I risultati dell'analisi mostrano che è improbabile che la dipendenza dal miglioramento dell'efficienza energetica combinata con CCUS e NET sia un percorso conveniente per una profonda decarbonizzazione dei settori HTA cinesi, in particolare delle industrie pesanti.Più specificamente, l'applicazione diffusa dell'idrogeno pulito nei settori HTA può aiutare la Cina a raggiungere la neutralità del carbonio in modo conveniente rispetto a uno scenario senza produzione e utilizzo di idrogeno pulito.I risultati forniscono una solida guida per il percorso di decarbonizzazione HTA della Cina e un prezioso riferimento per altri paesi che affrontano sfide simili.
Decarbonizzazione dei settori industriali HTA con idrogeno pulito
Effettuiamo un'ottimizzazione integrata a minor costo dei percorsi di mitigazione verso la neutralità del carbonio per la Cina nel 2060. Nella Tabella 1 sono definiti quattro scenari di modellazione: business as usual (BAU), contributi determinati a livello nazionale della Cina ai sensi dell'accordo di Parigi (NDC), net- zero emissioni con applicazioni senza idrogeno (ZERO-NH) e zero emissioni nette con idrogeno pulito (ZERO-H).I settori HTA in questo studio includono la produzione industriale di cemento, ferro e acciaio e prodotti chimici chiave (tra cui ammoniaca, soda e soda caustica) e trasporti pesanti, inclusi autotrasporti e spedizioni nazionali.I dettagli completi sono forniti nella sezione Metodi e nelle Note supplementari 1–5.Per quanto riguarda il settore siderurgico, la quota dominante della produzione esistente in Cina (89,6%) è rappresentata dal processo di base dell'altoforno ad ossigeno, una sfida chiave per la profonda decarbonizzazione di questo
industria.Il processo con forno ad arco elettrico rappresentava solo il 10,4% della produzione totale in Cina nel 2019, ovvero il 17,5% in meno rispetto alla quota media mondiale e il 59,3% in meno rispetto a quella degli Stati Uniti18.Abbiamo analizzato 60 tecnologie chiave di mitigazione delle emissioni di produzione di acciaio nel modello e le abbiamo classificate in sei categorie (Fig. 2a): miglioramento dell'efficienza dei materiali, prestazioni tecnologiche avanzate, elettrificazione, CCUS, idrogeno verde e idrogeno blu (Tabella supplementare 1).Il confronto delle ottimizzazioni dei costi di sistema di ZERO-H con gli scenari NDC e ZERO-NH mostra che l'inclusione di opzioni di idrogeno pulito produrrebbe una notevole riduzione del carbonio grazie all'introduzione di processi di riduzione diretta dell'idrogeno del ferro (idrogeno-DRI).Si noti che l'idrogeno può servire non solo come fonte di energia nella produzione dell'acciaio, ma anche come agente riducente per l'abbattimento del carbonio su base supplementare nel processo Altoforno-Forno ad ossigeno di base (BF-BOF) e al 100% nel percorso idrogeno-DRI.Sotto ZERO-H, la quota di BF-BOF sarebbe ridotta al 34% nel 2060, con il 45% di forno ad arco elettrico e il 21% di idrogeno-DRI, e l'idrogeno pulito fornirebbe il 29% della domanda totale di energia finale nel settore.Con il prezzo di rete per l'energia solare ed eolica previstoscendere a US $ 38-40 MWh−1 nel 205019, il costo dell'idrogeno verde
anch'essa diminuirà e il percorso 100% idrogeno-DRI potrebbe svolgere un ruolo più importante di quanto precedentemente riconosciuto.Per quanto riguarda la produzione di cemento, il modello include 47 tecnologie chiave di mitigazione attraverso i processi di produzione classificati in sei categorie (tabelle supplementari 2 e 3): efficienza energetica, combustibili alternativi, riduzione del rapporto clinker-cemento, CCUS, idrogeno verde e idrogeno blu ( figura 2b).I risultati mostrano che le migliori tecnologie di efficienza energetica possono ridurre solo l'8-10% delle emissioni totali di CO2 nel settore del cemento, e le tecnologie di cogenerazione a calore residuo e ossicombustibile avranno un effetto di mitigazione limitato (4-8%).Le tecnologie per ridurre il rapporto clinker-cemento possono produrre una mitigazione del carbonio relativamente elevata (50-70%), includendo principalmente materie prime decarbonizzate per la produzione di clinker utilizzando loppa d'altoforno granulata, sebbene i critici si chiedano se il cemento risultante manterrà le sue qualità essenziali.Ma i risultati attuali indicano che l'utilizzo dell'idrogeno insieme a CCUS potrebbe aiutare il settore del cemento a raggiungere emissioni di CO2 prossime allo zero nel 2060.
Nello scenario ZERO-H, 20 tecnologie basate sull'idrogeno (delle 47 tecnologie di mitigazione) entrano in gioco nella produzione di cemento.Scopriamo che il costo medio di abbattimento del carbonio delle tecnologie dell'idrogeno è inferiore rispetto ai tipici approcci CCUS e di commutazione del carburante (Fig. 2b).Inoltre, si prevede che l'idrogeno verde sarà più economico dell'idrogeno blu dopo il 2030, come discusso in dettaglio di seguito, a circa US $ 0,7–US $ 1,6 kg−1 H2 (rif. 20), portando significative riduzioni di CO2 nella fornitura di calore industriale nella produzione di cemento .I risultati attuali mostrano che può ridurre l'89–95% della CO2 dal processo di riscaldamento nell'industria cinese (Fig. 2b, tecnologie
28–47), che è coerente con la stima dell'Hydrogen Council dell'84–92% (rif. 21).Le emissioni di CO2 del processo clinker devono essere abbattute da CCUS sia in ZERO-H che in ZERO-NH.Simuliamo anche l'uso dell'idrogeno come materia prima nella produzione di ammoniaca, metano, metanolo e altri prodotti chimici elencati nella descrizione del modello.Nello scenario ZERO-H, la produzione di ammoniaca a base di gas con calore da idrogeno guadagnerà una quota del 20% della produzione totale nel 2060 (Fig. 3 e Tabella Supplementare 4).Il modello include quattro tipi di tecnologie di produzione di metanolo: da carbone a metanolo (CTM), da gas di coke a metanolo (CGTM), da gas naturale a metanolo (NTM) e da CGTM/NTM con calore a idrogeno.Nello scenario ZERO-H, CGTM/NTM con calore da idrogeno può raggiungere una quota di produzione del 21% nel 2060 (Fig. 3).I prodotti chimici sono anche potenziali vettori energetici dell'idrogeno.Sulla base della nostra analisi integrata, entro il 2060 l'idrogeno può rappresentare il 17% del consumo finale di energia per la fornitura di calore nell'industria chimica. Insieme alla bioenergia (18%) e all'elettricità (32%), l'idrogeno ha un ruolo importante da svolgere nella 
decarbonizzazione dell'industria chimica HTA cinese (Fig. 4a).
Figura 2 |Potenziale di mitigazione del carbonio e costi di abbattimento delle principali tecnologie di mitigazione.a, Sei categorie di 60 tecnologie chiave di mitigazione delle emissioni siderurgiche.b, Sei categorie di 47 tecnologie chiave per la mitigazione delle emissioni di cemento.Le tecnologie sono elencate per numero, con le definizioni corrispondenti incluse nella tabella supplementare 1 per a e nella tabella supplementare 2 per b.I livelli di prontezza tecnologica (TRL) di ciascuna tecnologia sono contrassegnati: TRL3, concetto;TRL4, piccolo prototipo;TRL5, prototipo di grandi dimensioni;TRL6, prototipo completo su larga scala;TRL7, dimostrazione pre-commerciale;TRL8, dimostrazione;TRL10, adozione anticipata;TRL11, maturo.
Decarbonizzazione delle modalità di trasporto HTA con idrogeno pulito Sulla base dei risultati dei modelli, l'idrogeno ha anche un grande potenziale per decarbonizzare il settore dei trasporti cinese, anche se ci vorrà del tempo.Oltre ai LDV, altre modalità di trasporto analizzate nel modello includono flotte di autobus, camion (leggeri/piccoli/medi/pesanti), spedizioni nazionali e ferrovie, che coprono la maggior parte dei trasporti in Cina.Per gli LDV, i veicoli elettrici cercano di rimanere competitivi in termini di costi in futuro.In ZERO-H, la penetrazione delle celle a combustibile a idrogeno (HFC) nel mercato LDV raggiungerà solo il 5% nel 2060 (Fig. 3).Per gli autobus della flotta, tuttavia, gli autobus HFC saranno più competitivi in termini di costi rispetto alle alternative elettriche nel 2045 e costituiranno il 61% della flotta totale nel 2060 nello scenario ZERO-H, con il resto elettrico (Fig. 3).Per quanto riguarda i camion, i risultati variano in base alla velocità di carico.La propulsione elettrica guiderà più della metà della flotta totale di autocarri leggeri entro il 2035 in ZERO-NH.Ma in ZERO-H, i camion leggeri HFC saranno più competitivi dei camion leggeri elettrici entro il 2035 e rappresenteranno il 53% del mercato entro il 2060. Per quanto riguarda i camion pesanti, i camion pesanti HFC raggiungerebbero il 66% del mercato nel 2060 nello scenario ZERO-H.Gli HDV (veicoli pesanti) diesel/bio-diesel/CNG (gas naturale compresso) abbandoneranno il mercato dopo il 2050 in entrambi gli scenari ZERO-NH e ZERO-H (Fig. 3).I veicoli HFC hanno un ulteriore vantaggio rispetto ai veicoli elettrici nelle loro migliori prestazioni in condizioni di freddo, importante nella Cina settentrionale e occidentale.Oltre al trasporto su strada, il modello mostra l'adozione diffusa delle tecnologie dell'idrogeno nel trasporto marittimo nello scenario ZERO-H.Il trasporto marittimo interno cinese è ad alta intensità energetica e rappresenta una sfida di decarbonizzazione particolarmente difficile.Idrogeno pulito, specialmente come a
materia prima per l'ammoniaca, offre un'opzione per la decarbonizzazione della spedizione.La soluzione meno costosa nello scenario ZERO-H si traduce in una penetrazione del 65% di navi alimentate ad ammoniaca e del 12% di navi alimentate a idrogeno nel 2060 (Fig. 3).In questo scenario, l'idrogeno rappresenterà in media il 56% del consumo finale di energia dell'intero settore dei trasporti nel 2060. Abbiamo anche modellato l'uso dell'idrogeno nel riscaldamento residenziale (Nota integrativa 6), ma la sua adozione è trascurabile e questo documento si concentra su l'uso dell'idrogeno nelle industrie HTA e nei trasporti pesanti.Risparmio sui costi della neutralità del carbonio utilizzando l'idrogeno pulito Il futuro della Cina a zero emissioni di carbonio sarà caratterizzato dal predominio dell'energia rinnovabile, con una graduale eliminazione del carbone nel suo consumo di energia primaria (Fig. 4).I combustibili non fossili costituiscono l'88% del mix energetico primario nel 2050 e il 93% nel 2060 a ZERO-H. Eolico e solare forniranno la metà del consumo di energia primaria nel 2060. In media, a livello nazionale, la quota di idrogeno pulito sull'energia finale totale consumo (TFEC) potrebbe raggiungere il 13% nel 2060. Considerando l'eterogeneità regionale delle capacità produttive nelle industrie chiave per regione (Tabella supplementare 7), ci sono dieci province con quote di idrogeno di TFEC superiori alla media nazionale, tra cui Mongolia Interna, Fujian, Shandong e Guangdong, trainato da ricche risorse solari ed eoliche onshore e offshore e/o da molteplici richieste industriali di idrogeno.Nello scenario ZERO-NH, il costo di investimento cumulativo per raggiungere la neutralità del carbonio fino al 2060 sarebbe di $ 20,63 trilioni, ovvero l'1,58% del prodotto interno lordo (PIL) aggregato per il 2020-2060.L'investimento aggiuntivo medio su base annua sarebbe di circa 516 miliardi di dollari USA all'anno.Questo risultato è coerente con il piano di mitigazione della Cina da 15 trilioni di dollari fino al 2050, un nuovo investimento medio annuo di 500 miliardi di dollari (rif. 22).Tuttavia, l'introduzione di opzioni di idrogeno pulito nel sistema energetico cinese e nelle materie prime industriali nello scenario ZERO-H comporta un investimento cumulativo significativamente inferiore di 18,91 trilioni di dollari entro il 2060 e l'annualegli investimenti si ridurrebbero a meno dell'1% del PIL nel 2060 (Fig.4).Per quanto riguarda i settori HTA, il costo di investimento annuale in quellisettori sarebbe di circa 392 miliardi di dollari all'anno nello ZERO-NHscenario, che è coerente con la proiezione dell'energiaCommissione di transizione (400 miliardi di dollari USA) (rif. 23).Tuttavia, se pulito
l'idrogeno è incorporato nel sistema energetico e nelle materie prime chimiche, lo scenario ZERO-H indica che il costo di investimento annuale nei settori HTA potrebbe essere ridotto a 359 miliardi di dollari, principalmente riducendo la dipendenza da costosi CCUS o NET.I nostri risultati suggeriscono che l'uso di idrogeno pulito può far risparmiare 1,72 trilioni di dollari in costi di investimento ed evitare una perdita dello 0,13% del PIL aggregato (2020-2060) rispetto a un percorso senza idrogeno fino al 2060.
Figura 3 |Penetrazione tecnologica nei settori tipici dell'HTA.Risultati negli scenari BAU, NDC, ZERO-NH e ZERO-H (2020–2060).In ogni anno cardine, la specifica penetrazione della tecnologia nei diversi settori è mostrata dalle barre colorate, dove ogni barra rappresenta una percentuale di penetrazione fino al 100% (per un reticolo completamente ombreggiato).Le tecnologie sono ulteriormente classificate per diverse tipologie (mostrate nelle legende).CNG, gas naturale compresso;GPL, gas di petrolio liquefatto;GNL, gas naturale liquido;w/wo, con o senza;EAF, forno elettrico ad arco;NSP, nuovo processo a secco con preriscaldatore delle sospensioni;WHR, recupero del calore residuo.
Tempo di pubblicazione: 13 marzo 2023
