Les résultats de l'analyse montrent qu'il est peu probable que le recours à l'amélioration de l'efficacité énergétique combinée au CCUS et aux NET soit une voie rentable pour une décarbonation profonde des secteurs HTA chinois, en particulier des industries lourdes.Plus précisément, l'application généralisée d'hydrogène propre dans les secteurs HTA peut aider la Chine à atteindre la neutralité carbone de manière rentable par rapport à un scénario sans production et utilisation d'hydrogène propre.Les résultats fournissent une orientation solide pour la voie de décarbonation HTA de la Chine et une référence précieuse pour d'autres pays confrontés à des défis similaires.
Décarboner les filières industrielles HTA avec de l'hydrogène propre
Nous effectuons une optimisation intégrée au moindre coût des voies d'atténuation vers la neutralité carbone pour la Chine en 2060. Quatre scénarios de modélisation sont définis dans le tableau 1 : business as usual (BAU), China's Nationally Determined Contributions under the Paris Agreement (NDC), net- zéro émission avec des applications sans hydrogène (ZERO-NH) et zéro émission nette avec de l'hydrogène propre (ZERO-H).Les secteurs HTA de cette étude comprennent la production industrielle de ciment, de fer et d'acier et de produits chimiques clés (y compris l'ammoniac, la soude et la soude caustique) et le transport lourd, y compris le camionnage et le transport maritime intérieur.Des détails complets sont fournis dans la section Méthodes et les notes supplémentaires 1 à 5.Concernant la filière sidérurgique, la part prépondérante de la production existante en Chine (89,6%) est réalisée par le procédé basique haut-fourneau à oxygène, enjeu clé pour la décarbonation profonde de cette filière.
industrie.Le procédé de four à arc électrique ne représentait que 10,4 % de la production totale en Chine en 2019, soit 17,5 % de moins que la part moyenne mondiale et 59,3 % de moins que celle des États-Unis18.Nous avons analysé 60 technologies clés d'atténuation des émissions sidérurgiques dans le modèle et les avons classées en six catégories (Fig. 2a) : amélioration de l'efficacité des matériaux, performances des technologies de pointe, électrification, CCUS, hydrogène vert et hydrogène bleu (tableau supplémentaire 1).La comparaison des optimisations des coûts du système de ZERO-H avec les scénarios NDC et ZERO-NH montre que l'inclusion d'options d'hydrogène propre entraînerait une réduction notable du carbone en raison de l'introduction de procédés de réduction directe du fer par l'hydrogène (hydrogène-DRI).A noter que l'hydrogène peut servir non seulement de source d'énergie dans la sidérurgie mais aussi d'agent réducteur décarbonatable en complément dans le procédé Haut Fourneau-Four Basique à Oxygène (BF-BOF) et à 100% dans la voie hydrogène-DRI.Sous ZERO-H, la part de BF-BOF serait réduite à 34 % en 2060, avec 45 % de four à arc électrique et 21 % d'hydrogène-DRI, et l'hydrogène propre fournirait 29 % de la demande totale d'énergie finale du secteur.Avec le prix du réseau pour l'énergie solaire et éolienne qui devraitbaisser à 38–40 MWh−1 en 205019, le coût de l'hydrogène vert
diminuera également, et la voie 100 % hydrogène-DRI pourrait jouer un rôle plus important qu'on ne le reconnaissait auparavant.En ce qui concerne la production de ciment, le modèle comprend 47 technologies d'atténuation clés à travers les processus de production classés en six catégories (tableaux supplémentaires 2 et 3) : efficacité énergétique, carburants alternatifs, réduction du ratio clinker/ciment, CCUS, hydrogène vert et hydrogène bleu ( figure 2b).Les résultats montrent que les technologies d'amélioration de l'efficacité énergétique ne peuvent réduire que 8 à 10 % des émissions totales de CO2 dans le secteur du ciment, et que les technologies de cogénération de chaleur résiduelle et d'oxycombustible auront un effet d'atténuation limité (4 à 8 %).Les technologies permettant de réduire le rapport clinker/ciment peuvent produire une atténuation relativement élevée du carbone (50 à 70 %), comprenant principalement des matières premières décarbonées pour la production de clinker à l'aide de laitier granulé de haut fourneau, bien que les critiques se demandent si le ciment résultant conservera ses qualités essentielles.Mais les résultats actuels indiquent que l'utilisation de l'hydrogène avec le CCUS pourrait aider le secteur du ciment à atteindre des émissions de CO2 proches de zéro en 2060.
Dans le scénario ZERO-H, 20 technologies basées sur l'hydrogène (sur les 47 technologies d'atténuation) entrent en jeu dans la production de ciment.Nous constatons que le coût moyen de réduction des émissions de carbone des technologies de l'hydrogène est inférieur aux approches typiques de CCUS et de changement de combustible (Fig. 2b).En outre, l'hydrogène vert devrait être moins cher que l'hydrogène bleu après 2030, comme indiqué en détail ci-dessous, à environ 0,7 à 1,6 USD kg−1 H2 (réf. 20), apportant des réductions significatives de CO2 dans la fourniture de chaleur industrielle dans la fabrication du ciment. .Les résultats actuels montrent qu'il peut réduire de 89 à 95 % le CO2 du processus de chauffage dans l'industrie chinoise (Fig. 2b, technologies
28–47), ce qui est cohérent avec l'estimation du Hydrogen Council de 84–92 % (réf. 21).Les émissions de CO2 du procédé de clinker doivent être réduites par le CCUS à la fois en ZERO-H et en ZERO-NH.Nous simulons également l'utilisation de l'hydrogène comme matière première dans la production d'ammoniac, de méthane, de méthanol et d'autres produits chimiques répertoriés dans la description du modèle.Dans le scénario ZERO-H, la production d'ammoniac à base de gaz avec de la chaleur à l'hydrogène gagnera une part de 20 % de la production totale en 2060 (Fig. 3 et Tableau supplémentaire 4).Le modèle comprend quatre types de technologies de production de méthanol : du charbon au méthanol (CTM), du gaz de coke au méthanol (CGTM), du gaz naturel au méthanol (NTM) et du CGTM/NTM avec chauffage à l'hydrogène.Dans le scénario ZERO-H, CGTM/NTM avec chaleur hydrogène peut atteindre une part de production de 21 % en 2060 (Fig. 3).Les produits chimiques sont également des vecteurs énergétiques potentiels de l'hydrogène.Sur la base de notre analyse intégrée, l'hydrogène pourrait représenter 17 % de la consommation finale d'énergie pour la fourniture de chaleur dans l'industrie chimique d'ici 2060. Avec la bioénergie (18 %) et l'électricité (32 %), l'hydrogène a un rôle majeur à jouer dans 
décarbonation de l'industrie chimique chinoise HTA (Fig. 4a).
Fig. 2 |Potentiel d'atténuation du carbone et coûts de réduction des principales technologies d'atténuation.a, Six catégories de 60 technologies clés d'atténuation des émissions de la sidérurgie.b, Six catégories de 47 technologies clés d'atténuation des émissions de ciment.Les technologies sont répertoriées par numéro, avec les définitions correspondantes incluses dans le tableau supplémentaire 1 pour a et le tableau supplémentaire 2 pour b.Les niveaux de maturité technologique (TRL) de chaque technologie sont marqués : TRL3, concept ;TRL4, petit prototype ;TRL5, grand prototype ;TRL6, prototype complet à grande échelle ;TRL7, démonstration pré-commerciale ;TRL8, démonstration ;TRL10, adoption précoce ;TRL11, mature.
Décarboner les modes de transport HTA avec de l'hydrogène propre Sur la base des résultats de la modélisation, l'hydrogène a également un grand potentiel pour décarboner le secteur des transports en Chine, même si cela prendra du temps.Outre les VUL, les autres modes de transport analysés dans le modèle comprennent les bus de flotte, les camions (légers/petits/moyens/lourds), le transport maritime intérieur et les chemins de fer, couvrant la plupart des transports en Chine.Pour les véhicules utilitaires légers, les véhicules électriques devraient rester compétitifs à l'avenir.Dans ZERO-H, la pénétration des piles à combustible à hydrogène (HFC) sur le marché des VUL n'atteindra que 5 % en 2060 (Fig. 3).Pour les autobus de la flotte, cependant, les autobus HFC seront plus compétitifs en termes de coûts que les alternatives électriques en 2045 et représenteront 61 % de la flotte totale en 2060 dans le scénario ZERO-H, le reste étant électrique (Fig. 3).Comme pour les camions, les résultats varient selon le taux de chargement.La propulsion électrique entraînera plus de la moitié de la flotte totale de camions légers d'ici 2035 en ZERO-NH.Mais dans ZERO-H, les camions légers HFC seront plus compétitifs que les camions légers électriques d'ici 2035 et représenteront 53 % du marché d'ici 2060. Concernant les camions lourds, les camions lourds HFC atteindront 66 % du marché. marché en 2060 dans le scénario ZERO-H.Les véhicules utilitaires lourds diesel/biodiesel/GNC (gaz naturel comprimé) quitteront le marché après 2050 dans les deux scénarios ZÉRO-NH et ZÉRO-H (Fig. 3).Les véhicules HFC ont un avantage supplémentaire par rapport aux véhicules électriques dans leurs meilleures performances dans des conditions froides, importantes dans le nord et l'ouest de la Chine.Au-delà du transport routier, le modèle montre l'adoption généralisée des technologies de l'hydrogène dans le transport maritime dans le scénario ZERO-H.Le transport maritime intérieur en Chine est très énergivore et constitue un défi de décarbonisation particulièrement difficile.L'hydrogène propre, notamment en tant que
matière première pour l'ammoniac, offre une option pour l'expédition de la décarbonisation.La solution la moins coûteuse dans le scénario ZERO-H se traduit par une pénétration de 65 % des navires fonctionnant à l'ammoniac et de 12 % des navires fonctionnant à l'hydrogène en 2060 (Fig. 3).Dans ce scénario, l'hydrogène représentera en moyenne 56 % de la consommation d'énergie finale de l'ensemble du secteur des transports en 2060. Nous avons également modélisé l'utilisation de l'hydrogène dans le chauffage résidentiel (Note complémentaire 6), mais son adoption est négligeable et ce document se concentre sur l'utilisation de l'hydrogène dans les industries HTA et le transport lourd.Réduction des coûts de la neutralité carbone grâce à l'hydrogène propre L'avenir neutre en carbone de la Chine sera caractérisé par la dominance des énergies renouvelables, avec une suppression progressive du charbon dans sa consommation d'énergie primaire (Fig. 4).Les combustibles non fossiles représentent 88 % du mix énergétique primaire en 2050 et 93 % en 2060 sous ZERO-H. L'éolien et le solaire fourniront la moitié de la consommation d'énergie primaire en 2060. En moyenne, à l'échelle nationale, la part d'hydrogène propre dans l'énergie finale totale (TFEC) pourrait atteindre 13 % en 2060. Compte tenu de l'hétérogénéité régionale des capacités de production dans les industries clés par région (tableau supplémentaire 7), il existe dix provinces où les parts d'hydrogène dans le TFEC sont supérieures à la moyenne nationale, y compris la Mongolie intérieure, le Fujian, le Shandong et le Guangdong, portés par de riches ressources solaires et éoliennes terrestres et offshore et/ou de multiples demandes industrielles en hydrogène.Dans le scénario ZERO-NH, le coût d'investissement cumulé pour atteindre la neutralité carbone jusqu'en 2060 serait de 20 630 milliards de dollars, soit 1,58 % du produit intérieur brut (PIB) global pour 2020-2060.L'investissement supplémentaire moyen sur une base annuelle serait d'environ 516 milliards de dollars américains par an.Ce résultat est conforme au plan d'atténuation de 15 000 milliards de dollars US de la Chine jusqu'en 2050, soit un nouvel investissement annuel moyen de 500 milliards de dollars US (réf. 22).Cependant, l'introduction d'options d'hydrogène propre dans le système énergétique et les matières premières industrielles de la Chine dans le scénario ZERO-H se traduit par un investissement cumulé nettement inférieur de 18,91 billions de dollars américains d'ici 2060 et lal'investissement serait réduit à moins de 1% du PIB en 2060 (Fig.4).Concernant les secteurs HTA, le coût d'investissement annuel dans ceuxsecteurs serait d'environ 392 milliards de dollars par an dans le ZERO-NHscénario, ce qui est cohérent avec la projection de l'EnergieCommission de transition (400 milliards de dollars US) (réf. 23).Cependant, si propre
l'hydrogène est incorporé dans le système énergétique et les matières premières chimiques, le scénario ZERO-H indique que le coût d'investissement annuel dans les secteurs HTA pourrait être réduit à 359 milliards de dollars, principalement en réduisant la dépendance aux CCUS ou NET coûteux.Nos résultats suggèrent que l'utilisation d'hydrogène propre peut permettre d'économiser 1 720 milliards de dollars américains en coûts d'investissement et d'éviter une perte de 0,13 % du PIB global (2020-2060) par rapport à une trajectoire sans hydrogène jusqu'en 2060.
Fig. 3 |Pénétration de la technologie dans les secteurs HTA typiques.Résultats selon les scénarios BAU, NDC, ZERO-NH et ZERO-H (2020-2060).Au cours de chaque année marquante, la pénétration de la technologie spécifique dans différents secteurs est indiquée par les barres colorées, où chaque barre représente un pourcentage de pénétration jusqu'à 100 % (pour un réseau entièrement ombragé).Les technologies sont en outre classées par différents types (indiqués dans les légendes).GNC, gaz naturel comprimé ;GPL, gaz de pétrole liquéfié ;GNL, gaz naturel liquéfié ;w/wo, avec ou sans ;EAF, four à arc électrique ;NSP, nouveau procédé sec de préchauffeur de suspension ;WHR, récupération de chaleur perdue.
Heure de publication : 13 mars 2023
