분석 결과는 CCUS 및 NET 단독과 결합된 에너지 효율 개선에 의존하는 것은 중국의 HTA 부문, 특히 중공업의 심층적인 탈탄소화를 위한 비용 효율적인 경로가 될 가능성이 낮다는 것을 보여줍니다.보다 구체적으로 HTA 부문에 청정 수소를 광범위하게 적용하면 청정 수소 생산 및 사용이 없는 시나리오에 비해 중국이 비용 효율적으로 탄소 중립을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.결과는 중국의 HTA 탈탄소화 경로에 대한 강력한 지침과 유사한 문제에 직면한 다른 국가에 대한 귀중한 참고 자료를 제공합니다.
청정 수소로 HTA 산업 부문 탈탄소화
우리는 2060년에 중국의 탄소 중립 완화 경로에 대한 통합 최소 비용 최적화를 수행합니다. 표 1에는 4가지 모델링 시나리오가 정의되어 있습니다. 무수소 적용(ZERO-NH)으로 제로 배출 및 청정 수소(ZERO-H)로 순 제로 배출.이 연구의 HTA 부문에는 시멘트, 철강 및 주요 화학 물질(암모니아, 소다 및 가성 소다 포함)의 산업 생산과 트럭 운송 및 국내 운송을 포함한 대형 운송이 포함됩니다.자세한 내용은 방법 섹션 및 보충 정보 1–5에 제공됩니다.철 및 강철 부문과 관련하여 중국의 기존 생산에서 지배적인 점유율(89.6%)은 기본적인 산소 용광로 공정에 의한 것으로, 이 공정의 심층 탈탄소화를 위한 핵심 과제입니다.
산업.전기로 공정은 2019년 중국 전체 생산량의 10.4%에 불과해 세계 평균 점유율보다 17.5%, 미국보다 59.3% 적습니다18.우리는 모델에서 60가지 주요 철강 제조 배출 저감 기술을 분석하고 재료 효율성 개선, 첨단 기술 성능, 전기화, CCUS, 녹색 수소 및 청색 수소(보충 표 1)의 6가지 범주로 분류했습니다(그림 2a).ZERO-H의 시스템 비용 최적화를 NDC 및 ZERO-NH 시나리오와 비교하면 청정 수소 옵션을 포함하면 철의 수소 직접 환원(수소-DRI) 공정 도입으로 인해 현저한 탄소 감소를 가져올 수 있음을 알 수 있습니다.수소는 철강 제조에서 에너지원으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 BF-BOF(용광로-기본 산소로) 공정 및 수소-DRI 경로에서 100% 보충적으로 탄소 저감 환원제 역할을 할 수 있습니다.ZERO-H에 따르면 BF-BOF의 점유율은 2060년에 34%로 줄어들고 전기로는 45%, 수소 DRI는 21%가 되며 청정 수소는 해당 부문의 총 최종 에너지 수요의 29%를 공급하게 됩니다.태양광 및 풍력 발전의 그리드 가격이2050년에 38~40MWh-1달러로 감소19, 녹색 수소의 비용
또한 감소할 것이며 100% 수소-DRI 경로는 이전에 인식된 것보다 더 중요한 역할을 할 수 있습니다.시멘트 생산과 관련하여 이 모델에는 에너지 효율, 대체 연료, 클링커 대 시멘트 비율 감소, CCUS, 녹색 수소 및 청색 수소의 6개 범주(보충 표 2 및 3)로 분류된 생산 공정 전반에 걸친 47개의 주요 완화 기술이 포함됩니다. 그림 2b).결과에 따르면 개선된 에너지 효율 기술은 시멘트 부문에서 총 CO2 배출량의 8~10%만 줄일 수 있으며 폐열 열병합 발전 및 순산소 기술은 완화 효과가 제한적(4~8%)인 것으로 나타났습니다.클링커-시멘트 비율을 줄이는 기술은 상대적으로 높은 탄소 저감(50–70%)을 달성할 수 있으며, 주로 과립형 고로 슬래그를 사용하는 클링커 생산을 위한 탈탄소 원료를 포함합니다.그러나 현재 결과는 CCUS와 함께 수소를 활용하면 시멘트 부문이 2060년에 CO2 배출량을 거의 0에 도달하는 데 도움이 될 수 있음을 나타냅니다.
ZERO-H 시나리오에서는 20개의 수소 기반 기술(완화 기술 47개 중)이 시멘트 생산에 사용됩니다.우리는 수소 기술의 평균 탄소 저감 비용이 일반적인 CCUS 및 연료 전환 접근 방식보다 낮다는 것을 발견했습니다(그림 2b).또한, 녹색 수소는 아래에서 자세히 논의되는 바와 같이 2030년 이후에 약 US$0.7–US$1.6 kg−1 H2(참조 20)에서 청색 수소보다 저렴할 것으로 예상되어 시멘트 제조에서 산업 열 제공 시 상당한 CO2 감소를 가져올 것으로 예상됩니다. .현재 결과는 중국 산업의 가열 공정에서 CO2의 89-95%를 줄일 수 있음을 보여줍니다(그림 2b, 기술
28–47), 이는 수소 위원회의 84–92% 추정치와 일치합니다(참조 21).CO2의 클링커 공정 배출은 ZERO-H 및 ZERO-NH 모두에서 CCUS에 의해 감소되어야 합니다.또한 모델 설명에 나열된 암모니아, 메탄, 메탄올 및 기타 화학 물질의 생산에서 공급 원료로 수소 사용을 시뮬레이션합니다.ZERO-H 시나리오에서 수소열을 이용한 가스 기반 암모니아 생산은 2060년 총 생산량의 20%를 차지할 것입니다(그림 3 및 보충 표 4).이 모델에는 석탄에서 메탄올로(CTM), 코크스 가스에서 메탄올로(CGTM), 천연 가스에서 메탄올로(NTM) 및 수소 열을 사용하는 CGTM/NTM의 네 가지 메탄올 생산 기술이 포함됩니다.ZERO-H 시나리오에서 수소열을 사용하는 CGTM/NTM은 2060년에 21%의 생산 점유율을 달성할 수 있습니다(그림 3).화학 물질은 또한 수소의 잠재적인 에너지 운반체입니다.통합 분석에 따르면 수소는 2060년까지 화학 산업에서 열 공급을 위한 최종 에너지 소비의 17%를 차지할 수 있습니다. 수소는 바이오 에너지(18%) 및 전기(32%)와 함께 
중국 HTA 화학 산업의 탈탄소화(그림 4a).
그림 2 |주요 완화 기술의 탄소 완화 잠재력 및 감소 비용.a, 60가지 주요 철강 제조 배출 저감 기술의 6가지 범주.b, 47가지 주요 시멘트 배출 저감 기술의 6가지 범주.기술은 번호로 나열되며 해당 정의는 a에 대한 보충 표 1과 b에 대한 보충 표 2에 포함되어 있습니다.각 기술의 기술 준비 수준(TRL)은 다음과 같이 표시됩니다. TRL3, 개념;TRL4, 소형 프로토타입;TRL5, 대형 프로토타입;TRL6, 대규모 전체 프로토타입;TRL7, 사전 상업 데모;TRL8, 데모;TRL10, 조기 채택;TRL11, 성숙.
깨끗한 수소로 HTA 운송 수단의 탈탄소화 모델링 결과에 따르면 수소는 시간이 걸리겠지만 중국의 운송 부문을 탈탄소화할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다.LDV 외에도 모델에서 분석된 다른 운송 모드에는 차량 버스, 트럭(소형/소형/중형/대형), 국내 운송 및 철도가 포함되며 중국의 대부분의 운송을 포함합니다.LDV의 경우 전기 자동차는 미래에도 비용 경쟁력을 유지할 것으로 보입니다.ZERO-H에서 LDV 시장의 수소 연료 전지(HFC) 보급률은 2060년에 5%에 불과할 것입니다(그림 3).그러나 차량 버스의 경우 HFC 버스는 2045년에 전기 대안보다 더 비용 경쟁력이 있을 것이며 ZERO-H 시나리오에서 2060년에는 전체 차량의 61%를 구성하고 나머지는 전기로 구성할 것입니다(그림 3).트럭의 경우 결과는 적재율에 따라 다릅니다.전기 추진은 ZERO-NH에서 2035년까지 전체 소형 트럭 함대의 절반 이상을 운전할 것입니다.그러나 ZERO-H에서 HFC 소형 트럭은 2035년까지 전기 소형 트럭보다 경쟁력이 있으며 2060년까지 시장의 53%를 차지할 것입니다. ZERO-H 시나리오에서 2060년 시장.디젤/바이오디젤/CNG(압축 천연 가스) HDV(대형 차량)는 ZERO-NH 및 ZERO-H 시나리오 모두에서 2050년 이후 시장에서 사라질 것입니다(그림 3).HFC 차량은 중국 북부와 서부에서 중요한 추운 조건에서 더 나은 성능을 발휘한다는 점에서 전기 차량보다 추가적인 이점이 있습니다.이 모델은 도로 운송 외에도 ZERO-H 시나리오에서 운송에 수소 기술이 광범위하게 채택되었음을 보여줍니다.중국의 국내 운송은 매우 에너지 집약적이며 특히 어려운 탈탄소화 과제입니다.깨끗한 수소, 특히
암모니아 공급원료는 탈탄소 운송 옵션을 제공합니다.ZERO-H 시나리오에서 가장 비용이 적게 드는 솔루션은 2060년에 암모니아 연료 선박의 65%, 수소 연료 선박의 12% 보급으로 이어집니다(그림 3).이 시나리오에서 수소는 2060년 전체 운송 부문의 최종 에너지 소비량의 평균 56%를 차지할 것입니다. 또한 주거용 난방에서 수소 사용을 모델링했지만(부록 6), 그 채택은 미미하며 이 문서는 다음에 중점을 둡니다. HTA 산업 및 중장비 운송에서의 수소 사용.청정 수소를 사용한 탄소 중립의 비용 절감 중국의 탄소 중립 미래는 주요 에너지 소비에서 석탄을 단계적으로 제거하는 재생 가능 에너지 우세를 특징으로 할 것입니다(그림 4).비화석 연료는 ZERO-H 하에서 2050년에는 1차 에너지 믹스의 88%, 2060년에는 93%를 구성합니다.풍력과 태양광은 2060년에 1차 에너지 소비의 절반을 공급할 것입니다. 평균적으로 전국적으로 총 최종 에너지의 청정 수소 점유율은 소비(TFEC)는 2060년에 13%에 도달할 수 있습니다. 지역별 주요 산업의 생산 능력의 지역적 이질성을 고려하면(보충 표 7) 내몽고, 푸젠, 산둥을 포함하여 전국 평균보다 TFEC의 수소 점유율이 높은 10개 지역이 있습니다. 광동은 풍부한 태양광, 육상 및 해상 풍력 자원 및/또는 수소에 대한 다양한 산업 수요에 의해 추진됩니다.ZERO-NH 시나리오에서 2060년까지 탄소 중립을 달성하기 위한 누적 투자 비용은 20조 6,300억 달러 또는 2020-2060년 총 국내 총생산(GDP)의 1.58%가 될 것입니다.연간 평균 추가 투자액은 연간 약 5,160억 달러가 될 것입니다.이 결과는 2050년까지 중국의 미화 15조 달러 완화 계획, 평균 연간 신규 투자 5000억 달러(참조 22)와 일치합니다.그러나 ZERO-H 시나리오에서 중국의 에너지 시스템과 산업 공급원료에 청정 수소 옵션을 도입하면 2060년까지 누적 투자액이 18조 9100억 달러, 연간투자는 2060년에 GDP의 1% 미만으로 감소할 것입니다(그림.4).HTA 부문과 관련하여 해당 부문의 연간 투자 비용부문은 ZERO-NH에서 연간 약 3,920억 달러가 될 것입니다.에너지 예측과 일치하는 시나리오전환 위원회(미화 4천억 달러)(참조 23).단, 깨끗하면
수소가 에너지 시스템과 화학 공급원료에 통합되면 ZERO-H 시나리오는 주로 값비싼 CCUS 또는 NET에 대한 의존도를 줄임으로써 HTA 부문의 연간 투자 비용을 미화 3,590억 달러로 줄일 수 있음을 나타냅니다.우리의 결과는 청정 수소를 사용하면 2060년까지 수소가 없는 경로와 비교하여 투자 비용에서 1조 7200억 달러를 절약하고 총 GDP(2020-2060)의 0.13% 손실을 피할 수 있음을 시사합니다.
그림 3 |일반적인 HTA 부문의 기술 침투.BAU, NDC, ZERO-NH 및 ZERO-H 시나리오에 따른 결과(2020–2060).각 이정표 연도에서 서로 다른 부문의 특정 기술 보급률은 색상 막대로 표시되며 각 막대는 최대 100%까지의 보급률입니다(완전히 음영 처리된 격자의 경우).기술은 다른 유형으로 더 분류됩니다(범례에 표시됨).CNG, 압축 천연 가스;LPG, 액체 석유 가스;LNG, 액화천연가스;w/wo, 유무에 관계없이;EAF, 전기 아크로;NSP, 새로운 서스펜션 예열기 건식 공정;WHR, 폐열 회수.
게시 시간: 2023년 3월 13일
