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

Rompere il collo di bottiglia difficile da abbattere nel percorso della Cina verso la neutralità del carbonio con l'idrogeno pulito

Paesi come la Cina stanno affrontando un collo di bottiglia nei loro percorsi verso la neutralità del carbonio: abbattere le emissioni nelle industrie pesanti e nei trasporti pesanti.Esistono pochi studi approfonditi sul ruolo prospettico dell'idrogeno pulito in questi settori "difficili da abbattere" (HTA).Qui svolgiamo un'analisi di modellazione dinamica integrata del minimo costo.I risultati mostrano che, in primo luogo, l'idrogeno pulito può essere sia un importante vettore energetico che una materia prima in grado di ridurre significativamente le emissioni di carbonio dell'industria pesante.Può anche alimentare fino al 50% delle flotte di autocarri e autobus cinesi entro il 2060 e quote significative di trasporto marittimo.In secondo luogo, uno scenario realistico di idrogeno pulito che raggiunga 65,7 Mt di produzione nel 2060 potrebbe evitare 1,72 trilioni di dollari di nuovi investimenti rispetto a uno scenario senza idrogeno.Questo studio fornisce la prova del valore dell'idrogeno pulito nei settori HTA per la Cina e per i paesi che affrontano sfide simili nella riduzione delle emissioni per raggiungere obiettivi net-zero.

Raggiungere la neutralità del carbonio è una missione globale urgente, ma non esiste un percorso unico per le principali nazioni emittenti per raggiungere questo obiettivo1,2.I Paesi più sviluppati, come gli Stati Uniti e quelli europei, stanno perseguendo strategie di decarbonizzazione focalizzate in particolare su grandi flotte di veicoli leggeri (LDV), produzione di energia elettrica, produzione ed edilizia commerciale e residenziale, quattro settori che insieme rappresentano la stragrande maggioranza delle loro emissioni di carbonio3,4.I principali paesi in via di sviluppo, come la Cina, al contrario, hanno economie e strutture energetiche molto diverse, che richiedono diverse priorità di decarbonizzazione non solo in termini settoriali ma anche nell'implementazione strategica delle tecnologie emergenti a zero emissioni di carbonio.

Le principali distinzioni del profilo delle emissioni di carbonio della Cina rispetto a quelle delle economie occidentali sono quote di emissione molto maggiori per le industrie pesanti e frazioni molto più piccole per i LDV e il consumo di energia negli edifici (Fig. 1).La Cina è di gran lunga la prima al mondo in termini di produzione di cemento, ferro e acciaio, prodotti chimici e materiali da costruzione, consumando enormi quantità di carbone per il riscaldamento industriale e produzione di coke.L'industria pesante contribuisce per il 31% alle attuali emissioni totali della Cina, una quota superiore dell'8% alla media mondiale (23%), del 17% superiore a quella degli Stati Uniti (14%) e del 13% superiore a quella dell'Unione Europea (18%) (rif.5).

La Cina si è impegnata a raggiungere il picco delle sue emissioni di carbonio prima del 2030 e a raggiungere la neutralità del carbonio prima del 2060. Questi impegni sul clima hanno ricevuto elogi diffusi, ma hanno anche sollevato interrogativi sulla loro fattibilità6, in parte a causa del ruolo importante di "difficili da abbattere" (HTA) processi nell'economia cinese.Questi processi includono in particolare l'uso di energia nell'industria pesante e nel trasporto pesante che sarà difficile da elettrificare (e quindi passare direttamente all'energia rinnovabile) e i processi industriali ora dipendono dai combustibili fossili per le materie prime chimiche. Ci sono stati alcuni studi recenti1– 3 che studia i percorsi di decarbonizzazione verso la neutralità del carbonio per la pianificazione del sistema energetico globale della Cina, ma con analisi limitate dei settori HTA.A livello internazionale, le potenziali soluzioni di mitigazione per i settori HTA hanno iniziato ad attirare l'attenzione negli ultimi anni7-14.La decarbonizzazione dei settori HTA è impegnativa perché sono difficili da elettrificare completamente e/o a costi contenuti7,8.Åhman ha sottolineato che la dipendenza dal percorso è il problema chiave per i settori HTA e che sono necessarie una visione e una pianificazione a lungo termine per le tecnologie avanzate per "sbloccare" i settori HTA, in particolare le industrie pesanti, dalla dipendenza dai combustibili fossili9.Gli studi hanno esplorato nuovi materiali e soluzioni di mitigazione relativi alla cattura, uso e/o stoccaggio del carbonio (CCUS) e alle tecnologie a emissioni negative (NET)10,11. di almeno uno studio riconosce che dovrebbero essere considerati anche nella pianificazione a lungo termine11.Nel sesto rapporto di valutazione dell'Intergovernmental Panel on Climate Change, recentemente pubblicato, l'uso dell'idrogeno a «basse emissioni» è stato riconosciuto come una delle principali soluzioni di mitigazione per molteplici settori verso il raggiungimento di un futuro a zero emissioni nette12.

La letteratura esistente sull'idrogeno pulito si concentra in gran parte sulle opzioni tecnologiche di produzione con analisi dei costi dal lato dell'offerta15.(L'idrogeno "pulito" in questo documento include sia l'idrogeno "verde" che quello "blu", il primo prodotto dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando energia rinnovabile, il secondo proveniente da combustibili fossili ma decarbonizzato con CCUS.) La discussione sulla domanda di idrogeno si concentra principalmente sulla il settore dei trasporti nei paesi sviluppati, in particolare i veicoli a celle a combustibile a idrogeno16,17.Le pressioni per la decarbonizzazione delle industrie pesanti sono state inferiori rispetto a quelle per il trasporto su strada, riflettendo i presupposti convenzionali secondo cui l'industria pesante
rimangono particolarmente difficili da abbattere finché non emergono nuove innovazioni tecnologiche.Gli studi sull'idrogeno pulito (soprattutto verde) hanno dimostrato la sua maturità tecnologica e il calo dei costi17, ma sono necessari ulteriori studi che si concentrino sulla dimensione dei mercati potenziali e sui requisiti tecnologici delle industrie per sfruttare la crescita potenziale della fornitura di idrogeno pulito16.Comprendere il potenziale dell'idrogeno pulito per far progredire la neutralità carbonica globale sarà intrinsecamente distorto se le analisi saranno limitate principalmente ai costi della sua produzione, al suo consumo da parte dei soli settori favoriti e alla sua applicazione nelle economie sviluppate. La letteratura esistente sull'idrogeno pulito è incentrata in gran parte sulle opzioni tecnologiche di produzione con analisi dei costi dal lato dell'offerta15.(L'idrogeno "pulito" in questo documento include sia l'idrogeno "verde" che quello "blu", il primo prodotto dall'elettrolisi dell'acqua utilizzando energia rinnovabile, il secondo proveniente da combustibili fossili ma decarbonizzato con CCUS.) La discussione sulla domanda di idrogeno si concentra principalmente sulla il settore dei trasporti nei paesi sviluppati, in particolare i veicoli a celle a combustibile a idrogeno16,17.Le pressioni per la decarbonizzazione delle industrie pesanti sono rimaste indietro rispetto a quelle per il trasporto su strada, riflettendo i presupposti convenzionali secondo cui l'industria pesante rimarrà particolarmente difficile da abbattere fino a quando non emergeranno nuove innovazioni tecnologiche.Gli studi sull'idrogeno pulito (soprattutto verde) hanno dimostrato la sua maturità tecnologica e il calo dei costi17, ma sono necessari ulteriori studi che si concentrino sulla dimensione dei mercati potenziali e sui requisiti tecnologici delle industrie per sfruttare la crescita potenziale della fornitura di idrogeno pulito16.Comprendere il potenziale dell'idrogeno pulito per far progredire la neutralità carbonica globale sarà intrinsecamente distorto se le analisi si limitano principalmente ai costi della sua produzione, al suo consumo solo da parte dei settori favoriti e alla sua applicazione nelle economie sviluppate.

La valutazione delle opportunità per l'idrogeno pulito dipende dalla rivalutazione delle sue potenziali richieste come combustibile alternativo e materia prima chimica nell'intero sistema energetico e nell'economia, compresa la considerazione delle diverse circostanze nazionali.Ad oggi non esiste uno studio così completo sul ruolo dell'idrogeno pulito nel futuro net-zero della Cina.Colmare questa lacuna nella ricerca contribuirà a tracciare una tabella di marcia più chiara per la riduzione delle emissioni di CO2 della Cina, consentirà la valutazione della fattibilità dei suoi impegni di decarbonizzazione del 2030 e del 2060 e fornirà una guida per altre economie in via di sviluppo in crescita con grandi settori dell'industria pesante.

Figura 1 |Emissioni di carbonio dei paesi chiave e meccanismo analitico per l'idrogeno nel sistema energetico.a, le emissioni di carbonio della Cina nel 2019 rispetto a Stati Uniti, Europa, Giappone e India, per carburante.Nel 2019, la combustione del carbone ha assorbito la quota maggiore delle emissioni di carbonio in Cina (79,62%) e India (70,52%) e la combustione del petrolio ha contribuito maggiormente alle emissioni di carbonio negli Stati Uniti (41,98%) e in Europa (41,27%).b, le emissioni di carbonio della Cina nel 2019 rispetto a Stati Uniti, Europa, Giappone e India, per settore.Le emissioni sono visualizzate a sinistra e la proporzione a destra in a e b.La percentuale di emissioni di carbonio dell'industria in Cina (28,10%) e India (24,75%) è stata molto superiore a quella degli Stati Uniti (9,26%) e dell'Europa (13,91%) nel 2019. c, Percorso tecnico con tecnologie dell'idrogeno applicate in i settori HTA.SMR, reforming del metano a vapore;Elettrolisi PEM, elettrolisi a membrana elettrolitica polimerica;Processo PEC, processo fotoelettrochimico.

Questo studio cerca di rispondere a tre interrogativi chiave.In primo luogo, quali sono le sfide chiave per la decarbonizzazione dei settori HTA nei paesi in via di sviluppo come la Cina, distinte da quelle dei paesi sviluppati?Le attuali tecnologie di mitigazione nei settori HTA (in particolare l'industria pesante) sono sufficientemente efficaci per raggiungere la neutralità carbonica della Cina entro il 2060?In secondo luogo, quali sono i ruoli potenziali dell'idrogeno pulito sia come vettore energetico che come materia prima nei settori HTA, specialmente in Cina e in altri paesi in via di sviluppo che hanno appena iniziato ad accedere alla sua potenziale produzione e utilizzo?Infine, basato sull'ottimizzazione dinamica dell'intero sistema energetico cinese

tem, l'applicazione diffusa dell'idrogeno pulito nei settori HTA sarebbe conveniente rispetto ad altre opzioni?

Qui costruiamo un modello di un sistema energetico integrato che includa sia l'offerta che la domanda tra i settori per analizzare il potenziale rapporto costo-efficacia e i ruoli dell'idrogeno pulito nell'intera economia cinese, con enfasi sui settori HTA poco studiati (Fig. 1c).

Tempo di pubblicazione: mar-03-2023