文献阅读 | 用清洁氢气突破中国碳中和的减排瓶颈

题目

Breaking the hard-to-abate bottleneck in China’s path to carbon neutrality with clean hydrogen

作者

Xi Yang, Chris P. Nielsen, Shaojie Song & Michael B. McElroy 

期刊

Nature Energy

时间

2022年9月

一作

单位

Harvard–China Project on Energy, Economy and Environment, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA, USA

链接

https://www.nature.com/articles/s41560-022-01114-6

研究背景

实现碳中和是一项紧迫的全球任务，但对于主要排放国来说，没有 "放之四海而皆准 "的途径来实现这一目标。大多数发达国家，如美国和欧洲国家，正在推行去碳化战略，特别是侧重于大型轻型车辆（LDV）车队、发电、制造业以及商业和住宅建筑，这四个碳排放量占比较高的部门。相比之下，主要的发展中国家排放国，如中国，有非常不同的经济和能源结构，不仅在部门方面，而且在新兴的零碳技术的战略部署方面都有着不同的减碳重点。

与西方经济体相比，中国的碳排放结构的主要区别是重工业的排放占比高得多，而LDV和建筑能耗的比例则低得多（图1）。到目前为止，中国在水泥、钢铁、化工和建筑材料的生产方面位居世界第一，在工业供热和焦炭生产方面消耗了大量的煤炭。重工业占中国目前总排放量的31%，比世界平均水平（23%）高8%，比美国（14%）高17%，比欧盟（18%）高13%。

图1 主要国家的碳排放和能源系统中氢气的分析机制

中国已承诺在2030年前使其碳排放达到峰值，并在2060年前实现碳中和。这些气候承诺赢得了广泛的赞誉，但也引起了对其可行性的质疑，部分原因是“难以减排”（HTA）的过程在中国经济中的主要作用。这些过程主要包括重工业和重型运输行业的能源利用，其很难实现电气化（从而直接过渡到可再生能源），以及目前依赖化石燃料作为化学原料的工业过程。

在国际上，近年来HTA部门的潜在缓解方案已经开始引起关注。HTA部门的去碳化是具有挑战性的，因为它们很难完全电气化并且具有较好的成本效益。研究已经探索了与碳捕获、使用和储存（CCUS）和负排放技术（NETs）有关的新材料和缓解方案。然而，清洁氢气的选择往往没有被包括在内；有研究提出，在长期规划中也应该考虑到清洁氢气。在最近发布的政府间气候变化专门委员会第六次评估报告中，使用 "低排放 "的氢气被认为是实现未来净零排放的多个部门的关键减排方案之一。

研究方法

文章建立了一个自底而上的能源技术优化模型China-MAPLE（Multi-Abatement Planning and Long-term Energy system optimization in China）进行最小成本建模分析，包括各部门的能源供应和需求，以分析清洁氢气在中国社会经济发展进程中的预期成本效益和作用，重点是研究HTA部门（图1c）。

表1中定义了四种模拟情景：基准情景（BAU）、国家自主贡献情景（NDC）、无氢应用的净零排放（ZERO-NH）和清洁氢气的净零排放（ZERO-H）。本研究中的HTA部门包括水泥、钢铁和主要化学品（包括氨、纯碱和烧碱）的工业生产以及重型运输，包括卡车运输和国内航运。

表1 研究情景设置（2020年—2060年）

研究结果

利用清洁氢气使HTA工业部门脱碳

这部分的分析主要集中在水泥、钢铁、化工产品三大高碳行业。对钢铁部门的分析表明，由于引入了氢气-直接还原铁（hydrogen-DRI）工艺，清洁氢气情景下将产生明显的碳减排效果。除此之外，氢气不仅可以作为炼钢的能源，还可以在高炉-转炉（BF-BOF）工艺中作为补充的减碳剂，在氢气-DRI路线中作为减碳剂的比例则是100%。根据ZERO-H情景，2060年BF-BOF的份额将减少到34%，电弧炉占45%，氢气-直接还原铁占21%，清洁氢气将供应该部门最终能源总需求的29%。

关于水泥生产，该模型包括了47项关键的缓解技术，贯穿于各生产环节，分为六大类：能源效率、替代燃料、降低熟料水泥比、CCUS、绿氢和蓝氢。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。

文章也模拟了在生产氨、甲烷、甲醇和模型描述中所列的其他化学品时使用氢气作为原料。根据文章的综合分析，到2060年，氢气可以占到化学工业供热的最终能源消耗的17%。与生物能源（18%）和电力（32%）一起，氢气在中国HTA化工行业的去碳化中可以发挥重要作用（图4a）。

图2  关键减排技术的碳减排潜力和减排成本

用清洁氢气使HTA运输模式脱碳

文章发现长时间尺度下氢气也有很大的潜力使中国的交通部门脱碳。除了LDV，模型中分析的其他运输模式包括车队巴士、卡车（轻型/小型/中型/重型）、国内航运和铁路，涵盖了中国的大多数运输。对于LDV来说，电动车在未来仍然具有成本竞争力。在ZERO-H中，氢燃料电池（HFC）在LDV市场的渗透率在2060年将只达到5%（图3）。然而，对于车队的公共汽车，在2045年，氢燃料电池公共汽车将比电动汽车更具成本竞争力，在ZERO-H情景下，2060年占总车队的61%，其余为电动汽车（图3）。至于卡车，其结果因具体的负载率而异。

到2035年，在ZERO-NH情景下，电力推进将驱动超过一半的轻型卡车车队。但在ZERO-H情景下，到2035年，氢燃料电池轻型卡车将比电动轻型卡车更具竞争力，到2060年将占市场的53%。关于重型卡车，在ZERO-H情景下，氢燃料电池重型卡车将在2060年达到66%的市场。柴油/生物柴油/CNG（压缩天然气）HDVs（重型车辆）在ZERO-NH和ZERO-H情景下都将在2050年后退出市场（图3）。与电动汽车相比，氢燃料电池汽车的另一个优势是在寒冷条件下有更好的表现，这在中国北方和西部很重要。

除公路运输外，模型显示在ZERO-H情景下，氢气技术在航运中得到了广泛的应用。中国的国内航运是能源密集型行业，实现去碳化十分困难。清洁氢气，特别是作为氨的原料，为航运业的去碳化提供了一个选择。在ZERO-H情景下，最低成本的解决方案导致2060年以氨为燃料的船舶普及率为65%，以氢为燃料的船舶普及率为12%（图3）。在这种情况下，氢气将在2060年占整个运输部门最终能源消耗的平均56%。研究还模拟了氢气在住宅供暖中的使用，但其采用情况可以忽略不计，本文主要讨论氢气在HTA行业和重型运输中的使用。

图3  技术在典型的HTA部门的渗透率

使用清洁氢气节约碳中和成本

在ZERO-NH情景下，到2060年实现碳中和的累计投资成本为20.63万亿美元，或占2020-2060年国内生产总值（GDP）总量的1.58%。按年度计算，平均每年的额外投资约为5160亿美元。这一结果与中国到2050年的15万亿美元减排计划相一致，平均每年新增投资5000亿美元。然而，在ZERO-H情景下，将清洁氢气选项引入中国的能源系统和工业原料，到2060年，累计投资额将大大降低，为18.91万亿美元，而每年的投资额将减少到2060年GDP的1%以下。关于HTA部门，在ZERO-NH情景下，这些部门的年度投资成本将约为3920亿美元，这与能源过渡委员会的预测（4000亿美元）一致。然而，如果清洁氢气被纳入能源系统和化学原料中，ZERO-H表明HTA部门的年度投资成本可以减少到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年没有氢气的途径相比，使用清洁氢气可以节省1.72万亿美元的投资成本，避免0.13%的总GDP损失（2020-2060）。

图4 中国未来净零碳排放展望

绿氢相较于蓝氢的优势

研究进一步评估了在ZERO-H情景下只允许绿氢气或蓝氢的影响。如果只允许蓝氢，总的投资成本将达到19.54万亿美元，比清洁氢气（绿氢和蓝氢）方案高0.63万亿美元。有几个因素有利于绿氢进入市场。

首先，中国可再生能源的成本越来越具有竞争力。如果电解器可以直接使用没有附加成本的风能和太阳能，而不是电网电力，总成本将更低。第二，中国的可再生资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，而海上风能则集中在东南沿海地区。当所需的电解基础设施也能集中时，绿氢的生产、储存和运输就有优势，也就是说，制氢产业在可再生资源丰富的地区共建，与更加分散的氢气生产系统相比，将进一步降低了总成本。这一结果也解决了人们的担忧，即如果中国追求使用清洁氢气，较低成本的蓝氢可能将中国锁定在另一轮化石燃料投资中。从减排潜力和成本的角度来看，绿氢似乎是中国最有力的选择，是长期清洁氢气去碳化战略的核心。

图5  考虑到应用的多种生产技术，氢气在关键HTA部门和关键地区的渗透率。

讨论与研究结论

在综合建模分析的基础上，文章认为清洁氢气可以为中国广泛的HTA应用提供一个具有成本效益的脱碳途径选择，帮助中国实现2060年碳中和目标。研究还考虑了包括不同类型清洁氢气对实现国家碳中和目标的能源系统总成本的影响。

从长远来看，中国通过更多地使用清洁氢气使HTA部门脱碳的速度和成本可能会受到目前处于早期开发阶段的新技术创新的影响。如果中国制定类似美国和欧洲的科学研究计划推动了清洁氢气生产和使用方面技术突破，这将会超过研究模型的学习曲线假设，可以想象研究所提出的零碳方案会被超越。 

这项动态研究侧重于中国从现在到2060年的HTA部门的能源转型，为中国和世界的其他研究提供了一个关于如何实现本世纪中期碳中和的长期视角。在一个净零排放的未来，能源系统将由可再生资源主导。绿氢提供了一个可以间接地扩大可再生能源规模的机会，并可以加速其装机占比的增长。中国拥有丰富的可再生资源，足以支撑雄心勃勃的绿氢发展方案。中国和其他国家一样，有可能从一个化石燃料进口国演变为绿氢出口国。各国应准备好迎接清洁氢气发展的新机遇和挑战，并在实现净零排放世界的长期愿景中重新考虑其与HTA部门的关系。

编辑&排版：朱衍磊

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