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

Memecah kemacetan yang sulit diredakan di jalur China menuju netralitas karbon dengan hidrogen bersih

Negara-negara seperti Cina menghadapi hambatan dalam perjalanan mereka menuju netralitas karbon: mengurangi emisi di industri berat dan transportasi tugas berat.Ada beberapa studi mendalam tentang peran prospektif hidrogen bersih di sektor 'hard-to-abate' (HTA) ini.Di sini kami melakukan analisis pemodelan biaya paling dinamis yang terintegrasi.Hasilnya menunjukkan bahwa, pertama, hidrogen bersih dapat menjadi pembawa energi utama dan bahan baku yang dapat secara signifikan mengurangi emisi karbon industri berat.Ini juga dapat mengisi hingga 50% armada truk dan bus tugas berat China pada tahun 2060 dan pangsa pengiriman yang signifikan.Kedua, skenario hidrogen bersih yang realistis yang mencapai produksi 65,7 Mt pada tahun 2060 dapat menghindari investasi baru sebesar US$1,72 triliun dibandingkan dengan skenario tanpa hidrogen.Studi ini memberikan bukti nilai hidrogen bersih di sektor HTA untuk China dan negara-negara yang menghadapi tantangan serupa dalam mengurangi emisi untuk mencapai tujuan net-zero.

Mencapai netralitas karbon adalah misi global yang mendesak, tetapi tidak ada jalur 'satu ukuran untuk semua' bagi negara-negara penghasil emisi utama untuk memenuhi tujuan ini1,2 .Sebagian besar negara maju, seperti Amerika Serikat dan negara-negara di Eropa, mengejar strategi dekarbonisasi yang berfokus terutama pada armada kendaraan tugas ringan (LDV) besar, pembangkit tenaga listrik, manufaktur, serta bangunan komersial dan perumahan, empat sektor yang bersama-sama bertanggung jawab atas sebagian besar emisi karbon mereka3,4 .Penghasil emisi utama negara berkembang, seperti Cina, sebaliknya, memiliki ekonomi dan struktur energi yang sangat berbeda, membutuhkan prioritas dekarbonisasi yang berbeda tidak hanya dalam hal sektoral tetapi juga dalam penerapan strategis teknologi nol karbon yang sedang berkembang.

Perbedaan utama dari profil emisi karbon China dibandingkan dengan ekonomi barat adalah pangsa emisi yang jauh lebih besar untuk industri berat dan fraksi yang jauh lebih kecil untuk LDV dan penggunaan energi dalam bangunan (Gbr. 1).China menempati urutan pertama di dunia, sejauh ini, dalam hal produksi semen, besi dan baja, bahan kimia dan bahan bangunan, mengkonsumsi batu bara dalam jumlah besar untuk panas industri dan produksi kokas.Industri berat menyumbang 31% dari total emisi China saat ini, pangsa yang 8% lebih tinggi dari rata-rata dunia (23%), 17% lebih besar dari Amerika Serikat (14%) dan 13% lebih tinggi dari Uni Eropa (18%) (ref.5).

China telah berjanji untuk mencapai puncak emisi karbonnya sebelum tahun 2030 dan mencapai netralitas karbon sebelum tahun 2060. Janji iklim ini mendapat pujian luas tetapi juga menimbulkan pertanyaan tentang kelayakannya6 , sebagian karena peran utama 'hard-to-abate' (HTA) proses ekonomi China.Proses ini terutama mencakup penggunaan energi dalam industri berat dan transportasi tugas berat yang akan sulit untuk dialiri listrik (sehingga beralih langsung ke energi terbarukan) dan proses industri yang sekarang bergantung pada bahan bakar fosil untuk bahan baku kimia. Ada beberapa penelitian terbaru1– 3 menyelidiki jalur dekarbonisasi menuju netralitas karbon untuk keseluruhan perencanaan sistem energi China tetapi dengan analisis terbatas pada sektor HTA.Secara internasional, potensi solusi mitigasi untuk sektor HTA mulai menarik perhatian dalam beberapa tahun terakhir7–14.Dekarbonisasi sektor HTA menantang karena sulit untuk dialiri listrik secara penuh dan/atau hemat biaya7,8.Åhman menekankan bahwa ketergantungan jalur adalah masalah utama untuk sektor HTA dan bahwa visi dan perencanaan jangka panjang untuk teknologi maju diperlukan untuk 'membuka' sektor HTA, terutama industri berat, dari ketergantungan fosil9.Studi telah mengeksplorasi material baru dan solusi mitigasi terkait dengan penangkapan, penggunaan dan/atau penyimpanan karbon (CCUS) dan teknologi emisi negatif (NET)10,11. Dari setidaknya satu studi mengakui bahwa mereka juga harus dipertimbangkan dalam perencanaan jangka panjang11.Dalam Laporan Kajian Keenam dari Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim yang baru-baru ini dirilis, penggunaan hidrogen 'rendah emisi' diakui sebagai salah satu solusi mitigasi kunci untuk berbagai sektor menuju pencapaian emisi nol bersih di masa depan12.

Literatur yang ada tentang hidrogen bersih sebagian besar difokuskan pada opsi teknologi produksi dengan analisis biaya sisi penawaran15.(Hidrogen 'Bersih' dalam makalah ini mencakup hidrogen 'hijau' dan 'biru', yang pertama diproduksi oleh elektrolisis air menggunakan daya terbarukan, yang terakhir bersumber dari bahan bakar fosil tetapi didekarbonisasi dengan CCUS.) Diskusi tentang permintaan hidrogen sebagian besar difokuskan pada sektor transportasi di negara maju—khususnya kendaraan sel bahan bakar hidrogen16,17.Tekanan untuk dekarbonisasi industri berat telah tertinggal dibandingkan dengan transportasi jalan raya, yang mencerminkan asumsi konvensional bahwa industri berat akan
tetap sangat sulit untuk mereda sampai inovasi teknologi baru muncul.Studi hidrogen bersih (terutama hijau) telah menunjukkan kematangan teknologinya dan penurunan biaya17, tetapi studi lebih lanjut diperlukan yang berfokus pada ukuran pasar potensial dan persyaratan teknologi industri untuk mengeksploitasi prospek pertumbuhan pasokan hidrogen bersih16.Memahami potensi hidrogen bersih untuk memajukan netralitas karbon global akan menjadi bias jika analisis dibatasi terutama pada biaya produksinya, konsumsinya hanya oleh sektor yang disukai dan penerapannya di negara maju. Literatur yang ada tentang hidrogen bersih difokuskan sebagian besar pada pilihan teknologi produksi dengan analisis biaya sisi penawaran15.(Hidrogen 'Bersih' dalam makalah ini mencakup hidrogen 'hijau' dan 'biru', yang pertama diproduksi oleh elektrolisis air menggunakan daya terbarukan, yang terakhir bersumber dari bahan bakar fosil tetapi didekarbonisasi dengan CCUS.) Diskusi tentang permintaan hidrogen sebagian besar difokuskan pada sektor transportasi di negara maju—khususnya kendaraan sel bahan bakar hidrogen16,17.Tekanan untuk dekarbonisasi industri berat telah tertinggal dibandingkan dengan transportasi jalan raya, yang mencerminkan asumsi konvensional bahwa industri berat akan tetap sulit untuk diredakan sampai inovasi teknologi baru muncul.Studi hidrogen bersih (terutama hijau) telah menunjukkan kematangan teknologinya dan penurunan biaya17, tetapi studi lebih lanjut diperlukan yang berfokus pada ukuran pasar potensial dan persyaratan teknologi industri untuk mengeksploitasi prospek pertumbuhan pasokan hidrogen bersih16.Memahami potensi hidrogen bersih untuk memajukan netralitas karbon global akan menjadi bias jika analisis dibatasi terutama pada biaya produksinya, konsumsinya hanya oleh sektor-sektor yang disukai dan penerapannya di negara maju.

Mengevaluasi peluang untuk hidrogen bersih bergantung pada penilaian ulang permintaan prospektifnya sebagai bahan bakar alternatif dan bahan baku kimia di seluruh sistem energi dan ekonomi, termasuk pertimbangan keadaan nasional yang berbeda.Sampai saat ini belum ada studi komprehensif tentang peran hidrogen bersih di masa depan net-zero China.Mengisi kesenjangan penelitian ini akan membantu menggambar peta jalan yang lebih jelas untuk pengurangan emisi CO2 China, memungkinkan evaluasi kelayakan janji dekarbonisasi tahun 2030 dan 2060 dan memberikan panduan untuk negara berkembang lainnya yang sedang tumbuh dengan sektor industri berat yang besar.

Gambar 1 |Emisi karbon dari negara-negara kunci dan mekanisme analitis untuk hidrogen dalam sistem energi.a, emisi karbon China pada tahun 2019 dibandingkan dengan Amerika Serikat, Eropa, Jepang dan India, berdasarkan bahan bakar.Pada tahun 2019, pembakaran batu bara menyumbang emisi karbon terbesar di China (79,62%) dan India (70,52%), dan pembakaran minyak berkontribusi paling besar terhadap emisi karbon di Amerika Serikat (41,98%) dan Eropa (41,27%).b, emisi karbon Tiongkok pada tahun 2019 dibandingkan dengan Amerika Serikat, Eropa, Jepang, dan India, berdasarkan sektor.Emisi ditampilkan di sebelah kiri dan proporsi di sebelah kanan dalam a dan b.Proporsi emisi karbon dari industri di China (28,10%) dan India (24,75%) jauh lebih tinggi dibandingkan Amerika Serikat (9,26%) dan Eropa (13,91%) pada tahun 2019. c, Jalur teknis dengan teknologi hidrogen yang diterapkan di sektor HTA.SMR, reformasi metana uap;elektrolisis PEM, elektrolisis membran elektrolit polimer;Proses PEC, proses fotoelektrokimia.

Studi ini berusaha untuk menjawab tiga pertanyaan kunci.Pertama, apa tantangan utama dekarbonisasi sektor HTA di negara berkembang seperti Cina, yang dibedakan dari negara maju?Apakah teknologi mitigasi saat ini di sektor HTA (khususnya industri berat) cukup efektif untuk mencapai netralitas karbon China pada tahun 2060?Kedua, apa peran prospektif hidrogen bersih sebagai pembawa energi dan bahan baku di sektor HTA, terutama di China dan negara berkembang lainnya yang baru saja mulai mengakses prospek produksi dan penggunaannya?Terakhir, berdasarkan optimalisasi dinamis dari seluruh sistem energi China

tem, apakah penerapan hidrogen bersih secara luas di sektor HTA akan hemat biaya dibandingkan dengan opsi lain?

Di sini kami membangun model sistem energi terintegrasi yang mencakup penawaran dan permintaan lintas sektor untuk menganalisis efektivitas biaya prospektif dan peran hidrogen bersih di seluruh perekonomian China, dengan penekanan pada sektor HTA yang kurang diteliti (Gbr. 1c).

Waktu posting: Mar-03-2023