Продовження частини 1

Малюнок 6. Впровадження технологій виробництва електроенергії (A), метанолу (B) та аміаку (C)

Загальнодержавні обсяги виробництва електроенергії (ТВт-ч на рік), виробництва метанолу (Мт на рік) та виробництва аміаку (Мт на рік) шляхом застосування різних технологій з 2018 по 2060 роки (графіки (А), (B) та (C) відповідно). Планується будівництво нових об'єктів та корисних потужностей (Малюнки S2–S4).

Оцінка вартості та викидів

У цій роботі розглядається шлях скорочення викидів для Китаю (Чжан, 2020), який спеціально був розроблений для трансформації енергетичної системи та досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року. Національні норми з викидів зменшуються пропорційно відповідно до частки викидів парникових газів, спричинених енергетично-хімічною взаємодією, у структурі загального обсягу викидів парникових газів у Китаї у 2018 році (статус кво). Мінімізація чистих поточних витрат (ЧПВ) енергетично-хімічного зв’язку за дисконтною ставкою 8% за умови проведення зазначених вище операцій та скорочення викидів складає 31,86 трлн. юанів (2018 р.), або близько 4,8 трильйона доларів США за середнім курсом у 2018 році (ОЕСР, 2020). Структура ЧПВ оптимального рішення та відповідна динаміка викидів наведені на Малюнку 4.

З Малюнку 4A видно, що витрати в енергетичному секторі домінують у загальній структурі ЧПВ, що можна пояснити наступними двома чинниками.

Малюнок 7. Карта виробництва та передачі електроенергії в Китаї у 2060 році

На графіку (А) секторні діаграми демонструють частку виробництва електроенергії в різних провінціях. Загальнонаціональна частка виробленої електроенергії представлена на кільцевій діаграмі. Фоновий колір провінцій показує кількість виробленої електроенергії (ТВт-ч на рік). На графіку (B) стрілки ілюструють загальний обсяг передачі енергії (як електроенергії, так і екологічно чистих хімічних речовин) між різними провінціями, а їх кольори відображають обсяг електроенергії, що передається. Обсяг зеленого метанолу та зеленого аміаку перетворюється на електроенергію з урахуванням теплового еквіваленту і відображається зеленими цифрами. Обсяг переданої електроенергії позначається чорними цифрами. Інформація щодо інших років зображена на Малюнках S5 та S6, а інтерактивні версії графіків, відображені на Малюнках 7, 8 та 9, представлені в Data S1.

По-перше, національний попит на електроенергію в Китаї значно перевищує попит на метанол та аміак, особливо коли йдеться про майбутню тенденцію збільшення електрифікації. По-друге, в рамках міжгалузевого взаємозв'язку витрати на комунальні послуги частково несе енергетичний сектор, що також пояснює, чому витрати на виробництво метанолу на основі CO2 та аміаку на основі N2 незначні. В енергетичному секторі для різних технологій можна спостерігати різні структури витрат. Зокрема, капітальні витрати є головним компонентом вартості енергії вітру та сонячної енергії, тоді як змінні витрати домінують у структурі витрат на виробництво електроенергії з викопних матеріалів. Крім того, цікаво відзначити той факт, що, незважаючи на те, що виробництво електроенергії з вугілля поступово буде замінене в майбутньому, її вартість все ще залишається високою, що можна пояснити розрахунком ЧПВ, тобто витрати, що виникли раніше в майбутньому, менш дисконтуються при перерахунку на теперішні значення. Динаміка викидів для трьох типових видів ПГ - CO2, CH4 та N2O - разом із загальним об’ємом інших ПГ наведена на Малюнку- 4B. Усі ПГ перетворюються на еквіваленти CO2 (CO2-екв.) відповідно до 100-річного потенціалу глобального потепління (ПГП-100a) із П’ятого звіту про оцінку роботи Міжурядової групи ООН з питань зміни клімату (IPCC) (Мире та ін, 2013). Як можна бачити, на ці три види парникових газів припадає понад 97% загальних позитивних викидів парникових газів протягом планового періоду, тоді як негативні викиди CO2 в енергетично-хімічній взаємодії виникають після 2050 року. Чистий нульовий рівень викидів парникових газів досягається до 2060 року відповідно до цільового показника вуглецевої нейтральності.

Планетарні межі оцінки зміни клімату

Концепція планетарних меж пропонує набір критеріїв для оцінки абсолютної стійкості на основі процесів системи Землі. Для кількісної оцінки впливу заходів контролю викидів на боротьбу зі зміною клімату до кінця цього століття (2100) можуть використовуватися дві відповідні планетарні межі, тобто концентрація CO2 в атмосфері (ч./млн.) та енергетичний дисбаланс у верхній частині атмосфери (Вт/м2). Перша межа передбачає чітке верхнє обмеження концентрації CO2 в атмосфері, тоді як друга є більш фундаментальною та жорсткою. У цьому дослідженні взяті глобальні безпечні робочі простори обох меж (Стеффен та ін., 2015), а потім зменшені до національного рівня відповідно до частки населення Китаю (Відділ народонаселення Департаменту економічних та соціальних питань ООН, 2019). Як викиди, так і природний розпад трьох основних згаданих видів ПГ, тобто CO2, CH4, та N2O, чітко моделюються з 2018 по 2060 рік. Для того, щоб оцінити наслідки викидів ПГ протягом періоду планування до кінця цього століття, а також враховуючи ціль Китаю досягти вуглецевої нейтральності до 2060 року, яка вимагає чистого нульового рівня національних викидів парникових газів після 2060 року, природний розпад цих трьох атмосферних ПГ розраховується до 2100 року.

Як продемонстровано на Малюнку 5A, концентрація викидів парникових газів в результаті енергетично-хімічної взаємодії з 2018 по 2060 рр. з точки зору концентрації CO2 в атмосфері та радіаційного впливу досягне максимуму приблизно в 2045 р., після чого почне зменшуватися в результаті скорочення викидів парникових газів. Ми бачимо, що таке зниження відбуватиметься повільно, зокрема, завдяки довгій тривалості концентрації CO2 в атмосфері. Малюнок 5B демонструє, що викиди, пов'язані з енергетично-хімічною взаємодією, з 2018 по 2060 рр. становитимуть близько 140% безпечного національного робочого простору Китаю приблизно до 2050 року і близько 120% до кінця століття. Це обумовлене повільним виведенням CO2 з атмосфери та тим, що частка населення Китаю в світі зменшиться в майбутньому через більший приріст населення в інших країнах (Відділ народонаселення Департаменту економічних та соціальних питань ООН, 2019). Загалом ми бачимо, що частка національного безпечного робочого простору з часом зменшується.

Малюнок 8. Порівняльна характеристика виробництва метанолу між 2020 та 2060 роками

Секторні діаграми демонструють співвідношення методів виробництва метанолу в різних провінціях. Співвідношення методів виробництва метанолу на національному рівні можна побачити на кільцевій діаграмі. Фоновий колір провінцій демонструє обсяг виробництва метанолу (Мт на рік).
Інформація щодо інших років представлена на Малюнку S7 .

Оцінка технологій та галузевого розвитку

Протягом періоду планування з 2018 по 2060 рр. застосовуються різні технології, що демонструють чітку тенденцію трансформації від поточної «сірої енергії» до майбутньої економіки «блакитної енергії», як показано на Малюнку 6. У секторі електроенергетики відновлювані джерела енергії (гідроенергія, енергія вітру, сонячна енергія та біомаса) поступово стають основним джерелом виробництва електроенергії, а об'єкти, що працюють на вугіллі, припиняють свою роботу і частково замінюються заводами з влювлювання та консервації вуглецю. Як технологія негативних викидів, виробництво електроенергії з біомаси набиратиме обертів після 2050 року з метою подальшого зниження викидів ПГ до нуля до 2060 року. Для хімічного сектору, з огляду на збільшення попиту на метанол, може спостерігатися збільшення виробництва метанолу з викопних речовин; однак виробництво метанолу на основі CO2 розпочнеться приблизно в 2040 р. і врешті-решт домінуватиме в технологічному комплексі до кінця періоду планування. Очікується, що в майбутньому попит на аміак буде стабільним; таким чином, фазовий перехід від процессу виробництва аміаку з викопних речовин до процессу його виробництва з N2 спостерігатиметься після 2040 р., коли закінчиться строк експлуатації більшості існуючих заводів.

Частка відновлюваних джерел енергії різко зросте в енергетичному секторі і складе приблизно 70% від загального виробництва електроенергії в Китаї в 2060 р., як показано на Малюнку 7A. Національні бази виробництва електроенергії у великих масштабах будуть сформовані як у Синьцзяні, так і у Внутрішній Монголії. Хоча звичайні вугільні та природні газові електростанції будуть повністю ліквідовані, установки з виробництва електроенергії з біомаси будуть широко розгорнуті по всій країні, що забезпечить стабільність усієї енергосистеми. Близько 90% енергії вітру, 80% сонячної енергії та 80% гідроенергетичних ресурсів Китаю розподілено відповідно в північних, північно-західних та південно- західних регіонах (Хуан, 2020). Однак найбільше споживання електроенергії в основному припадає на східні регіони. Тому потрібні тисячі кілометрів ліній електропередачі надвисокої напруги, щоб відповідати цьому географічному дисбалансу в Китаї, як показано на Малюнку 7B. Заводи з переробки блакитної енергії перетворюють відновлювану енергію на екологічно чисті хімічні речовини. Таким чином, відновлювана енергія не лише передається через електромережі, але і транспортується поза електромережами у вигляді «зеленого» метанолу та «зеленого» аміаку. Як показано на Малюнку 7B, електромережа була розширена за рахунок транспортування «зеленого» метанолу та «зеленого» аміаку.

У хімічному секторі домінування традиційних методів виробництва метанолу та аміаку з викопного палива зникне, натомість наберуть обертів хімічні методи виробництва на основі блакитної енергії, такі як виробництво метанолу з CO2 та виробництво аміаку з H2. Малюнки 8 та 9 демонструють порівняльну характеристику хімічних секторів між 2020 та 2060 рр. на рівні провінцій. Хоча виробництво метанолу з коксового газу та природного газу все ще буде поширене у багатьох провінціях в якості переважних методів у 2060 р., загальний обсяг такого виробництва становитиме лише близько 30% від загальнонаціонального виробництва метанолу. Заводи з виробництва аміаку з викопного палива будуть повністю замінені заводами з виробництва аміаку з блакитної енергії. Провінції Сіньцзян, Цинхай та Внутрішня Монголія стануть національними базами виробництва метанолу та аміаку. Північно-західні провінції, які зараз залишаються відносно слаборозвиненими порівняно з іншими частинами країни, стануть центром виробництва електроенергії та хімічної промисловості в Китаї. Ці зміни суттєво сприятимуть реалізації китайської програми розвитку Заходу та Ініціативи "Пояс і шлях".

Малюнок 9. Порівняльна характеристика виробництва аміаку між 2020 та 2060 роками

Секторні діаграми демонструють співвідношення методів виробництва аміаку в різних провінція. Співвідношення методів виробництва аміаку на національному рівні можна побачити на кільцевій діаграмі. Фоновий колір провінцій демонструє обсяг виробництва аміаку (Мт на рік).
Інформація щодо інших років представлена на Малюнку S8 .

Оцінка енергетичної безпеки

Незначні запаси нафти та швидке зростання попиту на нафту призводять до залежності Китаю від іноземної нафти, імпорт якої в 2019 році перевищив 70% (МЕА, 2020), що серйозно загрожує енергетичній безпеці країни. Економіка блакитної енергії забезпечить Китаю альтернативу нафтопродуктам і відіграє важливу роль у забезпеченні енергетичної безпеки. Китай визначив метанол не лише хімічним матеріалом, але й альтернативним паливом для транспортних засобів. Китай - перша країна, яка почала застосовувати чистий метанол (M100) як для легкових автомобілів, так і для вантажних автомобілів (Лі та ін, 2019). До 2019 року загальна кількість транспортних засобів, що працюють на метанолі, становила близько 10000 (Чжао, 2019). Незважаючи на те, що електричних автомобілів набагато більше, ніж автомобілів, що працюють на метанолі, вдосконалений метанольний двигун пропонує нові перспективи. У зв’зку з цим у цьому розділі досліджується можливість надлишкового виробництва метанолу для заміни бензину.

Згідно з прогнозом залежності Китаю від іноземної нафтиl (Ван та ін., 2018b), споживання нафти в Китаї буде неухильно зростати і досягне піку 1027 млн. т., при цьому коефіцієнт зовнішньої залежності нафти перевищить 80% у 2030 р., як показано червоною пунктирною лінією на Малюнку 10. Передбачається, що метанол може стати альтернативою бензину та підвищити енергетичну безпеку країни. Метанол згоряє в двигунах ефективніше бензину, хоча теплова потужність метанолу становить лише половину від потужності бензину. Отже, близько 1,4 т метанолу може замінити 1 т бензину (Ян і Джексон, 2012). Замінену кількість бензину можна додатково перетворити на стандартну сиру нафту згідно з фіксованим коефіцієнтом 0,83 кг бензину на 1 кг сирої нафти (Жилі та ін., 2019). Ми додаємо обмеження енергетичної безпеки на підставі попередньої моделі, яка вимагає, щоб іноземна залежність від нафти залишалася близько 70%, як показано червоною лінією на Малюнку 10. Згідно з цим обмеженням енергетичної безпеки буде вироблятися додаткова кількість метанолу, щоб забезпечити альтернативу сирій нафті, як показано зеленою лінією на Малюнку 10. Можна бачити, що заміна бензину метанолом є ефективним підходом для посилення енергетичної безпеки. Щоб у 2030 році залежність Китаю від іноземної нафти залишалася нижче 70%, первісна потреба в нафті може бути зменшена на 50% за рахунок заміщення бензину метанолом.

Обмеження предмету дослідження

У цьому дослідженні є декілька аспектів, які можуть бути розглянуті в подальших дослідженнях. По-перше, досягнення цілі вуглецевої нейтральності до 2060 року в Китаї потребує зусиль усіх секторів. Однак встановлення частки викидів для енергетичного та хімічного секторів, що спричиняють найбільшу кількість викидів, розглядається як одне з найважливіших питань під час запровадження та розробки плану вуглецевої нейтральності. Розгляд питання із встановлення частки викидів для інших секторів виходить за рамки цього дослідження. У цьому документі ми зосереджуємось на метанолі та аміаці, оскільки вони є основними джерелами викидів CO2, на які припадає понад 60% викидів у вугільно-хімічній промисловості Китаю. Інші можливі альтернативні технології, такі як електричні транспортні засоби або транспортні засоби, що працюють на водневому паливі, не є предметом цього дослідження.

Незважаючи на те, що предметом цього дослідження є енергетичний та хімічний сектори Китаю, результати, представлені в цій роботі, можуть надати деяке розуміння щодо використання концепції галузевої взаємодії в інших секторах. Для будь-яких секторів, які хотіли б сприяти досягненню цілі вуглецевої нейтральності, результати цього дослідження можуть бути використані як еталони для оцінки та розуміння майбутнього енергетичного комплексу та розвитку технологій Китаю. Досягнення цілі вуглецевої нейтральності до 2060 року потребує зусиль усіх секторів за умови їх ефективної співпраці. Подальша робота може бути зосереджена на загальносистемному взаємозв'язку, де всі сектори тісно пов'язані та співпрацюють на різних рівнях шляхом спільного використання ресурсів та дотримання цільових показників з викидів.

Малюнок 10. Аналіз енергетичної безпеки потенціалу заміщення бензину метанолом

Ліва вісь демонструє постачання, імпорт сирої нафти і заміщення її метанолом (блокові стовпчики). Права вісь демонструє залежність Китаю від нафти із (суцільна лінія) і без (пунктирна лінія) заміщення її метанолом з 2018 по 2030.

Наявність ресурсів

Головна контактна особа
Головна особа, відповідальна за обробку інформації та виконання запитів щодо ресурсів та реагентів - Сяонан Ван (chewxia@nus.edu.sg).

Наявність матеріалів
Створення нових унікальних реагентів не є результатом цього дослідження.

Наявність даних та коду
Вхідні дані містяться в Таблиці ключових ресурсів, а код цієї статті можна отримати у головної контактної особи на підставі обґрунтованого запиту.

STAR+METHODS
Детальні методи наведені в онлайн-версії цієї статті та включають наступне:
• ТАБЛИЦЯ КЛЮЧОВИХ РЕСУРСІВ
• ДЕТАЛІ МЕТОДІВ Номенклатура
• РОЗШИРЕННЯ МОДЕЛІ ДОСЯГНЕННЯ ЕНЕРГОНЕЗАЛЕЖНОСТІ У КОРОТКОСТРОКОВІЙ ПЕРСПЕКТИВІ

ДОДАТКОВА ІНФОРМАЦІЯ
Додаткова інформація доступна за посиланням https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102513.

ПОДЯКИ
Ця робота отримала підтримку Флагманської програми "Зелена енергія" Національного університету Сінгапуру (№ R-279-000-553-646 та R-279-000-553-731). Ми дякуємо професору Ши Чон Фонгу, професору Лі Чжену і професору Гонсало Гійену-Госальбесу за участь в обговореннях та наданні порад.

ВНЕСКИ АВТОРІВ
Ю.Л. та Л.С. зібрали дані. Ю.Л. написав код, запустив моделювання та виконав візуалізацію результатів за участю М.Р.Ю.Л., С.Л., М.Р. Ч.В. проаналізував результати. Ю.Л., С.Л. та Ч.В. написали цю статтю за участю Дж. П.-Р та М.Р., Ч.В., Дж. П.-Р керував дослідженням. Усі автори внесли свій внесок у концепцію цього дослідження.

ДЕКЛАРАЦІЯ ІНТЕРЕСІВ
Автори заявляють про відсутність конкуруючих інтересів. Відомості про авторів вказані на титульній сторінці документу. Усі джерела фінансування цього дослідження перелічені в розділі «Подяки» цього документу. Автори та найближчі члени їх сімей (1) не заявляють про фінансові інтереси; (2) не є членами дорадчої ради журналу; та (3) не мають відповідних патентів для декларування.