Los resultados del análisis muestran que es poco probable que confiar en la mejora de la eficiencia energética combinada con CCUS y NET solo sea un camino rentable para la descarbonización profunda de los sectores HTA de China, especialmente las industrias pesadas.Más específicamente, la aplicación generalizada de hidrógeno limpio en los sectores HTA puede ayudar a China a lograr la neutralidad de carbono de manera rentable en comparación con un escenario sin producción y uso de hidrógeno limpio.Los resultados brindan una guía sólida para el camino de descarbonización de HTA de China y una referencia valiosa para otros países que enfrentan desafíos similares.
Descarbonizando sectores industriales HTA con hidrógeno limpio
Llevamos a cabo una optimización integrada de menor costo de las vías de mitigación hacia la neutralidad de carbono para China en 2060. En la Tabla 1 se definen cuatro escenarios de modelado: negocios como de costumbre (BAU), contribuciones determinadas a nivel nacional de China en virtud del Acuerdo de París (NDC), net- cero emisiones con aplicaciones sin hidrógeno (ZERO-NH) y cero emisiones netas con hidrógeno limpio (ZERO-H).Los sectores de HTA en este estudio incluyen la producción industrial de cemento, hierro y acero y productos químicos clave (incluidos amoníaco, soda y sosa cáustica) y el transporte pesado, incluidos los camiones y el transporte marítimo nacional.Los detalles completos se proporcionan en la sección Métodos y las Notas complementarias 1–5.En cuanto al sector siderúrgico, la parte dominante de la producción existente en China (89,6%) corresponde al proceso básico de alto horno de oxígeno, un desafío clave para la descarbonización profunda de este
industria.El proceso de horno de arco eléctrico representó solo el 10,4% de la producción total en China en 2019, que es un 17,5% menos que la participación promedio mundial y un 59,3% menos que la de los Estados Unidos18.Analizamos 60 tecnologías clave de mitigación de emisiones siderúrgicas en el modelo y las clasificamos en seis categorías (Fig. 2a): mejora de la eficiencia de los materiales, rendimiento de tecnología avanzada, electrificación, CCUS, hidrógeno verde e hidrógeno azul (Tabla complementaria 1).La comparación de las optimizaciones de costos del sistema de ZERO-H con los escenarios NDC y ZERO-NH muestra que la inclusión de opciones de hidrógeno limpio produciría una notable reducción de carbono debido a la introducción de procesos de reducción directa de hierro (hidrógeno-DRI).Tenga en cuenta que el hidrógeno puede servir no solo como fuente de energía en la fabricación de acero, sino también como agente reductor de reducción de carbono de forma complementaria en el proceso de alto horno-horno de oxígeno básico (BF-BOF) y 100% en la ruta de hidrógeno-DRI.Bajo ZERO-H, la cuota de BF-BOF se reduciría al 34 % en 2060, con un 45 % de horno de arco eléctrico y un 21 % de hidrógeno-DRI, y el hidrógeno limpio suministraría el 29 % de la demanda total de energía final del sector.Dado que se espera que el precio de la red para la energía solar y eólica aumentedisminuya a US$38–40MWh−1 en 205019, el costo del hidrógeno verde
también disminuirá, y la ruta 100% hidrógeno-DRI puede desempeñar un papel más importante de lo reconocido anteriormente.Con respecto a la producción de cemento, el modelo incluye 47 tecnologías clave de mitigación en los procesos de producción clasificadas en seis categorías (Tablas complementarias 2 y 3): eficiencia energética, combustibles alternativos, reducción de la relación clinker-cemento, CCUS, hidrógeno verde e hidrógeno azul ( Figura 2b).Los resultados muestran que las tecnologías mejoradas de eficiencia energética pueden reducir solo del 8 al 10 % de las emisiones totales de CO2 en el sector del cemento, y las tecnologías de cogeneración de calor residual y oxicombustible tendrán un efecto de mitigación limitado (4 al 8 %).Las tecnologías para reducir la relación clínker-cemento pueden generar una mitigación de carbono relativamente alta (50-70%), principalmente al incluir materias primas descarbonizadas para la producción de clínker utilizando escoria granulada de alto horno, aunque los críticos cuestionan si el cemento resultante conservará sus cualidades esenciales.Pero los resultados actuales indican que la utilización de hidrógeno junto con CCUS podría ayudar al sector del cemento a alcanzar emisiones de CO2 cercanas a cero en 2060.
En el escenario ZERO-H, 20 tecnologías basadas en hidrógeno (de las 47 tecnologías de mitigación) entran en juego en la producción de cemento.Encontramos que el costo promedio de reducción de carbono de las tecnologías de hidrógeno es más bajo que los enfoques típicos de CCUS y cambio de combustible (Fig. 2b).Además, se espera que el hidrógeno verde sea más barato que el hidrógeno azul después de 2030, como se analiza en detalle a continuación, a alrededor de USD 0,7–USD 1,6 kg−1 H2 (ref. 20), lo que generará reducciones significativas de CO2 en el suministro de calor industrial en la fabricación de cemento. .Los resultados actuales muestran que puede reducir entre el 89% y el 95% del CO2 del proceso de calentamiento en la industria de China (Fig. 2b, tecnologías
28–47), que es consistente con la estimación del Hydrogen Council de 84–92% (ref. 21).Las emisiones de CO2 del proceso de clínker deben reducirse mediante CCUS tanto en ZERO-H como en ZERO-NH.También simulamos el uso de hidrógeno como materia prima en la producción de amoníaco, metano, metanol y otras sustancias químicas enumeradas en la descripción del modelo.En el escenario CERO-H, la producción de amoníaco a base de gas con calor de hidrógeno obtendrá una participación del 20 % de la producción total en 2060 (Fig. 3 y Tabla complementaria 4).El modelo incluye cuatro tipos de tecnologías de producción de metanol: carbón a metanol (CTM), gas de coque a metanol (CGTM), gas natural a metanol (NTM) y CGTM/NTM con calor de hidrógeno.En el escenario ZERO-H, CGTM/NTM con calor de hidrógeno puede alcanzar una cuota de producción del 21 % en 2060 (Fig. 3).Los productos químicos también son portadores potenciales de energía del hidrógeno.Sobre la base de nuestro análisis integrado, el hidrógeno puede representar el 17 % del consumo de energía final para el suministro de calor en la industria química para 2060. Junto con la bioenergía (18 %) y la electricidad (32 %), el hidrógeno tiene un papel importante que desempeñar en 
descarbonización de la industria química HTA de China (Fig. 4a).
Figura 2 |Potencial de mitigación de carbono y costos de reducción de tecnologías clave de mitigación.a, Seis categorías de 60 tecnologías clave de mitigación de emisiones siderúrgicas.b, Seis categorías de 47 tecnologías clave de mitigación de emisiones de cemento.Las tecnologías se enumeran por número, con las definiciones correspondientes incluidas en la Tabla complementaria 1 para a y la Tabla complementaria 2 para b.Los niveles de preparación tecnológica (TRL) de cada tecnología están marcados: TRL3, concepto;TRL4, pequeño prototipo;TRL5, gran prototipo;TRL6, prototipo completo a escala;TRL7, demostración precomercial;TRL8, demostración;TRL10, adopción temprana;TRL11, maduro.
Descarbonización de los modos de transporte HTA con hidrógeno limpio Sobre la base de los resultados del modelo, el hidrógeno también tiene un gran potencial para descarbonizar el sector del transporte de China, aunque llevará tiempo.Además de los LDV, otros modos de transporte analizados en el modelo incluyen autobuses de flota, camiones (ligeros/pequeños/medianos/pesados), transporte marítimo nacional y ferrocarriles, que cubren la mayor parte del transporte en China.Para los LDV, los vehículos eléctricos buscan seguir siendo competitivos en costos en el futuro.En ZERO-H, la penetración de las pilas de combustible de hidrógeno (HFC) en el mercado de LDV alcanzará solo el 5% en 2060 (Fig. 3).Sin embargo, para los autobuses de flota, los autobuses HFC serán más competitivos en costos que las alternativas eléctricas en 2045 y comprenderán el 61% de la flota total en 2060 en el escenario CERO-H, con el resto eléctrico (Fig. 3).En cuanto a los camiones, los resultados varían según el índice de carga.La propulsión eléctrica impulsará más de la mitad de la flota total de camiones ligeros para 2035 en ZERO-NH.Pero en ZERO-H, los camiones ligeros HFC serán más competitivos que los camiones ligeros eléctricos para 2035 y representarán el 53 % del mercado para 2060. En cuanto a los camiones pesados, los camiones pesados HFC alcanzarían el 66 % del mercado. mercado en 2060 en el escenario ZERO-H.Los HDV (vehículos pesados) diésel/biodiésel/CNG (gas natural comprimido) abandonarán el mercado después de 2050 en los escenarios CERO-NH y CERO-H (Fig. 3).Los vehículos HFC tienen una ventaja adicional sobre los vehículos eléctricos en su mejor desempeño en condiciones de frío, importante en el norte y oeste de China.Más allá del transporte por carretera, el modelo muestra una adopción generalizada de tecnologías de hidrógeno en el transporte marítimo en el escenario ZERO-H.El envío nacional de China consume mucha energía y es un desafío de descarbonización especialmente difícil.Hidrógeno limpio, especialmente como
materia prima para el amoníaco, ofrece una opción para la descarbonización de envío.La solución de menor costo en el escenario ZERO-H da como resultado una penetración del 65% de los barcos alimentados con amoníaco y del 12% de los barcos alimentados con hidrógeno en 2060 (Fig. 3).En este escenario, el hidrógeno representará un promedio del 56 % del consumo de energía final de todo el sector del transporte en 2060. También modelamos el uso de hidrógeno en la calefacción residencial (Nota complementaria 6), pero su adopción es insignificante y este documento se centra en uso de hidrógeno en industrias HTA y transporte pesado.Ahorro de costos de la neutralidad de carbono utilizando hidrógeno limpio El futuro neutral en carbono de China se caracterizará por el dominio de las energías renovables, con una eliminación gradual del carbón en su consumo de energía primaria (Fig. 4).Los combustibles no fósiles comprenden el 88 % de la combinación de energía primaria en 2050 y el 93 % en 2060 bajo CERO-H. La energía eólica y la solar suministrarán la mitad del consumo de energía primaria en 2060. En promedio, a nivel nacional, la participación de hidrógeno limpio en la energía final total (TFEC) podría alcanzar el 13 % en 2060. Teniendo en cuenta la heterogeneidad regional de las capacidades de producción en industrias clave por región (Tabla complementaria 7), hay diez provincias con porcentajes de hidrógeno en TFEC superiores al promedio nacional, incluidas Mongolia Interior, Fujian, Shandong y Guangdong, impulsada por abundantes recursos solares y eólicos terrestres y marinos y/o múltiples demandas industriales de hidrógeno.En el escenario CERO-NH, el costo de inversión acumulado para lograr la neutralidad de carbono hasta 2060 sería de $ 20,63 billones, o el 1,58% del producto interno bruto (PIB) agregado para 2020-2060.La inversión adicional promedio sobre una base anual sería de alrededor de US$516 mil millones por año.Este resultado es consistente con el plan de mitigación de US$15 billones de China hasta 2050, una nueva inversión anual promedio de US$500 mil millones (ref. 22).Sin embargo, la introducción de opciones de hidrógeno limpio en el sistema energético de China y las materias primas industriales en el escenario CERO-H da como resultado una inversión acumulada significativamente menor de US $ 18,91 billones para 2060 y la inversión anualla inversión se reduciría a menos del 1% del PIB en 2060 (Fig.4).En cuanto a los sectores de HTA, el costo de inversión anual en aquellossectores sería de alrededor de US$392 mil millones por año en el ZERO-NHescenario, lo cual es consistente con la proyección de la EnergíaComisión de Transición (US$400 mil millones) (ref. 23).Sin embargo, si está limpio
el hidrógeno se incorpora al sistema energético y a las materias primas químicas, el escenario ZERO-H indica que el costo de inversión anual en los sectores HTA podría reducirse a US$359 mil millones, principalmente al reducir la dependencia de los costosos CCUS o NET.Nuestros resultados sugieren que el uso de hidrógeno limpio puede ahorrar USD 1,72 billones en costos de inversión y evitar una pérdida del 0,13 % en el PIB agregado (2020–2060) en comparación con un camino sin hidrógeno hasta 2060.
Figura 3 |Penetración de tecnología en sectores típicos de HTA.Resultados bajo escenarios BAU, NDC, ZERO-NH y ZERO-H (2020-2060).En cada año hito, la penetración de tecnología específica en diferentes sectores se muestra mediante barras de colores, donde cada barra es un porcentaje de penetración de hasta el 100 % (para un enrejado completamente sombreado).Las tecnologías se clasifican además por diferentes tipos (que se muestran en las leyendas).GNC, gas natural comprimido;GLP, gas licuado de petróleo;GNL, gas natural licuado;w/wo, con o sin;EAF, horno de arco eléctrico;NSP, nuevo precalentador de suspensión proceso seco;WHR, recuperación de calor residual.
Hora de publicación: 13-mar-2023
