trong lĩnh vực xi măng, và các công nghệ đồng phát nhiệt thải và nhiên liệu oxy sẽ có tác dụng giảm thiểu hạn chế (4–8%).Các công nghệ giảm tỷ lệ clinker-xi măng có thể mang lại hiệu quả giảm thiểu carbon tương đối cao (50–70%), chủ yếu bao gồm các nguyên liệu thô đã khử cacbon để sản xuất clinker sử dụng xỉ lò cao dạng hạt, mặc dù các nhà phê bình đặt câu hỏi liệu xi măng thu được có giữ được chất lượng thiết yếu của nó hay không.Nhưng các kết quả hiện tại chỉ ra rằng việc sử dụng hydro cùng với CCUS có thể giúp ngành xi măng đạt được mức phát thải CO2 gần như bằng không vào năm 2060.
Trong kịch bản ZERO-H, 20 công nghệ dựa trên hydro (trong số 47 công nghệ giảm thiểu) được sử dụng trong sản xuất xi măng.Chúng tôi thấy rằng chi phí giảm carbon trung bình của các công nghệ hydro thấp hơn so với các phương pháp tiếp cận chuyển đổi nhiên liệu và CCUS điển hình (Hình 2b).Hơn nữa, hydro xanh dự kiến ​​sẽ rẻ hơn hydro xanh lam sau năm 2030 như được thảo luận chi tiết bên dưới, vào khoảng 0,7 đô la Mỹ–1,6 kg−1 H2 (tham khảo 20), giúp giảm đáng kể lượng CO2 trong việc cung cấp nhiệt công nghiệp trong sản xuất xi măng .Các kết quả hiện tại cho thấy nó có thể giảm 89–95% lượng CO2 từ quá trình gia nhiệt trong ngành công nghiệp của Trung Quốc (Hình 2b, các công nghệ
28–47), phù hợp với ước tính của Hội đồng Hydro là 84–92% (tham khảo 21).Khí thải CO2 trong quá trình clinker phải được giảm bớt bởi CCUS ở cả ZERO-H và ZERO-NH.Chúng tôi cũng mô phỏng việc sử dụng hydro làm nguyên liệu trong sản xuất amoniac, metan, metanol và các hóa chất khác được liệt kê trong phần mô tả mô hình.Trong kịch bản ZERO-H, sản xuất amoniac từ khí đốt với nhiệt hydro sẽ chiếm 20% tổng sản lượng vào năm 2060 (Hình 3 và Bảng bổ sung 4).Mô hình bao gồm bốn loại công nghệ sản xuất metanol: than thành metanol (CTM), khí cốc thành metanol (CGTM), khí tự nhiên thành metanol (NTM) và CGTM/NTM với nhiệt hydro.Trong kịch bản ZERO-H, CGTM/NTM với nhiệt hydro có thể đạt được 21% thị phần sản xuất vào năm 2060 (Hình 3).Hóa chất cũng là chất mang năng lượng tiềm năng của hydro.Trên cơ sở phân tích tích hợp của chúng tôi, hydro có thể chiếm 17% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng để cung cấp nhiệt trong ngành hóa chất vào năm 2060. Cùng với năng lượng sinh học (18%) và điện (32%), hydro có vai trò chính trong

quá trình khử cacbon của ngành hóa chất HTA của Trung Quốc (Hình 4a).
56
Hình 2 |Tiềm năng giảm thiểu carbon và chi phí giảm thiểu của các công nghệ giảm thiểu chính.a, Sáu loại trong số 60 công nghệ giảm thiểu khí thải sản xuất thép chính.b, Sáu hạng mục trong số 47 công nghệ giảm thiểu phát thải xi măng chính.Các công nghệ được liệt kê theo số, với các định nghĩa tương ứng có trong Bảng bổ sung 1 cho a và Bảng bổ trợ 2 cho b.Mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL) của mỗi công nghệ được đánh dấu: TRL3, khái niệm;TRL4, nguyên mẫu nhỏ;TRL5, nguyên mẫu lớn;TRL6, nguyên mẫu đầy đủ ở quy mô lớn;TRL7, trình diễn tiền thương mại;TRL8, trình diễn;TRL10, áp dụng sớm;TRL11, trưởng thành.
Khử cacbon cho các phương thức vận chuyển HTA bằng hydro sạch Trên cơ sở kết quả mô hình hóa, hydro cũng có tiềm năng lớn để khử cacbon cho ngành vận tải của Trung Quốc, mặc dù sẽ mất nhiều thời gian.Ngoài LDV, các phương thức vận tải khác được phân tích trong mô hình bao gồm đội xe buýt, xe tải (nhẹ/nhỏ/trung bình/nặng), vận chuyển nội địa và đường sắt, bao gồm hầu hết các phương tiện giao thông ở Trung Quốc.Đối với LDV, xe điện có vẻ sẽ duy trì tính cạnh tranh về chi phí trong tương lai.Trong ZERO-H, sự thâm nhập của pin nhiên liệu hydro (HFC) vào thị trường LDV sẽ chỉ đạt 5% vào năm 2060 (Hình 3).Tuy nhiên, đối với đội xe buýt, xe buýt HFC sẽ có chi phí cạnh tranh hơn so với các phương án thay thế bằng điện vào năm 2045 và chiếm 61% tổng số đội xe buýt vào năm 2060 trong kịch bản ZERO-H, phần còn lại là xe điện (Hình 3).Đối với xe tải, kết quả thay đổi theo tốc độ tải.Động cơ điện sẽ vận hành hơn một nửa tổng số đội xe tải hạng nhẹ vào năm 2035 ở ZERO-NH.Nhưng ở ZERO-H, xe tải hạng nhẹ HFC sẽ cạnh tranh hơn so với xe tải nhẹ chạy điện vào năm 2035 và chiếm 53% thị trường vào năm 2060. Về xe tải hạng nặng, xe tải hạng nặng HFC sẽ chiếm 66% thị phần thị trường vào năm 2060 trong kịch bản ZERO-H.Động cơ diesel/diesel sinh học/CNG (khí thiên nhiên nén) HDV (xe hạng nặng) sẽ rời khỏi thị trường sau năm 2050 trong cả hai kịch bản ZERO-NH và ZERO-H (Hình 3).Xe HFC có thêm lợi thế so với xe điện ở khả năng hoạt động tốt hơn trong điều kiện lạnh, quan trọng ở miền bắc và miền tây Trung Quốc.Ngoài vận tải đường bộ, mô hình này cho thấy việc áp dụng rộng rãi các công nghệ hydro trong vận chuyển trong kịch bản ZERO-H.Hoạt động vận chuyển nội địa của Trung Quốc rất tốn năng lượng và là một thách thức đặc biệt khó khăn đối với quá trình khử cacbon.Hydro sạch, đặc biệt là
nguyên liệu cho amoniac, cung cấp một tùy chọn để vận chuyển quá trình khử cacbon.Giải pháp chi phí thấp nhất trong kịch bản ZERO-H dẫn đến tỷ lệ thâm nhập 65% của tàu chạy bằng nhiên liệu amoniac và 12% tàu chạy bằng nhiên liệu hydro vào năm 2060 (Hình 3).Trong kịch bản này, hydro sẽ chiếm trung bình 56% mức tiêu thụ năng lượng cuối cùng của toàn bộ ngành giao thông vận tải vào năm 2060. Chúng tôi cũng lập mô hình sử dụng hydro trong sưởi ấm dân dụng (Phụ lục 6), nhưng việc sử dụng nó không đáng kể và bài viết này tập trung vào sử dụng hydro trong các ngành công nghiệp HTA và vận tải hạng nặng.Tiết kiệm chi phí trung hòa các-bon bằng cách sử dụng hydro sạch Tương lai không phát thải các-bon của Trung Quốc sẽ được đặc trưng bởi sự thống trị về năng lượng tái tạo, với việc loại bỏ dần than đá trong tiêu thụ năng lượng chính (Hình 4).Nhiên liệu phi hóa thạch chiếm 88% hỗn hợp năng lượng sơ cấp vào năm 2050 và 93% vào năm 2060 theo ZERO-H. Gió và mặt trời sẽ cung cấp một nửa mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp vào năm 2060. Trung bình, trên toàn quốc, tỷ lệ hydro sạch trong tổng năng lượng cuối cùng tiêu thụ (TFEC) có thể đạt 13% vào năm 2060. Xem xét tính không đồng nhất của khu vực về năng lực sản xuất trong các ngành công nghiệp chính theo khu vực (Bảng bổ sung 7), có 10 tỉnh có tỷ lệ TFEC hydro cao hơn mức trung bình quốc gia, bao gồm Nội Mông, Phúc Kiến, Sơn Đông và Quảng Đông, được thúc đẩy bởi nguồn năng lượng mặt trời và gió trên bờ và ngoài khơi phong phú và/hoặc nhiều nhu cầu công nghiệp đối với hydro.Trong kịch bản KHÔNG-NH, chi phí đầu tư tích lũy để đạt được mức trung hòa carbon cho đến năm 2060 sẽ là 20,63 nghìn tỷ USD, tương đương 1,58% tổng sản phẩm quốc nội (GDP) cho giai đoạn 2020–2060.Khoản đầu tư bổ sung trung bình hàng năm sẽ vào khoảng 516 tỷ đô la Mỹ mỗi năm.Kết quả này phù hợp với kế hoạch giảm thiểu 15 nghìn tỷ đô la Mỹ của Trung Quốc đến năm 2050, khoản đầu tư mới trung bình hàng năm là 500 tỷ đô la Mỹ (tham khảo 22).Tuy nhiên, việc đưa các lựa chọn hydro sạch vào hệ thống năng lượng và nguyên liệu công nghiệp của Trung Quốc trong kịch bản ZERO-H dẫn đến khoản đầu tư tích lũy thấp hơn đáng kể là 18,91 nghìn tỷ USD vào năm 2060 vàđầu tư sẽ giảm xuống dưới 1% GDP vào năm 2060 (Hình 1).4).Đối với các lĩnh vực HTA, chi phí đầu tư hàng năm vào các lĩnh vực đócác lĩnh vực sẽ vào khoảng 392 tỷ đô la Mỹ mỗi năm trong ZERO-NHkịch bản, phù hợp với dự báo của Năng lượngỦy ban Chuyển đổi (400 tỷ USD) (tham khảo 23).Tuy nhiên, nếu sạch
hydro được kết hợp vào hệ thống năng lượng và nguyên liệu hóa học, kịch bản ZERO-H cho thấy chi phí đầu tư hàng năm vào các lĩnh vực HTA có thể giảm xuống còn 359 tỷ USD, chủ yếu bằng cách giảm sự phụ thuộc vào CCUS hoặc NET tốn kém.Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng việc sử dụng hydro sạch có thể tiết kiệm 1,72 nghìn tỷ đô la Mỹ chi phí đầu tư và tránh tổn thất 0,13% trong tổng GDP (2020–2060) so với con đường không có hydro cho đến năm 2060.
7
Hình 3 |Thâm nhập công nghệ trong các lĩnh vực HTA điển hình.Kết quả theo các kịch bản BAU, NDC, ZERO-NH và ZERO-H (2020–2060).Trong mỗi năm quan trọng, mức độ thâm nhập công nghệ cụ thể trong các lĩnh vực khác nhau được thể hiện bằng các thanh màu, trong đó mỗi thanh là tỷ lệ phần trăm mức độ thâm nhập lên tới 100% (đối với mạng được tô bóng hoàn toàn).Các công nghệ được phân loại thêm theo các loại khác nhau (được hiển thị trong truyền thuyết).CNG, khí thiên nhiên nén;LPG, khí dầu mỏ lỏng;LNG, khí thiên nhiên lỏng;w/wo, có hoặc không có;EAF, lò điện hồ quang;NSP, quy trình sấy sơ bộ hệ thống treo mới;WHR, thu hồi nhiệt thải.

Thời gian đăng: 13-03-2023
Bạn đang tìm kiếm thêm thông tin về các sản phẩm và giải pháp năng lượng chuyên nghiệp của DET Power?Chúng tôi có một đội ngũ chuyên gia sẵn sàng giúp đỡ bạn luôn.Vui lòng điền vào biểu mẫu và đại diện bán hàng của chúng tôi sẽ liên hệ với bạn ngay.