Hasil analisis menunjukkan bahwa ketergantungan pada peningkatan efisiensi energi yang dikombinasikan dengan CCUS dan NET saja tidak mungkin menjadi jalur yang hemat biaya untuk dekarbonisasi mendalam pada sektor HTA China, khususnya industri berat.Lebih khusus lagi, penerapan hidrogen bersih secara luas di sektor HTA dapat membantu China mencapai netralitas karbon dengan biaya yang efektif dibandingkan dengan skenario tanpa produksi dan penggunaan hidrogen bersih.Hasilnya memberikan panduan yang kuat untuk jalur dekarbonisasi HTA China dan referensi berharga bagi negara lain yang menghadapi tantangan serupa.
Dekarbonisasi sektor industri HTA dengan hidrogen bersih
Kami melakukan optimalisasi jalur mitigasi berbiaya rendah yang terintegrasi menuju netralitas karbon untuk China pada tahun 2060. Empat skenario pemodelan ditentukan dalam Tabel 1: bisnis seperti biasa (BAU), Kontribusi yang Ditentukan Secara Nasional China berdasarkan Perjanjian Paris (NDC), net- emisi nol dengan aplikasi tanpa hidrogen (ZERO-NH) dan emisi nol bersih dengan hidrogen bersih (ZERO-H).Sektor HTA dalam studi ini meliputi produksi industri semen, besi dan baja serta bahan kimia utama (termasuk amoniak, soda dan soda kaustik) dan angkutan tugas berat, termasuk angkutan truk dan pelayaran domestik.Rincian lengkap disediakan di bagian Metode dan Catatan Tambahan 1–5.Mengenai sektor besi dan baja, bagian dominan dari produksi yang ada di China (89,6%) adalah dengan proses tanur sembur oksigen dasar, tantangan utama untuk dekarbonisasi mendalam dari sektor ini.
industri.Proses tungku busur listrik hanya mencakup 10,4% dari total produksi di Tiongkok pada tahun 2019, yang 17,5% lebih rendah dari pangsa rata-rata dunia dan 59,3% lebih sedikit dari Amerika Serikat18.Kami menganalisis 60 teknologi mitigasi emisi pembuatan baja utama dalam model dan mengklasifikasikannya menjadi enam kategori (Gbr. 2a): peningkatan efisiensi material, kinerja teknologi canggih, elektrifikasi, CCUS, hidrogen hijau, dan hidrogen biru (Tabel Tambahan 1).Membandingkan optimalisasi biaya sistem ZERO-H dengan skenario NDC dan ZERO-NH menunjukkan bahwa penyertaan opsi hidrogen bersih akan menghasilkan pengurangan karbon yang signifikan karena pengenalan proses reduksi besi (hidrogen-DRI) langsung-hidrogen.Perhatikan bahwa hidrogen dapat berfungsi tidak hanya sebagai sumber energi dalam pembuatan baja tetapi juga sebagai agen pereduksi karbon pada basis tambahan dalam proses Blast Furnance-Basic Oxygen Furnance (BF-BOF) dan 100% dalam rute hidrogen-DRI.Di bawah ZERO-H, pangsa BF-BOF akan dikurangi menjadi 34% pada tahun 2060, dengan 45% tanur busur listrik dan 21% hidrogen-DRI, dan hidrogen bersih akan memasok 29% dari total permintaan energi final di sektor tersebut.Dengan harga grid untuk tenaga surya dan angin diharapkanturun menjadi US$38–40MWh−1 pada tahun 205019, biaya hidrogen hijau
juga akan menurun, dan rute 100% hidrogen-DRI mungkin memainkan peran yang lebih penting daripada yang diketahui sebelumnya.Mengenai produksi semen, model tersebut mencakup 47 teknologi mitigasi utama di seluruh proses produksi yang diklasifikasikan ke dalam enam kategori (Tabel Tambahan 2 dan 3): efisiensi energi, bahan bakar alternatif, pengurangan rasio klinker terhadap semen, CCUS, hidrogen hijau, dan hidrogen biru ( Gambar 2b).Hasil menunjukkan bahwa peningkatan teknologi efisiensi energi hanya dapat mengurangi 8–10% dari total emisi CO2 di sektor semen, dan teknologi kogenerasi limbah panas dan oxy-fuel akan memiliki efek mitigasi yang terbatas (4–8%).Teknologi untuk mengurangi rasio klinker-ke-semen dapat menghasilkan mitigasi karbon yang relatif tinggi (50–70%), terutama termasuk bahan mentah yang didekarbonisasi untuk produksi klinker menggunakan terak tanur sembur butiran, meskipun kritik mempertanyakan apakah semen yang dihasilkan akan mempertahankan kualitas esensialnya.Tetapi hasil saat ini menunjukkan bahwa pemanfaatan hidrogen bersama dengan CCUS dapat membantu sektor semen mencapai emisi CO2 mendekati nol pada tahun 2060.
Dalam skenario ZERO-H, 20 teknologi berbasis hidrogen (dari 47 teknologi mitigasi) berperan dalam produksi semen.Kami menemukan bahwa biaya pengurangan karbon rata-rata teknologi hidrogen lebih rendah daripada CCUS tipikal dan pendekatan pengalihan bahan bakar (Gbr. 2b).Selain itu, hidrogen hijau diharapkan lebih murah daripada hidrogen biru setelah tahun 2030 seperti yang dibahas secara rinci di bawah ini, sekitar US$0,7–US$1,6 kg−1 H2 (ref. 20), membawa pengurangan CO2 yang signifikan dalam penyediaan panas industri dalam pembuatan semen .Hasil saat ini menunjukkan bahwa itu dapat mengurangi 89–95% CO2 dari proses pemanasan di industri China (Gbr. 2b, teknologi
28–47), yang konsisten dengan perkiraan Dewan Hidrogen sebesar 84–92% (ref. 21).Emisi proses klinker CO2 harus dikurangi oleh CCUS baik pada ZERO-H maupun ZERO-NH.Kami juga mensimulasikan penggunaan hidrogen sebagai bahan baku dalam produksi amonia, metana, metanol, dan bahan kimia lain yang tercantum dalam deskripsi model.Dalam skenario ZERO-H, produksi amonia berbasis gas dengan panas hidrogen akan memperoleh bagian 20% dari total produksi pada tahun 2060 (Gbr. 3 dan Tabel Tambahan 4).Model tersebut mencakup empat jenis teknologi produksi metanol: batubara menjadi metanol (CTM), gas kokas menjadi metanol (CGTM), gas alam menjadi metanol (NTM) dan CGTM/NTM dengan panas hidrogen.Dalam skenario ZERO-H, CGTM/NTM dengan panas hidrogen dapat mencapai pangsa produksi 21% pada tahun 2060 (Gbr. 3).Bahan kimia juga merupakan pembawa energi potensial hidrogen.Berdasarkan analisis terpadu kami, hidrogen dapat mencapai 17% dari konsumsi energi akhir untuk penyediaan panas di industri kimia pada tahun 2060. Seiring dengan bioenergi (18%) dan listrik (32%), hidrogen memiliki peran utama dalam 
dekarbonisasi industri kimia HTA China (Gbr. 4a).
Gambar 2 |Potensi mitigasi karbon dan biaya pengurangan teknologi mitigasi utama.a, Enam kategori dari 60 teknologi mitigasi emisi pembuatan baja utama.b, Enam kategori dari 47 teknologi kunci mitigasi emisi semen.Teknologi dicantumkan berdasarkan nomor, dengan definisi yang sesuai disertakan dalam Tabel Tambahan 1 untuk a dan Tabel Tambahan 2 untuk b.Tingkat kesiapan teknologi (TRL) dari setiap teknologi ditandai: TRL3, konsep;TRL4, prototipe kecil;TRL5, prototipe besar;TRL6, prototipe lengkap dalam skala besar;TRL7, demonstrasi pra-komersial;TRL8, demonstrasi;TRL10, adopsi awal;TRL11, dewasa.
Dekarbonisasi moda transportasi HTA dengan hidrogen bersih Berdasarkan hasil pemodelan, hidrogen juga berpotensi besar untuk mendekarbonisasi sektor transportasi China, meski akan memakan waktu.Selain LDV, moda transportasi lain yang dianalisis dalam model ini mencakup bus armada, truk (ringan/kecil/sedang/berat), pelayaran domestik, dan kereta api, yang mencakup sebagian besar transportasi di Tiongkok.Untuk LDV, kendaraan listrik terlihat tetap kompetitif di masa depan.Pada ZERO-H, penetrasi sel bahan bakar hidrogen (HFC) di pasar LDV hanya akan mencapai 5% pada tahun 2060 (Gbr. 3).Akan tetapi, untuk bus armada, bus HFC akan lebih kompetitif dari segi biaya daripada alternatif listrik pada tahun 2045 dan mencakup 61% dari total armada pada tahun 2060 dalam skenario ZERO-H, dengan sisanya listrik (Gbr. 3).Sedangkan untuk truk, hasilnya bervariasi berdasarkan tingkat muatan.Propulsi listrik akan menggerakkan lebih dari setengah armada truk tugas ringan pada tahun 2035 di ZERO-NH.Namun di ZERO-H, truk tugas ringan HFC akan lebih kompetitif daripada truk tugas ringan listrik pada tahun 2035 dan menguasai 53% pasar pada tahun 2060. Mengenai truk tugas berat, truk tugas berat HFC akan mencapai 66% dari pasar pada tahun 2060 dalam skenario ZERO-H.HDV (kendaraan tugas berat) diesel/bio-diesel/CNG (gas alam terkompresi) akan keluar dari pasar setelah tahun 2050 dalam skenario ZERO-NH dan ZERO-H (Gbr. 3).Kendaraan HFC memiliki keunggulan tambahan dibandingkan kendaraan listrik dalam kinerjanya yang lebih baik dalam kondisi dingin, penting di China utara dan barat.Di luar transportasi darat, model ini menunjukkan penerapan teknologi hidrogen secara luas dalam pengiriman dalam skenario ZERO-H.Pelayaran domestik China sangat intensif energi dan merupakan tantangan dekarbonisasi yang sangat sulit.Hidrogen bersih, terutama sebagai a
bahan baku untuk amonia, memberikan pilihan untuk pengiriman dekarbonisasi.Solusi termurah dalam skenario ZERO-H menghasilkan penetrasi 65% kapal berbahan bakar amonia dan 12% kapal berbahan bakar hidrogen pada tahun 2060 (Gbr. 3).Dalam skenario ini, hidrogen akan mencapai rata-rata 56% dari konsumsi energi akhir dari seluruh sektor transportasi pada tahun 2060. Kami juga memodelkan penggunaan hidrogen dalam pemanas perumahan (Catatan Tambahan 6), tetapi pengadopsiannya dapat diabaikan dan makalah ini berfokus pada penggunaan hidrogen dalam industri HTA dan transportasi tugas berat.Penghematan biaya netralitas karbon menggunakan hidrogen bersih Masa depan netral karbon Tiongkok akan dicirikan oleh dominasi energi terbarukan, dengan penghentian penggunaan batubara secara bertahap dalam konsumsi energi primernya (Gbr. 4).Bahan bakar non-fosil terdiri dari 88% dari bauran energi primer pada tahun 2050 dan 93% pada tahun 2060 di bawah ZERO-H. Angin dan matahari akan memasok setengah dari konsumsi energi primer pada tahun 2060. Rata-rata, secara nasional, pangsa hidrogen bersih dari total energi akhir konsumsi (TFEC) dapat mencapai 13% pada tahun 2060. Mempertimbangkan heterogenitas regional kapasitas produksi di industri utama menurut wilayah (Tabel Tambahan 7), ada sepuluh provinsi dengan pangsa hidrogen TFEC lebih tinggi dari rata-rata nasional, termasuk Mongolia Dalam, Fujian, Shandong dan Guangdong, didorong oleh sumber daya angin matahari dan darat dan lepas pantai yang kaya dan/atau berbagai kebutuhan industri akan hidrogen.Dalam skenario ZERO-NH, biaya investasi kumulatif untuk mencapai netralitas karbon hingga tahun 2060 akan menjadi $20,63 triliun, atau 1,58% dari agregat produk domestik bruto (PDB) untuk tahun 2020–2060.Rata-rata tambahan investasi setiap tahun sekitar US$516 miliar per tahun.Hasil ini konsisten dengan rencana mitigasi China senilai US$15 triliun hingga tahun 2050, rata-rata investasi baru tahunan sebesar US$500 miliar (ref. 22).Namun, memperkenalkan opsi hidrogen bersih ke dalam sistem energi China dan bahan baku industri dalam skenario ZERO-H menghasilkan investasi kumulatif yang jauh lebih rendah sebesar US$18,91 triliun pada tahun 2060 dan tahunaninvestasi akan dikurangi menjadi kurang dari 1% dari PDB pada tahun 2060 (Gambar.4).Mengenai sektor HTA, biaya investasi tahunan pada sektor tersebutsektor akan menjadi sekitar US$392 miliar per tahun di ZERO-NHskenario, yang konsisten dengan proyeksi EnergiKomisi Transisi (US$400 miliar) (ref. 23).Namun, jika bersih
hidrogen dimasukkan ke dalam sistem energi dan bahan baku kimia, skenario ZERO-H menunjukkan biaya investasi tahunan di sektor HTA dapat dikurangi menjadi US$359 miliar, terutama dengan mengurangi ketergantungan pada CCUS atau NET yang mahal.Hasil kami menunjukkan bahwa penggunaan hidrogen bersih dapat menghemat biaya investasi sebesar US$1,72 triliun dan menghindari kerugian sebesar 0,13% dalam PDB agregat (2020–2060) dibandingkan dengan jalur tanpa hidrogen hingga tahun 2060.
Gambar 3 |Penetrasi teknologi di sektor tipikal HTA.Hasil di bawah skenario BAU, NDC, ZERO-NH dan ZERO-H (2020–2060).Di setiap tahun tonggak, penetrasi teknologi spesifik di berbagai sektor ditunjukkan oleh palang berwarna, di mana setiap palang adalah persentase penetrasi hingga 100% (untuk kisi yang diarsir penuh).Teknologi selanjutnya diklasifikasikan berdasarkan jenis yang berbeda (ditunjukkan dalam legenda).CNG, gas alam terkompresi;LPG, gas minyak cair;LNG, gas alam cair;w/wo, dengan atau tanpa;EAF, tungku busur listrik;NSP, proses kering preheater suspensi baru;WHR, pemulihan limbah panas.
Waktu posting: Mar-13-2023
