Инань Ли, Сон Лан, Мортен Райберг, Хавьер Перес Рамирез, Сяонан Ван
РЕЗЮМЕ
Достижение углеродной нейтральности к 2060 году - недавнее выражение международной преданности Китая позиции уменьшения выбросов углекислого газа. Деятельность энергетического и химического секторов, которые провоцируют наибольшие выбросы углекислого газа в Китае, мешают достижению цели углеродной нейтральности. Более того, производство аммиака из угля и производство метанола из угля являются основными источниками выбросов CO2 в китайском угольно-химическом секторе. Это исследование рассматривает возможный путь к достижению углеродной нейтральности на основе энергетически-химической связи для производства электроэнергии, а также метанола и аммиака. Самым эффективным решением для выполнения обязательств определено рассмотрение региональных различий между возобновляемыми и невозобновляемыми ресурсами и участие в оптимизированном региональном сотрудничестве. Согласно стратегическому плану, представленному в этом исследовании, целесообразным и перспективным является оптимальное сочетание ископаемых видов топлива и возобновляемых источников энергии, представляя собой основу энергосберегающей энергетики.
ВВЕДЕНИЕ
Столкнувшись с насущной необходимостью решить вопрос изменения климата, «Копенгагенское соглашение» и «Парижское соглашение» предложили правительствам разработать национальные цели по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ). Во исполнение международных обязательств Китай установил национальную цель - достичь пиковых значений выбросов диоксида углерода (CO2) до 2030 года и сократить выбросы ПГ на единицу валового внутреннего продукта на 60-65% в 2030 году по сравнению с уровнями 2005 года, известными как Климатические обязательства (Государственный совет, 2016). В сентябре 2020 году на Генеральной Ассамблее Организации Объединенных Наций Китай не только подтвердил свою национальную цель - достичь пиковых значений выбросов CO2 к 2030 году, но также объявил цель по достижению углеродной нейтральности к 2060 году. Такое обязательство является амбициозной целью, так как Китай является крупнейшим источником ежегодных выбросов CO2 в мире с 2006 года. Новость о планах Китая достичь углеродной нейтральности была воспринята как "обстоятельство, которое в корне меняет ситуацию" для мирового климата (Европейская служба внешних действий, 2020). Этот серьезный шаг в борьбе с изменением климата со стороны Китая будет побуждать другие страны к подобным действиям. После анонса многие организации и исследовательские группы разработали модели для воспроизведения различных путей дальнейшего развития (Энергетический фонд фонд, 2020; Маллапати, 2020). Хотя эти модели разные, их объединяет тот факт, что развитие возобновляемой энергетики является решающим мероприятием в уменьшении выбросов CO2 от сгорания ископаемого топлива.
Однако невозможно осуществить полноценный переход к «зеленой энергии» (например, гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии и биомассе) от «серой энергии», в структуре которой преобладает уголь, нефть и газ, в короткий срок. Поэтому дальнейшее использование ископаемого топлива в сочетании с технологиями захвата и хранения углерода (CCS) определено как еще один потенциальный путь достижения цели уменьшения выбросов ПГ (Ван и др., 2020). Понятие голубой энергии, которая определяется как сочетание возобновляемых и невозобновляемых ресурсов, широко используется многими исследователями (Паттл, 1954; Рамон та ін., 2011; Чжоу и Цзян, 2020). Как было продемонстрировано в нашем исследовании, оптимизированное сочетание зеленой и серой энергии, которое формирует «голубую энергетику», является будущим направлением устойчивого развития Китая для достижения цели углеродной нейтральности к 2060 году.
В настоящее время уголь является важнейшим носителем серой энергии в Китае. Он широко используется как источник тепла и электроэнергии и как сырье для производства химических веществ. Итак, около 75% выбросов парниковых газов в Китае происходит за счет потребления угля (China Power, 2019). Энергетический и химический сектора являются двумя основными источниками выбросов CO2, на которые суммарно приходилось около 45% общих выбросов CO2 в Китае в 2015 году (МEA, 2016). Очевидно, что энергетический и химический сектора имеют решающее значение для достижения цели углеродной нейтральности к 2060 году.
Следовательно, контроль выбросов CO2 крупнейшими источниками выбросов следует рассматривать как один из самых эффективных методов при разработке плана углеродной нейтральности. Более того, производство аммиака из угля и производство метанола из угля являются основными источниками выбросов CO2 и, соответственно, составляют 41,3% и 21,0% общего объема выбросов CO2 угольно-химическим сектором Китая (Хуанг и др., 2019). Итак, модернизация и диверсификация методов их производства может существенно способствовать достижению цели углеродной нейтральности. В этом исследовании предлагается план отхода от независимой отраслевой модели развития и формирование отраслевой взаимосвязи. Соответствующие концепции, включая энергетически-химическую связь (Ли и др., 2020) и экономику производства метанола (Ши та ін., 2018), становятся все более привлекательными. Возобновляемые ресурсы используются в производстве химических продуктов, широко применяются в переработке, транспортировке и торговле возобновляемой энергией. В связи с этим потенциал «возобновляемого метанола», который производится из CO2, воды и возобновляемых ресурсов, был предметом многих новаторских исследований (Абате и др., 2015; Чен и др., 2019; Ли и др., 2020; Робиний и др., 2017). Следует отметить, что большинство исследований, изучающих концепцию восстанавливаемого метанола, ограничиваются промышленными масштабами, просто предполагая большое количество возобновляемых источников энергии и большой спрос на химические продукты (Аль-Кахтани и др., 2020; Чен и др., 2019; Чжан и др., 2020). Однако не учитывается наличие сырья, научно-технический обмен и структура рынка. В нашем предыдущем исследовании (Ли и др., 2020) проанализирована энергетически-химическая связь производства возобновляемого метанола в Китае с точки зрения географии, отраслевого развития, окружающей среды и экономических затрат. Многие исследования также отмечали расширение использования возобновляемых источников энергии и замену ископаемого топлива как в энергетическом, так и в химическом секторах, не учитывая, что плавный и эффективный переход к энергетически-химическому взаимодействию требует совместного использования как возобновляемых источников энергии, так и ископаемого топлива (Аль-Кахтани и др., 2020; Каув и др., 2015).
Учитывая, что производство метанола и аммиака является основным фактором, способствующим выбросам CO2 в Китае, мы предлагаем концепцию голубой энергетики, сложившейся энергетически-химическим отраслевым взаимодействием, которое превращает как серую, так и зеленую энергию в метанол и аммиак как энергоносители. «Экономика производства метанола», представленная выше (Ли и др., 2020), предусматривает более плавный и эффективный переход к энергетически-химическому взаимодействию. Насколько нам известно, это первый случай, когда потенциал метанола и аммиака, работающих вместе как носители голубой энергии, исследовался количественными методами в контексте Китая. Чтобы способствовать формированию политики по достижению цели углеродной нейтральности к 2060 г., это исследование предлагает аналитическую оценку развития голубой энергетики через энергетически-химическое взаимодействие. Мы разработали модель регионального сотрудничества, которая оптимизирует региональное развитие энергетического и химического секторов Китая по сценарию политики углеродной нейтральности к 2060 году с минимальными затратами. При четком моделировании естественного распада основных атмосферных парниковых газов также подробно оценивается динамичное развитие климатических изменений, связанное с планетарными пределами.
Понятие завода по переработке
голубой энергии и экономики голубой энергии
Завод по переработке голубой энергии
Распределение ресурсов между энергетическим и химическим секторами является основным принципом работы заводов по переработке голубой энергии. В соответствии с Рисунком 1, энергетический сектор одновременно поставляет электроэнергию, CO2 и ископаемое топливо химическому сектору. Химические заводы, работающие на ископаемом топливе и голубой энергии, производят метанол и аммиак из ископаемого топлива и не ископаемого топлива соответственно. Кроме использования готовых химических продуктов, метанол и аммиак также важны и являются универсальными химическими веществами для производства топлива, сельскохозяйственных удобрений и других химических веществ, помогая в значительной мере расширить ассортимент продукции заводов по переработке голубой энергии.
Экономика голубой энергии
Формирование экономики голубой энергии требует сети заводов по переработке голубой энергии, а также привлечения других секторов. Соответствующие носители голубой энергии являются ключом к целостной трансформации во всех секторах. Метанол и аммиак, которые являются стабильными жидкостями в условиях окружающей среды и пригодны для хранения, транспортировки и распределения, были предложены в качестве носителей голубой энергии. Возможности производства метанола и аммиака как из ископаемых, так и из не ископаемых источников могут предложить плавный и эффективный переход от экономики обычной серой энергетики к более устойчивой будущей экономике голубой энергии.
Рисунок 1. Понятие завода по переработке голубой энергии и экономики голубой энергии
Рисунок 1 демонстрирует концепции завода по переработке голубой энергии, сформированного
энергетически-химической связью и его интеграцией с секторами конечного использования, формирующего экономику голубой энергии. Благодаря энергетически-химической связи как серая, так и зеленая энергия используются для производства метанола и аммиака, которые выступают в роли энергоносителей для экономики голубой энергии.
Широкое применение метанола и аммиака обеспечивает разнообразные методы формирования экономики голубой энергии.
Технико-экономический анализ формирования экономики голубой энергии в Китае
Рисунок 2. Технико-экономический анализ формирования экономики голубой энергии в Китае
Сверхпоставки электроэнергии в результате широкомасштабного внедрения возобновляемой энергии.
(A) Распределение объектов CCS.
(B) Высокий уровень технической готовности к Н2-опосредованному химическому синтезу.
(C) Крупнейший рынок метанола и аммиака.
Сверхпоставки электроэнергии в результате широкомасштабного внедрения возобновляемых источников энергии
Наибольшей проблемой для заводов по переработке голубой энергии является масштабное коммерческое производство водорода. Электролиз является перспективным методом производства водорода, который может производить нулевые выбросы в зависимости от источника использованной электроэнергии. Руководствуясь политическими стимулами, Китай добился значительного прогресса в развертывании ВИЭ электростанций, имея самую большую в мире установленную мощность возобновляемой энергии. Гидроэнергия, энергия ветра и солнечная энергия являются тремя основными возобновляемыми источниками энергии в Китае, а их общая установленная мощность в 2019 году достигла 770 ГВт23, Рисунок 1. По сравнению с этими основными возобновляемыми источниками энергии, энергия биомассы в Китае также быстро развивается, выросла на 26,6% и достигла 22,4 ГВт в 2019 году23. Однако использование возобновляемой энергии в Китае ограничено ее нестабильным характером, что влияет на стабильность электросетей (Лью и др., 2013). Итак, чтобы обеспечить безопасность электросетей, приходится отказываться от перехода только на возобновляемую электроэнергию. Как показано на Рисунке 2A, сокращение объемов гидроэнергии, энергии ветра и солнечной энергии в 2019 году достигло 52 ТВт-ч, 16,9 ТВт-ч и 4,6 ТВт-ч соответственно (Лю и др., 2018; Национальное управление энергетики, 2020). Общий объем сокращенной возобновляемой электроэнергии в Китае в 2019 году составил 73,5 ТВт-ч, что эквивалентно общему потреблению электроэнергии в Чили в 2019 году (Enerdata, 2020). Вместо подключения к электросетям эта нестабильная электроэнергия может непосредственно применяться к водным электролизерам для производства водорода, который может использоваться для синтеза метанола и аммиака. Таким образом, возобновляемая энергия хранится в этих носителях голубой энергии, что может повысить эффективность использования возобновляемой энергии.
Большое количество улавливаемого CO2 при разработке CCS
Кроме водорода CO2 также является сырьем для синтеза метанола на химических заводах. CCS - это технология, которая позволяет эффективно улавливать CO2 от угольных теплоэлектростанций и других источников выбросов. Скорость развертывания CCS в Китае высокая благодаря ряду политических мер, предложенных правительством. Как показано на Рисунке 2B, по состоянию на 2018 г. Китай имел 18 объектов CCS в 15 провинциях в энергетике, угольной и нефтяной промышленности. Общая максимальная мощность этих 18 сооружений CCS в Китае может достигать 5,2 млн. т в год. Китай может стать крупнейшим рынком технологий CCS в будущем (Ван и др., 2020).
Однако широкомасштабное развертывание объектов CCS в Китае также сталкивается со многими проблемами. Высокая стоимость такого развертывания препятствует широкому внедрению объектов CCS, особенно это касается стоимости гарантии безопасности геологического хранения (Будинис и др., 2018). Хотя геологическое хранение является самым быстрым решением для захваченного CO2, его использование в качестве сырья для производства метанола может существенно улучшить экономику объектов CCS. Это в свою очередь может еще больше способствовать развертыванию объектов CCS.
Высокий уровень технической готовности к Н2-опосредованному химическому синтезу
Уровни технической и оперативной готовности к Н2-опосредованному производству метанола и аммиака продемонстрированы на Рисунке 2C. Процесс Габера-Боша по преобразованию азота и водорода в аммиак является основной процедурой промышленного производства аммиака во всем мире. Несмотря на то, что процесс Габера-Боша был разработан Фрицем Габером и Карлом Бошем в 1913 году, этот столетний процесс все еще является самой распространенной технологией производства более 90% аммиака во всем мире (Ван и др., 2018a). В настоящее время две трети аммиака в мире синтезируется из природного газа. В то время как в Китае около 97% аммиака производится из угля по причине богатых запасов угля и ограниченных запасов природного газа (Сян и Чжоу, 2018). По сравнению с технологией прямого синтеза аммиака из N2 и H2 с помощью процесса Габера-Боша, синтез метанола из H2 и CO2 является недавно коммерциализированной технологией. Компания Carbon Recycling International (CRI) запустила в Исландии первый в мире завод по производству метанола, который синтезируется непосредственно из H2 и CO2. Завод CRI производит примерно 4000 т/год метанола с 2014 года, компания планирует расширить мощности своих промышленных заводов на 50 Мт/год метанола, используя процесс Лурги по производству метанола из H2 и CO2 в качестве исходного сырья (Грейвс и др., 2011). Первый завод по производству гидрогенизированного метанола из диоксида углерода строится в г. Аньян, провинция Хэнань, с июля 2020 (Carbon Recycling International, 2019). Если, как ожидается, мощности по производству метанола составят 110 000 т/год, завод по производству метанола в Китае станет крупнейшим в мире заводом по производству гидрогенизированного метанола из диоксида углерода (Carbon Recycling International, 2019).
Модель энергетически-химической связи направлена на поиск оптимального решения на основе механизма регионального сотрудничества. Модель содержит три основных элемента: параметры решения, ограничения и решения.
Рисунок 3. Модель энергетически химической связи базируется на оптимизированном региональном сотрудничестве
Основные последствия для потребительского рынка и политики
Китай является крупнейшим в мире производителем и потребителем метанола и аммиака. К 2019 г. потребности Китая в метаноле и аммиаке составляли 60% и 30% мирового потребления метанола и аммиака соответственно, как продемонстрировано на Рисунке 2D (Statista, 2020; USGS, 2020). Структура ископаемых ресурсов Китая "богата углем, но бедна на нефть и газ". Доказанные запасы содержат 94% угля, 5% сырой нефти и 0,6% природного газа (Хан и др., 2018). С целью уменьшения зависимости от иностранной нефти и природного газа и укрепления национальной энергетической безопасности правительство Китая поощряет использование метанола и аммиака как альтернатив импортной нефти и природному газу. Например, набирает обороты использование транспортных средств, работающих на метаноле (Nami, 2015), метанол и аммиак используются для замены природного газа при отоплении (China Energy Net, 2018). Темпы роста спроса в Китае прогнозируются на уровне 7%, а спрос на аммиак останется в основном стабильным (Forward Business Information Co. Ltd., 2019; Ян, 2020). Уголь является основным источником производства метанола и аммиака в Китае благодаря вышеупомянутой энергетической структуре. Доминирование химических заводов, работающих на угольной основе, что является причиной высоких уровней выбросов CO2, а также растущий спрос на химическую продукцию, возможно, помешают достижению цели углеродной нейтральности к 2060 г.
Соотношение компонентов затрат различных технологий в структуре чистых текущих расходов (триллионы юаней, 2018) приведены в графике (А). Термин "транспортировка химических веществ", обозначенный красным, означает общую стоимость транспортировки метанола и аммиака в течение периода планирования. Динамика выбросов (Мт в год) CO2, CH4, N2O и других парниковых газов приведена в графике (B). Положительные и отрицательные выбросы CO2 обозначаются отдельно над и под пунктирной базовой линией, а чистые выбросы CO2 и ПГ обозначаются пунктирной и сплошной линиями соответственно.
Поэтому развертывания химических заводов, работающих на голубой энергии, является жизненно важным для устойчивого развития производства метанола и аммиака в Китае. Кроме того, большинство заводов по производству аммиака в Китае интегрированы с метанольными установками для обеспечения большей стабильности, поскольку это делает возможным любое распределение в процессе производства между метанолом и аммиаком в соответствии с рыночными потребностями (Сю и др., 2017).
Рисунок 4. Чистая текущая стоимость (A) и динамика выбросов парниковых газов (B)
Левая ось на графике (A) демонстрирует совокупную концентрацию CO2 в атмосфере с 2018 года (ч./млн.), что является контрольной переменной для предельной концентрации CO2 в атмосфере. Права ось на графике (A) демонстрирует изменение радиационного воздействия с 2018 года (Вт/ м2), что является контрольной переменной для предельного значения энергетического дисбаланса в верхней части атмосферы. И выбросы, и естественный распад CO2, CH4, и N2O рассматриваются с 2018 по 2060, тогда как лишь естественный распад экстраполируется позже. Две оси в графике (А) отрегулированы таким образом, что национальные безопасные рабочие пространства обеих границ выравниваются между собой, как показывает сплошная красная пунктирная линия. Исходя из оценки влияния, соотношение национальных безопасных рабочих пространств продемонстрировано на графике (B). Более подробная информация о ежегодном накоплении атмосферных парниковых газов представлена на Рисунке S1.
Такие комплексные химические заводы позволяют не только более плавно приспосабливаться к требованиям рынка, а также минимизировать как капитальные, так и операционные расходы, обеспечивая целесообразность интеграции в экономику голубой энергии Китая.
Развитие экономики голубой энергии с учетом установленной Китаем цели достижения углеродной нейтральности к 2060 году
Модель энергетически-химической связи, основанная на оптимизированном региональном сотрудничестве
Диаграмма модели энергетически-химической связи продемонстрирована на Рисунке 3. Для изучения энергетически-химического взаимодействия была отобрана электроэнергия как репрезентативный продукт энергетического сектора, который может производиться с помощью десяти различных технологий, а именно из угля, природного газа, гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии и биомассы, а также с помощью технологий CCS. Для химического сектора рассматриваются метанол и аммиак, которые производятся обычно из угля, природного газа и коксового газа. В частности, метанол и аммиак также могут быть синтезированы непосредственно из CO2 и N2 соответственно, при этом H2 синтезируется с помощью электролиза воды. Для изучения перехода Китая от текущей энергетической структуры к будущей экономике "голубой энергии" в соответствии с целью достижения углеродной нейтральности к 2060 году, модель оптимизации взаимодействия минимизирует чистые текущие расходы в течение более чем 40 лет с 2018 по 2060. Для каждого года нужно, чтобы генерация энергии изо всех источников удовлетворяла спрос на продукцию (энергетическую или химическую), тогда как объем производства не должен превышать существующих мощностей или потенциала, который можно использовать. Кроме того, общие годовые выбросы ПГ должны оставаться в пределах соответствующих целей, установленных правительством, в течение всего периода планирования. Подробную информацию об энергетически-химической модели связи можно посмотреть в разделе STAR Methods. Следует отметить, что политическая схема Китая имеет иерархическую структуру, то есть местное законодательство подчинено общенациональному. Как только центральное правительство примет национальную стратегию поддержки экономики голубой энергии, будет установлено полноценное сотрудничество между провинциями путем торговли и обмена ресурсами.
Рисунок 5. Оценка влияния взаимозависимости планетарных границ, связанных с изменением климата (A) и занимаемых ими национальных безопасных рабочих пространств (B)
