Os resultados da análise mostram que é improvável que a confiança na melhoria da eficiência energética combinada com CCUS e NETs seja um caminho econômico para a descarbonização profunda dos setores de HTA da China, especialmente indústrias pesadas.Mais especificamente, a ampla aplicação de hidrogênio limpo nos setores de HTA pode ajudar a China a alcançar a neutralidade de carbono de maneira econômica em comparação com um cenário sem produção e uso de hidrogênio limpo.Os resultados fornecem uma orientação sólida para o caminho de descarbonização da HTA da China e uma referência valiosa para outros países que enfrentam desafios semelhantes.
Descarbonizando setores industriais de HTA com hidrogênio limpo
Realizamos uma otimização integrada de menor custo dos caminhos de mitigação para a neutralidade de carbono para a China em 2060. Quatro cenários de modelagem são definidos na Tabela 1: negócios como sempre (BAU), Contribuições Nacionalmente Determinadas da China sob o Acordo de Paris (NDC), net- emissões zero com aplicações sem hidrogênio (ZERO-NH) e emissões líquidas zero com hidrogênio limpo (ZERO-H).Os setores HTA neste estudo incluem a produção industrial de cimento, ferro e aço e produtos químicos essenciais (incluindo amônia, soda e soda cáustica) e transporte pesado, incluindo caminhões e remessa doméstica.Detalhes completos são fornecidos na seção Métodos e nas Notas Suplementares 1–5.No que diz respeito ao setor siderúrgico, a parcela dominante da produção existente na China (89,6%) é pelo processo básico de alto-forno a oxigênio, um desafio fundamental para a descarbonização profunda deste
indústria.O processo de forno elétrico a arco representou apenas 10,4% da produção total da China em 2019, 17,5% a menos que a média mundial e 59,3% a menos que os Estados Unidos18.Analisamos 60 principais tecnologias de mitigação de emissões siderúrgicas no modelo e as classificamos em seis categorias (Fig. 2a): melhoria da eficiência do material, desempenho de tecnologia avançada, eletrificação, CCUS, hidrogênio verde e hidrogênio azul (tabela complementar 1).A comparação das otimizações de custo do sistema de cenários ZERO-H com NDC e ZERO-NH mostra que a inclusão de opções de hidrogênio limpo produziria notável redução de carbono devido à introdução de processos de redução direta de hidrogênio de ferro (hidrogênio-DRI).Observe que o hidrogênio pode servir não apenas como fonte de energia na fabricação de aço, mas também como agente redutor de redução de carbono de forma complementar no processo de alto-forno-forno básico de oxigênio (BF-BOF) e 100% na rota hidrogênio-DRI.Sob ZERO-H, a participação do BF-BOF seria reduzida para 34% em 2060, com 45% de forno elétrico a arco e 21% de hidrogênio-DRI, e o hidrogênio limpo supriria 29% da demanda total de energia final do setor.Com o preço da rede para energia solar e eólica previsto paracair para US$ 38–40MWh−1 em 205019, o custo do hidrogênio verde
também diminuirá, e a rota 100% hidrogênio-DRI pode desempenhar um papel mais importante do que o previamente reconhecido.No que diz respeito à produção de cimento, o modelo inclui 47 tecnologias-chave de mitigação nos processos de produção classificados em seis categorias (Tabelas complementares 2 e 3): eficiência energética, combustíveis alternativos, redução da relação clínquer-cimento, CCUS, hidrogênio verde e hidrogênio azul ( Fig. 2b).Os resultados mostram que as tecnologias de eficiência energética aprimoradas podem reduzir apenas 8 a 10% das emissões totais de CO2 no setor de cimento, e as tecnologias de cogeração de calor residual e oxi-combustível terão efeito de mitigação limitado (4 a 8%).As tecnologias para reduzir a proporção de clínquer para cimento podem produzir uma mitigação de carbono relativamente alta (50-70%), principalmente incluindo matérias-primas descarbonizadas para produção de clínquer usando escória de alto-forno granulada, embora os críticos questionem se o cimento resultante manterá suas qualidades essenciais.Mas os resultados atuais indicam que a utilização de hidrogênio junto com o CCUS pode ajudar o setor de cimento a atingir emissões de CO2 próximas de zero em 2060.
No cenário ZERO-H, 20 tecnologias baseadas em hidrogênio (das 47 tecnologias de mitigação) entram em jogo na produção de cimento.Descobrimos que o custo médio de redução de carbono das tecnologias de hidrogênio é menor do que as abordagens típicas de CCUS e troca de combustível (Fig. 2b).Além disso, espera-se que o hidrogênio verde seja mais barato que o hidrogênio azul após 2030, conforme discutido em detalhes abaixo, em torno de US$ 0,7–US$ 1,6 kg−1 H2 (ref. 20), trazendo reduções significativas de CO2 no fornecimento de calor industrial na fabricação de cimento .Os resultados atuais mostram que pode reduzir 89-95% do CO2 do processo de aquecimento na indústria da China (Fig. 2b, tecnologias
28–47), o que é consistente com a estimativa do Hydrogen Council de 84–92% (ref. 21).As emissões de CO2 do processo de clínquer devem ser reduzidas pelo CCUS em ZERO-H e ZERO-NH.Também simulamos o uso de hidrogênio como matéria-prima na produção de amônia, metano, metanol e outros produtos químicos listados na descrição do modelo.No cenário ZERO-H, a produção de amônia baseada em gás com calor de hidrogênio ganhará uma participação de 20% da produção total em 2060 (Fig. 3 e Tabela Complementar 4).O modelo inclui quatro tipos de tecnologias de produção de metanol: carvão para metanol (CTM), gás de coque para metanol (CGTM), gás natural para metanol (NTM) e CGTM/NTM com calor de hidrogênio.No cenário ZERO-H, CGTM/NTM com calor de hidrogênio pode atingir uma participação de produção de 21% em 2060 (Fig. 3).Os produtos químicos também são potenciais portadores de energia de hidrogênio.Com base em nossa análise integrada, o hidrogênio pode representar 17% do consumo final de energia para fornecimento de calor na indústria química até 2060. Juntamente com a bioenergia (18%) e a eletricidade (32%), o hidrogênio tem um papel importante a desempenhar na 
descarbonização da indústria química HTA da China (Fig. 4a).
Fig. 2 |Potencial de mitigação de carbono e custos de redução das principais tecnologias de mitigação.a, Seis categorias de 60 principais tecnologias de mitigação de emissões da siderurgia.b, Seis categorias de 47 tecnologias-chave de mitigação de emissões de cimento.As tecnologias são listadas por número, com definições correspondentes incluídas na Tabela Suplementar 1 para a e na Tabela Suplementar 2 para b.Os níveis de prontidão tecnológica (TRLs) de cada tecnologia são marcados: TRL3, conceito;TRL4, pequeno protótipo;TRL5, protótipo grande;TRL6, protótipo completo em escala;TRL7, demonstração pré-comercial;TRL8, demonstração;TRL10, adoção antecipada;TRL11, maduro.
Descarbonizando modos de transporte HTA com hidrogênio limpo Com base nos resultados da modelagem, o hidrogênio também tem grande potencial para descarbonizar o setor de transporte da China, embora isso leve tempo.Além dos LDVs, outros modos de transporte analisados no modelo incluem frota de ônibus, caminhões (leves/pequenos/médios/pesados), transporte doméstico e ferrovias, abrangendo a maior parte do transporte na China.Para LDVs, os veículos elétricos procuram manter o custo competitivo no futuro.Em ZERO-H, a penetração da célula de combustível de hidrogênio (HFC) no mercado de LDV atingirá apenas 5% em 2060 (Fig. 3).Para a frota de ônibus, no entanto, os ônibus HFC serão mais competitivos em termos de custo do que as alternativas elétricas em 2045 e compreenderão 61% da frota total em 2060 no cenário ZERO-H, sendo o restante elétrico (Fig. 3).Quanto aos caminhões, os resultados variam de acordo com a taxa de carga.A propulsão elétrica conduzirá mais da metade da frota total de caminhões leves até 2035 em ZERO-NH.Mas em ZERO-H, os caminhões leves HFC serão mais competitivos do que os caminhões leves elétricos até 2035 e representarão 53% do mercado até 2060. Em relação aos caminhões pesados, os caminhões pesados HFC atingiriam 66% do mercado mercado em 2060 no cenário ZERO-H.Diesel/bio-diesel/GNC (gás natural comprimido) HDVs (veículos pesados) sairão do mercado depois de 2050 em cenários ZERO-NH e ZERO-H (Fig. 3).Os veículos HFC têm uma vantagem adicional sobre os veículos elétricos em seu melhor desempenho em condições de frio, importante no norte e oeste da China.Além do transporte rodoviário, o modelo mostra a adoção generalizada de tecnologias de hidrogênio no transporte marítimo no cenário ZERO-H.O transporte doméstico da China é muito intensivo em energia e um desafio de descarbonização especialmente difícil.Hidrogênio limpo, especialmente como
matéria-prima para amônia, oferece uma opção para a descarbonização do transporte.A solução de menor custo no cenário ZERO-H resulta em 65% de penetração de navios movidos a amônia e 12% de navios movidos a hidrogênio em 2060 (Fig. 3).Nesse cenário, o hidrogênio representará em média 56% do consumo final de energia de todo o setor de transporte em 2060. Também modelamos o uso de hidrogênio em aquecimento residencial (Nota Complementar 6), mas sua adoção é insignificante e este trabalho foca em uso de hidrogênio em indústrias de HTA e transporte pesado.Economia de custos da neutralidade de carbono usando hidrogênio limpo O futuro neutro em carbono da China será caracterizado pelo domínio da energia renovável, com a eliminação gradual do carvão em seu consumo de energia primária (Fig. 4).Os combustíveis não fósseis compreendem 88% do mix de energia primária em 2050 e 93% em 2060 sob ZERO-H.Eólica e solar fornecerão metade do consumo de energia primária em 2060. Em média, nacionalmente, a participação do hidrogênio limpo na energia final total (TFEC) pode chegar a 13% em 2060. Considerando a heterogeneidade regional das capacidades de produção em indústrias-chave por região (Tabela Suplementar 7), há dez províncias com quotas de hidrogênio de TFEC superiores à média nacional, incluindo Mongólia Interior, Fujian, Shandong e Guangdong, impulsionada por ricos recursos solares e eólicos onshore e offshore e/ou múltiplas demandas industriais de hidrogênio.No cenário ZERO-NH, o custo de investimento cumulativo para atingir a neutralidade de carbono até 2060 seria de US$ 20,63 trilhões, ou 1,58% do produto interno bruto (PIB) agregado para 2020–2060.O investimento adicional médio anual seria de cerca de US$ 516 bilhões por ano.Esse resultado é consistente com o plano de mitigação de US$ 15 trilhões da China até 2050, um novo investimento médio anual de US$ 500 bilhões (ref. 22).No entanto, a introdução de opções limpas de hidrogênio no sistema de energia e matérias-primas industriais da China no cenário ZERO-H resulta em um investimento cumulativo significativamente menor de US$ 18,91 trilhões até 2060 e oinvestimento seria reduzido para menos de 1% do PIB em 2060 (Fig.4).Em relação aos setores de HTA, o custo anual de investimento nessessetores ficaria em torno de US$ 392 bilhões por ano no ZERO-NHcenário, o que é consistente com a projeção da EnergiaComissão de Transição (US$ 400 bilhões) (ref. 23).No entanto, se limpo
hidrogênio é incorporado ao sistema de energia e matérias-primas químicas, o cenário ZERO-H indica que o custo de investimento anual nos setores de HTA pode ser reduzido para US$ 359 bilhões, principalmente pela redução da dependência de CCUS ou NETs caros.Nossos resultados sugerem que o uso de hidrogênio limpo pode economizar US$ 1,72 trilhão em custos de investimento e evitar uma perda de 0,13% no PIB agregado (2020-2060) em comparação com um caminho sem hidrogênio até 2060.
Fig. 3 |Penetração da tecnologia em setores típicos de HTA.Resultados nos cenários BAU, NDC, ZERO-NH e ZERO-H (2020–2060).Em cada ano marcante, a penetração da tecnologia específica em diferentes setores é mostrada pelas barras coloridas, onde cada barra é uma porcentagem de penetração de até 100% (para uma rede totalmente sombreada).As tecnologias são ainda classificadas por diferentes tipos (mostrado nas legendas).GNV, gás natural comprimido;GLP, gás liquefeito de petróleo;GNL, gás natural líquido;w/wo, com ou sem;EAF, forno elétrico a arco;NSP, novo processo seco do pré-aquecedor de suspensão;WHR, recuperação de calor residual.
Horário de postagem: 13 de março de 2023
