《自然·能源》：用清洁氢打破中国实现碳中和瓶颈（附下载）
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摘要：
中国等一些国家在实现碳中和的道路上面临着瓶颈: 减少重工业和重型运输的排放。对于清洁氢在这些“难以减排”(HTA)领域的潜在作用，目前还很少有深入的研究。此研究进行了综合动态最小成本建模分析，结果表明清洁氢既可以作为主要能源载体，又可以作为显著降低重工业碳排放的原料；到2060年，它可以为中国50%的重型卡车和公共汽车提供燃料，并在航运业占有相当大的份额。其次，与不使用氢的情况相比，在2060年达到6570万吨清洁氢产量的现实情况下，可减少1.72万亿美元的投资成本。本研究为中国和其他在实现净零排放目标面临类似挑战的国家，提供了清洁氢在HTA行业应用的重要证据。
研究背景：
实现碳中和是一项紧迫的全球使命，但主要排放国无法通过“一刀切”的途径来实现这一目标。大多数发达国家正在推行脱碳战略，特别是大型轻型车辆（LDV）、发电、制造业以及商业和住宅建筑，这四个部门占碳排放总量的很大一部分。相比之下，中国等主要发展中国家的经济和能源结构截然不同，不仅在产业部门方面，在新兴零碳技术的战略部署方面，也需要不同的脱碳优先事项。与西方发达经济体相比，中国碳排放情况的不同主要在于重工业的排放份额大得多，而大型轻型车辆（LDV）和建筑物能源使用的排放量要小得多（图1）。中国承诺在2030年前碳达峰，并在2060年前实现碳中和。这些气候承诺赢得了广泛的赞誉，但也引发了对其可行性的质疑。部分原因是“难以减排”（HTA）领域在中国经济中的重要作用。
图1. 重点国家碳排放及能源系统氢气分析机制
a. 按燃料计算，中国2019年碳排放量与美国、欧洲、日本和印度的比较。2019年，煤炭燃烧在中国（79.62%）和印度（70.52%）的碳排放量中所占比例最大，石油燃烧在美国（41.98%）和欧洲（41.27%）的碳排放贡献中最大。b. 按行业划分，中国2019年碳排放量与美国、欧洲、日本和印度的比较。排放量显示在图a和图b的左侧，比例显示在右侧。2019年，中国（28.10%）和印度（24.75%）的工业碳排放比例远高于美国（9.26%）和欧洲（13.91%）。c. 技术应用于HTA部门的途径。SMR为蒸汽甲烷重整；PEM为聚合物电解质膜电解；PEC工艺为光电化学工艺。
结果：
1. 使用清洁氢气对HTA工业部门进行脱氮
这项研究对2060年中国实现碳中和的路径进行了综合低成本优化。分别定义了四种建模情景：常规模式（BAU），中国在巴黎协定下的国家自主贡献模式（NDC），无氢净零排放模式（ZERO-NH）和清洁氢净零排放模式（ZERO-H）。分析了模型中的60种关键炼钢减排技术，并将其分为六类（图2a）：材料效率提高、先进技术性能、电气化、CCUS、绿色氢和蓝色氢。
在ZERO-H下，到2060年，BF-BOF的份额将降至34%。其中，45%的电弧炉和21%的氢-直接还原铁，清洁氢气将供应该行业最终能源需求的29%。太阳能和风能的上网价格预计将降至38-40/兆瓦时。到2050年，绿氢的成本也将下降，100%氢气-DRI路线可能比以前认识到的更加重要。
关于水泥生产，该模型包括生产过程中的47种关键缓解技术，分为六类：能源效率、替代燃料、降低熟料与水泥的比例、CCUS、绿氢和蓝氢（图2b）。结果表明，改进的能效技术只能减少水泥行业一氧化碳排放总量的8-10%，废热联产和富氧燃料技术将产生有限的缓解效果（4-8%）。降低熟料与水泥比率的技术可以产生相对较高的碳减排（50-70%），主要包括使用颗粒状高炉炉渣生产熟料的脱碳原料。目前的结果表明，利用氢气和CCUS可以帮助水泥行业在2060年实现接近零的二氧化碳排放。
在ZERO-H情景中，20种氢基技术（47种缓解技术）在水泥生产中发挥作用，氢技术的平均碳减排成本低于典型的CCUS和燃料转换方法下的成本（图2b）。目前的研究结果表明，它可以减少89-95%来自中国工业加热过程的一氧化碳排放（图2b）。
a. 六大类60项关键炼钢减排技术
b. 六大类47项关键水泥减排技术
图2. 关键减缓技术的碳减排潜力和减排成本
2. 使用清洁氢气对HTA运输模式进行脱碳
根据建模结果，氢气应用到中国运输部门脱碳的潜力巨大。除LDV外，模型中分析的其他运输方式包括公共汽车、卡车、国内航运和铁路，涵盖了中国大多数运输。对于LDV而言，电动汽车在未来有望保持成本竞争力。在ZERO-H情景下，到2060年，LDV市场的氢燃料电池（HFC）渗透率将仅达到5%（图3）。对于公交车，到2045年，HFC公交车将比电动公交车更具成本优势，（在ZERO-H情景中）2060年将占车队总量的61%（图3）。至于卡车，结果因装载率而异。到2035年，电力推进将驱动零NH轻型卡车占车队总数的一半以上。但在ZERO-H情景中，到2035年，HFC轻型卡车将比电动轻型卡车更具竞争力，到2060年将占市场总份额的53%。关于重型卡车，在ZERO-H情景下，到2060年，HFC重型卡车将达到66%的市场份额。柴油/生物柴油/CNG（压缩天然气）HDV（重型车辆）将在2050年后在ZERO-NH和ZERO-H情景中退出市场（图3）。与电动汽车相比，HFC汽车在寒冷条件下具有更好的性能，这在中国北方和西部非常重要。
除公路运输外，该模型还显示了在ZERO-H情景下氢气技术在航运中的广泛采用。清洁的氢气，特别是作为氨的原料，为运输脱碳提供了一种选择。在ZERO-H情景中，成本最低的解决方案使得2060年氨燃料船舶的渗透率达到65%，氢燃料船舶的渗透率达到12%（图3）。在这种情况下，到2060年，氢气平均约占整个运输部门最终能源消耗的56%。
图3. 典型HTA行业的技术渗透率
3. 使用清洁氢可以节省碳中和的成本
未来，中国的碳中和将以可再生能源为特征，在一次能源消费中逐步淘汰煤炭（图4）。在ZERO-H情景下，非化石燃料占2050年一次能源结构的88%，到2060年占93%。到2060年，风能和太阳能将提供一次能源消耗的一半。平均而言，到2060年，清洁氢在最终能源消费总量（TFEC）中所占的份额可能达到13%。
在ZERO-NH情景中，到2060年实现碳中和的累计投资成本将为20.63万亿美元，占2020-2060年国内生产总值（GDP）的1.58%。然而，在Zero-H情景中，将清洁氢选择性引入中国的能源系统和工业原料，到2060年，累计投资将大幅减少18.91万亿美元，年度投资将降至GDP的1%以下（图4）。关于HTA部门，在ZERO-NH情景中，如果将清洁氢纳入能源系统和化学原料，HTA部门的年度投资成本可以降至3590亿美元，主要是通过减少对昂贵的CCUS或NET的依赖。研究结果表明，与到2060年没有氢气的路径相比，使用清洁氢可以节省1.72万亿美元的投资成本，并避免0.13%的GDP总量（2020-2060年）损失。图5a显示了最终用途部门能源消耗中的氢比例，图5b显示了截止至2060年的关键制氢模式。在ZERO-H情景下，副产品氢气将从2030年的0.78 Mt增加到2060年的14.50 Mt。在这种情况下，直到2040年，清洁氢气生产主要由煤中的蓝氢或CCUS的甲烷气化（在大型集中式设施中）主导。绿色氢将在2030年后显著增长，且成本效益不断提高。然而，成本的下降和效率的提高将使固体氧化物电解槽（SOEC）和质子交换膜电解槽的氢气生产随时间推移越来越具有竞争力，特别是在大型集中式装置中。到2060年，它们的产量将分别增加到19.36 Mt和18.10 Mt（图5b），占氢气总产量的一半以上（56.9%）。
图4. 未来中国的净零碳排放
4. 绿氢比蓝氢更有优势
如果清洁氢对HTA行业的脱碳很有价值，那么对于像中国这样以化石燃料为主导的国家来说，哪种类型的氢气最具成本竞争力？本研究及其他结果表明，即使在化石燃料占主导地位的中国，在2040年之前绿氢与蓝氢相比也具有成本竞争力。此研究评估了在ZERO-H情景中只允许使用绿氢或蓝氢的影响。如果只允许蓝氢，总投资成本约为19.54万亿美元，比清洁氢（绿氢和蓝氢）情景高出0.63万亿美元。在市场上，有几个因素有利于绿氢发展：（1）中国可再生能源的成本竞争日益激烈。（2）中国可再生能源在地理上是集中的，陆上风能和太阳能集中在北部和西北部，而海上风电集中在东南沿海，绿氢生产、储存和运输具有优势。
图5. 考虑到多种生产技术应用，氢气在关键HTA部门和关键地区的渗透率
5. 灵敏度分析
此研究通过供应侧氢气生产成本和需求侧GDP增长的不同关键因素来评估结果对假设的敏感性，结果见图6。2050年，较高的GDP增长率可能会增加HTA部门的碳排放贡献（图6a）。随着新冠肺炎疫情后绿色复苏的努力，中国更有可能面临HTA部门碳排放量的增加，以及在碳减排上更大的挑战。尽管人们一致认为清洁氢的生产成本将继续下降，不确定性依然存在。即使氢气生产成本增加50%，TFEC的氢气渗透率在2060年仍将保持在10%以上（图6b）。如果这一成本比目前水平下降30%，清洁氢将占TFEC的15.4%，2060年TFEC的份额将达到17.6%，而中心情况下为12.8%（图6b）。
图6. 关键结果的灵敏度分析
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41560-022-01114-6
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来源：气候变化经济学 公众号，文：李玮丽
https://mp.weixin.qq.com/s/UOBc269xBNumuIGz4nXzWQ
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