РЕЗЮМЕ

Досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року - нещодавнє вираження міжнародної відданості Китаю позиції зменшення викидів вуглекислого газу. Енергетичний та хімічний сектори, що спричиняють найбільші викиди вуглекислого газу в Китаї, заважають досягненню мети вуглецевої нейтральності найбільше. Більше того, виробництво аміаку з вугілля та виробництво метанолу з вугілля є основними джерелами викидів CO2 у китайському вугільно-хімічному секторі. Це дослідження розглядає можливий шлях до досягнення вуглецевої нейтральності на основі енергетично-хімічного зв’язку для виробництва електроенергії, а також метанолу та аміаку. Найефективнішим рішенням для виконання зобов’язань визначено розгляд регіональних відмінностей між відновлюваними та невідновлюваними ресурсами та участь в оптимізованому регіональному співробітництві. Відповідно до стратегічного плану, представленного в цьому дослідженні, доцільним та перспективним є оптимальне поєднання викопних видів палива та відновлюваних джерел енергії, що є основою енергозберігаючої енергетики.

ВСТУП

Зіткнувшись з нагальною необхідністю вирішити питання зміни клімату, «Копенгагенська угода» та «Паризька угода» запропонували урядам розробити національні цілі щодо скорочення викидів парникових газів (ПГ). На виконання міжнародних зобов'язань Китай встановив свою національну мету - досягти пікових значень викидів діоксиду вуглецю (CO2) до 2030 року та скоротити викиди ПГ на одиницю валового внутрішнього продукту на 60–65% у 2030 році порівняно з рівнями 2005 року, відомими як Кліматичні зобов’язання (Державна рада, 2016). У вересні 2020 року на Генеральній Асамблеї Організації Об'єднаних Націй Китай не лише підтвердив свою національну мету - досягти пікових значень викидів CO2 до 2030 року, але також оголосив ціль щодо досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року. Таке зобов'язання є амбіційною метою, оскільки Китай є найбільшим джерелом щорічних викидів CO2 у світі з 2006 року. Новина про плани Китаю досягти вуглецевої нейтральності була сприйнята як "обставина, що докорінно змінює ситуацію" для світового клімату (Європейська служба зовнішніх дій, 2020). Цей значний крок у боротьбі зі зміною клімату з боку Китаю спонукатиме інші країни до подібних дій. Після анонсу багато організацій та дослідницьких груп розробили моделі для відтворення різних шляхів подальшого розвитку (Енергетичний фонд, 2020; Маллапаті, 2020). Хоча ці моделі різні, їх об’єднує той факт, що розвиток відновлюваної енергетики є вирішальним заходом у зменшенні викидів CO2 від згоряння викопного палива.

Однак неможливо повністю перейти до «зеленої енергії» (наприклад, гідроенергії, енергії вітру, сонячної енергії та біомаси) з «сірої енергії», в структурі якої переважає вугілля, нафта та газ, у короткий строк. Тому подальше використання викопного палива в поєднанні з технологіями захоплення та зберігання вуглецю (CCS) визначено як ще один потенційний шлях досягнення цілі зменшення викидів ПГ (Ван та ін., 2020). Поняття блакитної енергії, що визначається як поєднання відновлюваних та невідновлюваних ресурсів, широко використовується багатьма дослідниками (Паттл, 1954; Рамон та ін., 2011; Чжоу і Цзян, 2020). Як було продемонстровано в нашому дослідженні, оптимізоване поєднання зеленої та сірої енергії, що формує «блакитну енергетику», є майбутнім напрямком сталого розвитку Китаю для досягнення мети вуглецевої нейтральності до 2060 року.

В даний час вугілля є найважливішим носієм сірої енергії в Китаї. Воно широко використовується як джерело тепла та електроенергії та як сировина для виробництва хімічних речовин. Отже, близько 75% викидів парникових газів у Китаї відбувається за рахунок споживання вугілля (China Power, 2019). Енергетичний та хімічний сектори є двома основними джерелами викидів CO2, які разом налічували близько 45% загальних викидів CO2 у Китаї в 2015 році (МEA, 2016). Зрозуміло, що енергетичний та хімічний сектори мають вирішальне значення для досягнення цілі вуглецевої нейтральності до 2060 року.

Отже, контроль викидів CO2 з найбільших секторів викидів слід розглядати як один з найефективніших методів при розробці плану вуглецевої нейтральності. Більше того, виробництво аміаку з вугілля та виробництво метанолу з вугілля є основними джерелами викидів CO2 і, відповідно, складають 41,3% та 21,0% загального об’єму викидів CO2 вугільно- хімічним сектором Китаю (Хуанг та ін., 2019). Отже, модернізація та диверсифікація методів їх виробництва може суттєво сприяти досягненню цілі вуглецевої нейтральності. У цьому дослідженні пропонується план відходу від незалежної галузевої моделі розвитку та формування галузевого взаємозв'язку. Відповідні концепції, включаючи енергетично-хімічний зв’язок (Лі та ін., 2020) та економіку виробництва метанолу (Ши та ін., 2018), стають все більш привабливими. Відновлювані ресурси використовуються у виробництві хімічних продуктів, що широко застосовуються у переробці, транспортуванні та торгівлі відновлюваною енергією. У зв'язку з цим потенціал «відновлюваного метанолу», який виробляється із CO2, води та відновлюваних ресурсів, був предметом багатьох новаторських досліджень (Абате та ін., 2015; Чен та ін., 2019; Лі та ін., 2020; Робіній та ін., 2017). Слід відзначити, що більшість досліджень, які вивчають концепцію відновлюваного метанолу, обмежуються промисловими масштабами, просто припускаючи велику кількість відновлюваних джерел енергії та великий попит на хімічні продукти (Аль-Кахтані та ін., 2020; Чен та ін., 2019; Чжан та ін., 2020). Однак не враховується наявність сировини, науково-технічний обмін та структура ринку. У нашому попередньому дослідженні (Лі та ін., 2020) проаналізовано енергетично-хімічний зв'язок виробництва відновлюваного метанолу в Китаї з точки зору географії, галузевого розвитку, навколишнього середовища та економічних витрат. Багато досліджень також наголошували на розширенні використання відновлюваних джерел енергії та заміні викопного палива як в енергетичному, так і в хімічному секторах, не враховуючи, що плавний та ефективний перехід до енергетично-хімічної взаємодії потребує спільного використання як відновлюваних джерел енергії, так і викопного палива (Аль-Кахтані та ін., 2020; Каув та ін., 2015).

Враховуючи, що виробництво метанолу та аміаку є основним фактором, який сприяє викидам CO2 в Китаї, ми пропонуємо концепцію блакитної енергетики, сформованої енергетично-хімічною галузевою взаємодією, яка перетворює як сіру, так і зелену енергію в метанол та аміак як енергоносії. «Економіка виробництва метанолу», представлена вище (Лі та ін., 2020), передбачає більш плавний та ефективний перехід до енергетично-хімічної взаємодії. Наскільки нам відомо, це перший випадок, коли потенціал метанолу та аміаку, що працюють разом як носії блакитної енергії, досліджувався кількісними методами в контексті Китаю. Щоб сприяти формуванню політики щодо досягнення цілі вуглецевої нейтральності до 2060 р., це дослідження пропонує аналітичну оцінку розвитку блакитної енергетики через енергетично-хімічну взаємодію. Ми розробили модель регіональної співпраці, яка оптимізує регіональний розвиток енергетичного та хімічного секторів Китаю за сценарієм політики вуглецевої нейтральності до 2060 року з мінімальними витратами. При чіткому моделюванні природного розпаду основних атмосферних парникових газів також детально оцінюється динамічний розвиток кліматичних змін, пов’язаний з планетарними межами.

Поняття заводу з переробки блакитної енергії та економіки блакитної енергії

Завод з переробки блакитної енергії

Розподіл ресурсів між енергетичним та хімічним секторами є основним принципом роботи заводів з переробки блакитної енергії. Як це видно з Малюнку 1, енергетичний сектор одночасно постачає електроенергію, CO2 та викопне паливо хімічному сектору. Хімічні заводи, що працюють на викопному паливі та блакитній енергії, виробляють метанол та аміак із викопного палива та не викопного палива відповідно. Окрім використання готових хімічних продуктів, метанол та аміак також є важливими та універсальними хімічними речовинами для виробництва палива, сільськогосподарських добрив та інших хімічних речовин, допомогаючи значною мірою розширити асортимент продукції заводів з переробки блакитної енергії.

Економіка блакитної енергії

Формування економіки блакитної енергії потребує мережі заводів з переробки блакитної енергії, а також залучення інших секторів. Відповідні носії блакитної енергії є ключем до цілісної трансформації у всіх секторах. Метанол та аміак, які є стабільними рідинами в умовах навколишнього середовища і придатні для зберігання, транспортування та розподілу, були запропоновані як носії блакитної енергії. Можливості виробництва метанолу та аміаку як з викопних, так і з не викопних джерел можуть запропонувати плавний та ефективний перехід від економіки звичайної сірої енергетики до більш стійкої майбутньої економіки блакитної енергії.

Малюнок 1. Поняття заводу з переробки блакитної енергії та економіки блакитної енергії

Малюнок 1 зображує концепції заводу з переробки блакитної енергії, сформованого
енергетично-хімічним зв’язком, та його інтеграцію із секторами кінцевого використання, що формують економіку блакитної енергії. Завдяки енергетично-хімічному зв’язку як сіра, так і зелена енергія використовуються для виробництва метанолу та аміаку, які виступають в ролі енергоносіїв для економіки блакитної енергії.
Широке застосування метанолу та аміаку забезпечує різноманітні методи формування економіки блакитної енергії.

Техніко-економічний аналіз формування економіки блакитної енергії в Китаї

Малюнок 2. Техніко-економічний аналіз формування економіки блакитної енергії в Китаї

(A) Надлишкове постачання електроенергії внаслідок широкомасштабного впровадження відновлюваної енергії.
(B) Розподіл об'єктів CCS.
(C) Високий рівень технічної готовності до Н2-опосередкованого хімічного синтезу.
(D) Найбільший ринок метанолу та аміаку.

Надмірне постачання електроенергії внаслідок широкомасштабного впровадження відновлюваних джерел енергії

Найбільшою проблемою для заводів з переробки блакитної енергії є масштабне комерційне виробництво водню. Електроліз є перспективним методом виробництва водню, який може продукувати нульові викиди в залежності від джерела використаної електроенергії. Керуючись політичними стимулами, Китай домігся значного прогресу у розгортанні ВДЕ електростанцій, маючи найбільшу в світі встановлену потужність відновлюваної енергії. Гідроенергія, енергія вітру та сонячна енергія є трьома основними відновлюваними джерелами енергії в Китаї, а їх загальна встановлена потужність у 2019 році досягла 770 ГВт23, Малюнок 1. Порівняно з цими основними відновлюваними джерелами енергії, енергія біомаси в Китаї також швидко розвивається, зросла на 26,6% і досягла 22,4 ГВт у 2019 році23. Однак використання відновлюваної енергії в Китаї обмежене через її нестабільний характер, що впливає на стабільність електромереж (Лью та ін., 2013). Отже, щоб забезпечити безпеку електромереж, доводиться відмовлятися від переходу лише на відновлювану електроенергію. Як показано на Малюнку 2A, скорочення обсягів гідроенергії, енергії вітру та сонячної енергії у 2019 році досягло 52 ТВт-год, 16,9 ТВт-год та 4,6 ТВт-год відповідно (Лю та ін., 2018; Національне управління енергетики, 2020). Загальний обсяг скороченої відновлюваної електроенергії в Китаї в 2019 році становив 73,5 ТВт-год, що еквівалентно загальному споживанню електроенергії в Чилі в 2019 році (Enerdata, 2020). Замість підключення до електромереж ця нестабільна електроенергія може безпосередньо застосовуватися до водяних електролізерів для виробництва водню, який може використовуватися для синтезу метанолу та аміаку. Таким чином, відновлювана енергія зберігатиметься в цих носіях блакитної енергії, що може підвищити ефективність використання відновлюваної енергії.

Велика кількість уловлюваного CO2 при розробці CCS

Окрім водню, CO2 також є сировиною для синтезу метанолу на хімічних заводах. CCS - це технологія, яка дозволяє ефективно уловлювати CO2 від вугільних теплоелектростанцій та інших джерел викидів. Швидкість розгортання CCS у Китаї висока завдяки ряду політичних заходів, запропонованих урядом. Як показано на Малюнку 2B, станом на 2018 р. Китай мав 18 об'єктів CCS у 15 провінціях в енергетиці, вугільній та нафтовій промисловістях. Загальна максимальна потужність цих 18 споруд CCS у Китаї може досягати 5,2 млн. т на рік. Китай може стати найбільшим ринком технологій CCS у майбутньому (Ван та ін., 2020). Однак широкомасштабне розгортання об‘єктів CCS у Китаї також стикається з багатьма проблемами. Висока вартість такого розгортання перешкоджає широкому впровадженню об‘єктів CCS, особливо це стосується вартості гарантії безпеки геологічного зберігання (Будініс та ін., 2018). Хоча геологічне зберігання є найшвидшим рішенням для вловленого CO2, його використання як сировини для виробництва метанолу може суттєво поліпшити економіку об‘єктів CCS. Це натомість може ще більше сприяти розгортанню об‘єктів CCS.

Високий рівень технічної готовності до Н2-опосередкованого хімічного синтезу

Рівні технічної та оперативної готовності до Н2-опосередкованого виробництва метанолу та аміаку продемонстровані на Малюнку 2C. Процес Габера-Боша з перетворення азоту та водню на аміак є основною процедурою промислового виробництва аміаку у всьому світі. Незважаючи на те, що процес Габера-Боша був розроблений Фріцем Габером та Карлом Бошем у 1913 році, цей столітній процес все ще є найсучаснішою технологією, за якою виробляється понад 90% аміаку у всьому світі (Ван та ін, 2018a). На даний час дві третини аміаку у світі синтезується з природного газу. У той час як у Китаї близько 97% аміаку виробляється з вугілля через багаті запаси вугілля та обмежені запаси природного газу (Сян і Чжоу, 2018). Порівняно з технологією прямого синтезу аміаку з N2 та H2 за допомогою процесу Габера-Боша, синтез метанолу з H2 та CO2 є нещодавно комерціалізованою технологією. Компанія Carbon Recycling International (CRI) запустила в Ісландії перший у світі завод з виробництва метанолу, що синтезується безпосередньо з H2 та CO2. Завод CRI виробляє приблизно 4000 т/рік метанолу з 2014 року, компанія планує розширити потужності своїх промислових заводів на 50 Мт/рік метанолу, використовуючи процес Лурги з виробництва метанолу з H2 та CO2 в якості вихідної сировини (Грейвс та ін., 2011). Перший завод з виробництва гідрогенізованого метанолу з діоксиду вуглецю будується в м. Аньян, провінція Хенань, з липня 2020 року (Carbon Recycling International, 2019). Якщо, як очікується, потужності виробництва метанолу складуть 110 000 т/рік, цей завод з виробництва метанолу в Китаї стане найбільшим у світі заводом з виробництва гідрогенізованого метанолу з діоксиду вуглецю (Carbon Recycling International, 2019).
Модель енергетично-хімічного зв'язку спрямована на пошук оптимального рішення на основі механізму регіональної співпраці. Модель містить три основні елементи: параметри рішення, обмеження та рішення.

Малюнок 3. Модель енергетично-хімічного зв’язку базується на оптимізованому регіональному співробітництві

Основні наслідки для споживчого ринку та політики

Китай є найбільшим у світі виробником і споживачем метанолу та аміаку. До 2019 р. потреби Китаю у метанолі та аміаку становили 60% та 30% світового споживання метанолу та аміаку відповідно, як продемонстровано на Малюнку 2D (Statista, 2020; USGS, 2020). Структура викопних ресурсів Китаю „багата на вугілля, але бідна на нафту та газ”. Доведені запаси містять 94% вугілля, 5% сирої нафти та 0,6% природного газу (Хан та ін., 2018). З метою зменшення залежності від іноземної нафти та природного газу та зміцнення національної енергетичної безпеки уряд Китаю сприяє використанню метанолу та аміаку як альтернатив імпортній нафті та природному газу. Наприклад, набирає обертів викристання транспортних засобів, що працюють на метанолі (Nami, 2015), метанол та аміак використовуються для заміни природного газу при опаленні (China Energy Net, 2018). Темпи зростання попиту в Китаї прогнозуються на рівні 7%, а попит на аміак залишатиметься в основному стабільним (Forward Business Information Co. Ltd., 2019; Ян, 2020). Вугілля є основним джерелом виробництва метанолу та аміаку в Китаї завдяки вищезазначеній енергетичній структурі. Домінування хімічних заводів, що працюють на вугільній основі і спричиняють високі рівні викидів CO2, а також зростаючий попит на хімічну продукцію, можливо, перешкодять досягненню цілі вуглецевої нейтральності до 2060 р.

Співвідношення компонентів витрат різних технологій у структурі чистих поточних витрат (трильйони юанів, 2018) наведено у графіку (А). Термін "транспортування хімічних речовин", позначений червоним, стосується загальної вартості транспортування метанолу та аміаку протягом періоду планування. Динаміку викидів (Мт на рік) CO2, CH4, N2O та інших парникових газів наведено у графіку (B). Позитивні та негативні викиди CO2 відображаються окремо над і під пунктирною базовою лінією, а чисті викиди CO2 та ПГ відображаються пунктирною та суцільною лініями відповідно.

Тому розгортання хімічних заводів, що працюють на блакитній енергії, є життєво важливим для сталого розвитку виробництва метанолу та аміаку в Китаї. Крім того, більшість заводів з виробництва аміаку у Китаї інтегровані з метанольними установками для забезпечення більшої стабільності, оскільки це робить можливим будь-який розподіл у процесі виробництва між метанолом та аміаком відповідно до ринкових потреб (Сю та ін., 2017).

Малюнок 4. Чиста поточна вартість (A) та динаміка викидів парникових газів (B)

Розвиток економіки блакитної енергії з урахуванням встановленої Китаєм цілі досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року
Модель енергетично-хімічного зв'язку, заснована на оптимізованому регіональному співробітництві

Діаграма моделі енергетично-хімічного зв'язку продемонстрована на Малюнку 3. Для вивчення енергетично-хімічної взаємодії відібрано електроенергію як репрезентативний продукт для енергетичного сектору, який може вироблятися за допомогою десяти різних технологій, а саме з вугілля, природного газу, гідроенергії, енергії вітру, сонячної енергії та біомаси, а також за допомогою технологій CCS. Для хімічного сектору розглядаються метанол та аміак, які виробляються зазвичай з вугілля, природного газу та коксового газу. Зокрема, метанол та аміак також можуть бути синтезовані безпосередньо з CO2 та N2 відповідно, при цьому H2 синтезується за допомогою електролізу води. Для вивчення переходу Китаю від поточної енергетичної структури до майбутньої економіки «блакитної енергії» відповідно до цілі досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року, модель оптимізації взаємодії мінімізує чисті поточні витрати протягом більш ніж 40 років з 2018 по 2060 рік. Для кожного року потрібно, щоб генерація енергії з усіх джерел задовольняла попит на продукцію (енергетичну чи хімічну), тоді як обсяг виробництва не повинен перевищувати існуючих потужностей або потенціалу, який можна використати. Крім того, загальні річні викиди ПГ повинні залишатися в межах відповідних цілей, встановлених урядом, протягом усього періоду планування. Детальну інформацію про енергетично-хімічну модель зв’язку можна переглянути в розділі STAR Methods. Слід зазначити, що політична схема Китаю має ієрархічну структуру, тобто місцеве законодавство не може бути незалежним від загальнонаціонального. Як тільки центральний уряд прийме національну стратегію підтримки економіки блакитної енергії, буде встановлена повноцінна співпраця між провінціями шляхом торгівлі та обміну ресурсами.

Малюнок 5. Оцінка впливу взаємозалежності планетарних меж, пов’язаних зі зміною клімату (A), та займаних ними національних безпечних робочих просторів (B)

Продовження читайте в наступні статті.