Продолжение части 1

Рисунок 6. Внедрение технологий производства электроэнергии (A), метанола (B) и аммиака (C)

Оценка стоимости и выбросов

В этой работе рассматривается путь сокращения выбросов для Китая (Чжан, 2020), который специально был разработан для трансформации энергетической системы и достижения углеродной нейтральности к 2060 году. Национальные нормы по выбросам уменьшаются пропорционально в соответствии с долей выбросов парниковых газов, вызванных энергетически-химическим взаимодействием, в структуре общего объема выбросов парниковых газов в Китае в 2018 году (статус кво). Минимизация чистых текущих расходов (ЧТР) энергетически-химической связи по учетной ставке 8% при условии проведения указанных выше операций и сокращения выбросов составляет 31,86 трлн. юаней (2018 г.), или около 4,8 триллиона долларов США по среднему курсу в 2018 году (ОЭСР, 2020). Структура ЧТР оптимального решения и соответствующая динамика выбросов приведены на Рисунке 4.

Рисунок 4A демонстрирует, что расходы в энергетическом секторе доминируют в общей структуре ЧТР, что можно объяснить следующими двумя факторами.

Рисунок 7. Карта производства и передачи электроэнергии в Китае в 2060 году

На графике (А) секторные диаграммы демонстрируют долю производства электроэнергии в разных провинциях. Общенациональная доля производимой электроэнергии представлена на кольцевой диаграмме. Фоновый цвет провинций показывает количество произведенной электроэнергии (ТВт-ч в год). На графике (B) стрелки иллюстрируют общий объем передачи энергии (как электроэнергии, так и экологически чистых химических веществ) между различными провинциями, а их цвета отражают объем передаваемой электроэнергии. Объем зеленого метанола и зеленого аммиака превращается в электроэнергию с учетом теплового эквивалента и отображается зелеными цифрами. Объем переданной электроэнергии отображается черными цифрами. Информация о других годах изображена на Рисунках S5 и S6, а интерактивные версии графиков, которые показаны на Рисунках 7, 8 и 9, представлены в Data S1.

Во-первых, национальный спрос на электроэнергию в Китае значительно превышает спрос на метанол и аммиак, особенно когда речь идет о будущей тенденции увеличения электрификации. Во-вторых, в рамках межотраслевой взаимосвязи расходы на коммунальные услуги частично несет энергетический сектор, что также объясняет, почему затраты на производство метанола на основе CO2 и аммиака на основе N2 незначительны. В энергетическом секторе для различных технологий можно наблюдать различные структуры расходов. В частности, капитальные расходы являются главным компонентом стоимости энергии ветра и солнечной энергии, тогда как переменные затраты доминируют в структуре затрат на производство электроэнергии из ископаемых материалов. Кроме того, интересно отметить тот факт, что, несмотря на то, что производство электроэнергии из угля постепенно будет заменено в будущем, ее стоимость все еще остается высокой, что можно объяснить расчетом ЧТР, то есть расходы, возникшие ранее, в будущем менее дисконтируются при пересчете на нынешние значения. Динамика выбросов для трех типичных видов ПГ - CO2, CH4 и N2O - вместе с общим объемом других ПГ приведена на Рисунке - 4B. Все ПГ превращаются в эквиваленты CO2 (CO2-экв.) в соответствии со 100-летним потенциалом глобального потепления (ПГП-100a) из Пятого отчета об оценке работы Межправительственной группы ООН по вопросам изменения климата (IPCC) (Мире и др., 2013). Как можно видеть, на эти три вида парниковых газов приходится более 97% общих положительных выбросов парниковых газов в течение планового периода, тогда как негативные выбросы CO2 в энергетически-химическом взаимодействии возникают после 2050 г. Чистый нулевой уровень выбросов парниковых газов достигается к 2060 году в соответствии с целевым показателем углеродной нейтральности.

Планетарные границы оценки изменения климата

Концепция планетарных границ предлагает набор критериев для оценки абсолютной устойчивости на основе процессов системы Земли. Для количественной оценки влияния мер контроля выбросов на борьбу с изменением климата к концу этого века (2100 г.) могут использоваться две соответствующие планетарные границы, то есть концентрация CO2 в атмосфере (ч./млн.) и энергетический дисбаланс в верхней части атмосферы (Вт/м2) . Первая граница предполагает четкое верхнее ограничение концентрации CO2 в атмосфере, тогда как вторая является более фундаментальной и жесткой. В этом исследовании взяты глобальные безопасные рабочие пространства обеих границ (Стеффен и др., 2015), а затем уменьшены до национального уровня в соответствии с долей населения Китая (Отдел народонаселения Департамента экономических и социальных вопросов ООН, 2019). Как выбросы, так и естественный распад трех основных упомянутых видов ПГ, то есть CO2, CH4, и N2O, четко моделируются с 2018 по 2060 гг. Для того, чтобы оценить последствия выбросов ПГ в течение периода планирования до конца этого века, а также учитывая цель Китая достичь углеродной нейтральности к 2060 году, которая требует чистого нулевого уровня национальных выбросов парниковых газов после 2060г., естественный распад этих трех атмосферных ПГ рассчитывается до 2100 года.

Как продемонстровано на Рисунке 5A, концентрация выбросов парниковых газов в результате энергетически-химического взаимодействия с 2018 по 2060 гг. с точки зрения концентрации CO2 в атмосфере и радиационного воздействия достигнет максимума примерно в 2045 г., после чего начнет уменьшаться в результате сокращения выбросов парниковых газов. Мы видим, что такое снижение будет происходить медленно, в частности, благодаря длительной продолжительности концентрации CO2 в атмосфере. Рисунок 5B демонстрирует, что выбросы, связанные с энергетически-химическим взаимодействием, с 2018 по 2060 гг. составят около 140% безопасного национального рабочего пространства Китая примерно к 2050 году и около 120% к концу века. Это обусловлено медленным выведением CO2 из атмосферы и тем, что часть населения Китая в мире уменьшится в будущем через больший прирост населения в других странах (Отдел народонаселения Департамента экономических и социальных вопросов ООН, 2019). В целом мы видим, что доля национального безопасного рабочего пространства со временем уменьшается.

Рисунок 8. Сравнительная характеристика производства метанола между 2020 и 2060 годами

Секторные диаграммы демонстрируют соотношение методов производства метанола в разных провинциях. Соотношение методов производства метанола на национальном уровне можно увидеть на кольцевой диаграмме. Фоновый цвет провинций демонстрирует объем производства метанола (Мт в год).
Информация о других годах представлена на Рисунке S7 .

Оценка технологий и отраслевого развития

В течение периода планирования с 2018 по 2060 гг. применяются различные технологии, которые демонстрируют четкую тенденцию трансформации от текущей «серой энергии» к будущей экономике «голубой энергии», как показано на Рисунке 6. В секторе электроэнергетики возобновляемые источники энергии (гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия и биомасса) постепенно становятся основным источником производства электроэнергии, а объекты, работающие на угле, прекращают свою работу и частично заменяются заводами по захвату и консервации углерода. Как технология негативных выбросов, производство электроэнергии из биомассы начнет набирать обороты после 2050 г. с целью дальнейшего снижения выбросов ПГ до нуля к 2060 году. Для химического сектора, учитывая увеличение спроса на метанол, может наблюдаться увеличение производства метанола из ископаемых веществ; однако производство метанола на основе CO2 начнется примерно в 2040 г. и в конце концов будет доминировать в технологическом комплексе до конца периода планирования. Ожидается, что в будущем спрос на аммиак будет стабильным; таким образом, фазовый переход от процесса производства аммиака из ископаемых веществ к процессу его производства из N2 будет наблюдаться после 2040 г., когда закончится срок эксплуатации большинства существующих заводов.

Доля возобновляемых источников энергии резко возрастет в энергетическом секторе и составит примерно 70% от общего производства электроэнергии в Китае в 2060, как показано на Рисунке 7A. Национальные базы производства электроэнергии в больших масштабах будут сформированы как в Синьцзяне, так и во Внутренней Монголии. Хотя обычные угольные и природные газовые электростанции будут полностью ликвидированы, установки по производству электроэнергии из биомассы будут широко развернуты по всей стране, что обеспечит стабильность всей энергосистемы. Около 90% энергии ветра, 80% солнечной энергии и 80% гидроэнергетических ресурсов Китая распределены соответственно в северных, северо-западных и юго-западных регионах (Хуан, 2020). Однако наибольшее потребление электроэнергии в основном приходится на восточные регионы. Поэтому нужны тысячи километров линий электропередачи сверхвысокого напряжения, чтобы соответствовать этому географическому дисбалансу в Китае, как показано на Рисунке 7B. Заводы по переработке голубой энергии превращают возобновляемую энергию в экологически чистые химические вещества. Таким образом, возобновляемая энергия не только передается через электросети, но и транспортируется электросетями в виде «зеленого» метанола и «зеленого» аммиака. Как показано на Рисунке 7B, электросеть была расширена за счет транспортировки «зеленого» метанола и «зеленого» аммиака.

В химическом секторе доминирование традиционных методов производства метанола и аммиака из ископаемого топлива исчезнет, зато наберут обороты химические методы производства на основе голубой энергии, такие как производство метанола из CO2 и производство аммиака из H2. Рисунки 8 и 9 демонстрируют сравнительную характеристику химических секторов между 2020 и 2060 гг. на уровне провинций. Хотя производство метанола из коксового газа и природного газа все еще будет распространено во многих провинциях в качестве предпочтительных методов в 2060 г., общий объем такого производства составит лишь около 30% от общенационального производства метанола. Заводы по производству аммиака из ископаемого топлива будут полностью заменены заводами по производству аммиака из голубой энергии. Провинции Синьцзян, Цинхай и Внутренняя Монголия станут национальными базами производства метанола и аммиака. Северо-западные провинции, которые сейчас остаются относительно слаборазвитыми по сравнению с другими частями страны, станут центром производства электроэнергии и химической промышленности в Китае. Эти изменения существенно поспособствуют реализации китайской программы развития Запада и Инициативы "Пояс и путь".

Рисунок 9. Сравнительная характеристика производства аммиака между 2020 и 2060 годами

Секторные диаграммы демонстрируют соотношение методов производства аммиака в различных провинциях. Соотношение методов производства аммиака на национальном уровне можно увидеть на кольцевой диаграмме. Фоновый цвет провинций демонстрирует объем производства аммиака (Мт в год).
Информация о других годах представлена на Рисунке S8 .

Оценка энергетической безопасности

Незначительные запасы нефти и быстрый рост спроса на нефть приводят к зависимости Китая от иностранной нефти, импорт которой в 2019 году превысил 70% (МЭА, 2020), что серьезно угрожает энергетической безопасности страны. Экономика голубой энергии обеспечит Китаю альтернативу нефтепродуктам и сыграет важную роль в обеспечении энергетической безопасности. Китай определил метанол не только химическим материалом, но и альтернативным топливом для транспортных средств. Китай - первая страна, которая начала применять чистый метанол (M100) как для легковых автомобилей, так и для грузовых автомобилей (Ли и др., 2019). К 2019 году общее количество транспортных средств, работающих на метаноле, составляла около 10000 (Чжао, 2019). Несмотря на то, что электрических автомобилей гораздо больше, чем автомобилей, работающих на метаноле, усовершенствованный метанольный двигатель предлагает новые перспективы. В связи с этим в этом разделе исследуется возможность избыточного производства метанола для замены бензина.
Согласно прогнозу зависимости Китая от иностранной нефти (Ван и др., 2018b), потребление нефти в Китае будет неуклонно расти и достигнет пика 1027 млн. т., при этом коэффициент внешней зависимости нефти превысит 80% в 2030 г., как показано красной пунктирной линией на Рисунке 10. Предполагается, что метанол может стать альтернативой бензину и повысить энергетическую безопасность страны. Метанол сгорает в двигателях эффективнее бензина, хотя тепловая мощность метанола составляет лишь половину от мощности бензина. Итак, около 1,4 т метанола может заменить 1 т бензина (Ян и Джексон, 2012). Замененное количество бензина можно переработать в стандартную сырую нефть согласно фиксированному коэффициенту 0,83 кг бензина на 1 кг сырой нефти (Жили и др., 2019). Мы вводим ограничение энергетической безопасности на основании предыдущей модели, которая требует, чтобы иностранная зависимость от нефти оставалась около 70%, как показано красной линией на Рисунке 10. Согласно этому ограничению энергетической безопасности будет производиться дополнительное количество метанола, чтобы обеспечить альтернативу сырой нефти, как показано зеленой линией на Рисунке 10. Можно видеть, что замена бензина метанолом является эффективным подходом для усиления энергетической безопасности. Чтобы в 2030 году зависимость Китая от иностранной нефти оставалась ниже 70%, первоначальная потребность в нефти может быть уменьшена на 50% за счет замещения бензина метанолом.

Ограничение предмета исследования

В этом исследовании есть несколько аспектов, которые могут быть рассмотрены в дальнейших исследованиях. Во-первых, достижение цели углеродной нейтральности к 2060 году в Китае требует усилий всех секторов. Однако установление доли выбросов для энергетического и химического секторов, которые производят наибольшее количество выбросов, рассматривается как один из важнейших вопросов при введении и разработке плана углеродной нейтральности. Рассмотрение вопроса по установлению доли выбросов для других секторов выходит за рамки настоящего исследования. В этом документе мы сосредотачиваемся на метаноле и амиаке, поскольку они являются основными источниками выбросов CO2, на которые приходится более 60% выбросов в угольно-химической промышленности Китая. Другие возможные альтернативные технологии, такие как электрические транспортные средства или транспортные средства, работающие на водородном топливе, не являются предметом данного исследования.
Несмотря на то, что предметом данного исследования является энергетический и химический сектора Китая, результаты, представленные в этой работе, могут дать некоторое понимание относительно использования концепции отраслевого взаимодействия в других секторах. Для любых секторов, которые хотели бы способствовать достижению цели углеродистой нейтральности, результаты этого исследования могут быть использованы в качестве ориентира для оценки и понимания будущего энергетического комплекса и развития технологий Китая. Достижение цели углеродной нейтральности к 2060 году требует усилий всех секторов при условии их эффективного сотрудничества. Дальнейшая работа может быть сосредоточена на общесистемной взаимосвязи, где все сектора тесно связаны и сотрудничают на различных уровнях путем совместного использования ресурсов и соблюдения целевых показателей по выбросам.

Рисунок 10. Анализ энергетической безопасности потенциала замещения бензина метанолом

Левая ось демонстрирует поставки, импорт сырой нефти и замещения ее метанолом (блочные столбики). Правая ось демонстрирует зависимость Китая от нефти с (сплошная линия) и без (пунктирная линия) замещения ее метанолом с 2018 по 2030 гг.

Наличие ресурсов

Главное контактное лицо
Главное лицо, ответственное за обработку информации и выполнение запросов в отношении ресурсов и реагентов - Сяонан Ван (chewxia@nus.edu.sg).

Наличие материалов
Создание новых уникальных реагентов не является результатом этого исследования.

Наличие данных и кода
Входные данные содержатся в Таблице ключевых ресурсов, а код этой статьи можно получить у главного контактного лица на основании обоснованного запроса.

STAR+METHODS
Подробные методы приведены в онлайн-версии этой статьи и включают следующее:
• ТАБЛИЦА КЛЮЧЕВЫХ РЕСУРСОВ
• ДЕТАЛИ МЕТОДОВ Номенклатура
• РАСШИРЕНИЕ МОДЕЛИ ДОСТИЖЕНИЯ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОСТИ В КРАТКОСРОЧНОЙ ПЕРСПЕКТИВ

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Дополнительная информация доступна по ссылке https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102513.

БЛАГОДАРНОСТИ
Эта работа получила поддержку Флагманской программы "Зеленая энергия" Национального университета Сингапура (№ R-279-000-553-646 и R-279-000-553-731). Мы благодарим профессора Ши Чон Фонгу, профессора Ли Чжену и профессора Гонсало Гийена-Госальбеса за участие в обсуждениях и оказании консультационных услуг.

СТЕПЕНЬ УЧАСТИЯ АВТОРОВ
Ю.Л. и Л.С. собрали данные. Ю.Л. написал код, запустил моделирование и выполнил визуализацию результатов с участием М.Р.Ю.Л., С.Л., М.Р. Ч.В. проанализировал результаты. Ю.Л., С.Л. и Ч.В. написали статью с участием Дж. П.-Р и М.Р., Ч.В. Дж. П.-Р руководил исследованиями. Все авторы внесли свой вклад в концепцию этого исследования.

ДЕКЛАРАЦИЯ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Сведения об авторах указаны на титульном листе документа. Все источники финансирования этого исследования перечисленные в разделе «Благодарности» этого документа. Авторы и ближайшие члены их семей (1) не заявляют о финансовых интересах; (2) не являются членами совещательного совета журнала; и (3) не имеют соответствующих патентов для декларирования.