The developing role of gas in decarbonizing China's energy system
Zhang, Jinrui
DOI:
10.33612/diss.162017806
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2021
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Zhang, J. (2021). The developing role of gas in decarbonizing China's energy system: system analysis of technical, economic and environmental improvements of LNG and low carbon gas supply chains and infrastructure. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.162017806
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Nederlandse samenvatting
Acknowledgements
Publication list
222
n
ederlandsesamenvattinGDe evoluerende rol van gas in het decarboniseren van China’s energiesysteem
Systeemanalyse van technische, economische en milieu-gerelateerde verbeteropties van de toeleveringsketens en infrastruc tuur van LNG en koolstofarm gas
Het gassysteem in China is essentieel voor een energietransitie naar een koolstofarme toekomst. De optimalisatie van de toeleveringsketens van gas alsmede de uitrol van de gasinfrastructuur is cruciaal voor energiebesparing, kostenbesparing en beperking van broeikasgasemissies. Op korte termijn kan aardgas dienen als transitiebrandstof ter vervanging van olie en kolen in voornamelijk de elektriciteits- en transportsector. Op lange termijn kan, door het geleidelijk vervangen van aardgas door koolstofarm gas, de gasinfrastructuur zijn rol behouden in een koolstofarm energiesysteem.
In China is een energietransitie van een door kolen gedomineerd energiesysteem naar een koolstofarm energiesysteem gaande. Daarom is het hoofddoel van dit proefschrift om te onderzoeken wat de efficiëntste manier is om gasvormige energiedragers en de gasinfrastructuur in te zetten voor een koolstofarm energiesysteem in China richting 2050. In dit proefschrift wordt de potentiële rol van LNG op korte termijn en koolstofarme gassen op de lange termijn onderzocht in implementatietrajecten van de Chinese gasinfrastructuur door het beoordelen van de energie-efficiëntie, broeikasgasemissies en kosten van de toeleveringsketens.
Om inzicht te geven in energie-efficiënte en kosteneffectieve configuraties voor het vloeibaar maken van aardgas, geeft hoofdstuk 2 een technisch en economisch kwantitatief overzicht van de status van processen voor het vloeibaar maken van aardgas. De geharmoniseerde technische karakteristieken van LNG-processen laten zien dat grootschalige processen energie-efficiënter zijn dan kleinschalige processen. Uit de literatuur blijkt echter ook dat er een grote marge is met betrekking tot de primaire energie-input bij identieke processen, waarbij de energie-input niet noodzakelijkerwijs afneemt bij toenemende capaciteit. De geharmoniseerde economische prestaties van LNG-processen laten, op basis van beperkte beschikbare data, een grote variatie zien in de specifieke kapitaalkosten voor grootschalige installaties. Deze variatie kan
A
worden verklaard door de complexiteit van de installaties en lokale omstandigheden. De hier gepresenteerde geharmoniseerde kwantitatieve resultaten van de technische en economische prestaties kunnen als vergelijkingsbasis dienen bij volgende studies.
Hoofdstuk 3 richt zich op het verbeteren van de technische en economische prestaties van op expander gebaseerde processen voor het vloeibaar maken van aardgas voor kleinschalige toepassingen. De resultaten laten zien dat de methaanexpansieprocessen een betere technisch-economische prestatie hebben voor kleinschalige LNG-installaties in vergelijking met die van stikstofexpansieprocessen. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door het gebruik van een tweefasige expander, die de drukexergie in het aanvoeren van aardgas kan terugwinnen. De resultaten laten zien dat de voorkoeling met ammoniak niet alleen het specifieke energieverbruik verlaagt maar ook de productiekosten. Het benadrukt dat het toevoegen van voorkoeling met ammoniak een veelbelovende verbetering is voor kleinschalige expander gebaseerde processen.
Om kosteneffectief LNG te leveren en te gebruiken en tegelijkertijd de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, worden in hoofdstuk 4 de technisch-economische prestaties en de broeikasgasemissies gedurende de levenscyclus van verschillende LNG-toeleveringsketens in China beoordeeld. De huidige inzichten worden verbeterd door opties voor optimalisatie van de toeleveringsketen (terugwinning van koude energie en waterstofproductie) te beoordelen en door de volledige toeleveringsketen van vier verschillende LNG-eindgebruikers te analyseren (elektriciteitsopwekking, industriële verwarming, verwarming van woningen en brandstof voor vrachtwagens). De resultaten laten een veelbelovende potentieel zien om broeikasgasemissies te verminderen door koude energie te gebruiken bij CO2-afvang. De bevindingen benadrukken ook dat aardgas met volledige cryogene CO2-afvang voor elektriciteitsopwekking de beste optie is onder de vier eindgebruikers.
Om de optimale implementatietrajecten van het gassysteem naar een koolstofarme toekomst te bepalen, wordt in hoofdstuk 5 door middel van verschillende scenario’s op provinciaal niveau de mogelijke rol geanalyseerd van de gasinfrastructuur ten einde koolstofarme gassen te leveren in China tussen 2020-2050. In totaal werden vier koolstofarme gassen overwogen: biomethaan, biosynthetisch methaan (bio-SNG),
224
waterstof en koolstofarm synthetisch methaan (koolstofarm SNG). De resultaten geven aan dat de toeleveringsketen van biomethaan de hoogste broeikasgasemissies en de laagste productiekosten heeft terwijl de waterstof- en koolstofarme SNG-toeleveringsketens de laagste broeikasgasemissies en de hoogste productiekosten hebben. De resultaten van de infrastructuur met ruimtelijke verdeling laten zien dat de bestaande aardgasinfrastructuur in 2020 voldoende is om voor alle scenario's aan de gasvraag in 2020 te voldoen. Uitbreiding van de aardgasinfrastructuur is echter nodig tussen 2030 en 2050. Het scenario waarbij geïmporteerd pijpleiding-aardgas wordt vervangen door waterstof heeft van de geanalyseerde scenario’s de laagste cumulatieve uitstoot van broeikasgassen en de kleinste uitbreiding van de aardgasinfrastructuur.
Dit proefschrift laat zien dat verbeteringen in de LNG toeleveringsketens en het leveren van koolstofarm gas het potentieel hebben om de broeikasgasemissies van het Chinese gasenergiesysteem met 21% (2020), 27% (2030), 36% (2040) en 35% (2050) te verminderen ten opzicht van het referentiescenario. Om CO2-neutraal te worden, kan de transitie in het gasenergiesysteem, zoals geanalyseerd in deze studie, een efficiënte en kosteneffectieve manier zijn om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, flexibiliteit te behouden en de energiezekerheid op lange termijn te waarborgen.
A
a
cknOwledGementsIt is a coincidence that I found the opportunity to do a Ph.D. in the Netherlands. It turned out to be a tremendous chance for me to gain experiences in both study and life.Throughout my four and half year Ph.D. journey in Groningen, I got a great deal of guidance, support, encouragement from my supervisors, colleagues, friends, and family. The experiences with the fantastic people to be mentioned here will be my greatest treasure and benefit me for long in the future. Words alone can never truly express thanks from the deep of my heart to all of you who never hesitate to provide encouragement and help.
First and foremost, I would like to thank my first supervisor Prof. André Faaij, second supervisor Dr. René Benders, and daily supervisor Dr. Hans Meerman.
André, thanks so much for allowing me to join your group. At the beginning of
my Ph.D. journey, you helped me developed a tailor-made research plan based on my MSc background in cryogenic engineering. It helped me to smoothly go through the interdisciplinary transition from cryogenic engineering to system analysis. It is your continuous support, patience, motivation, trust, encouragement, and immense knowledge that supported me in all the time of research and writing of this thesis. From you, I learned, not only to think from the big picture on system analysis, but also to insist on the rigorous scientific approach and dedicated spirit of research. I will never forget your openness, willingness for any discussion, and your high standard for research. I deeply appreciate the opportunity I had to work closely with you for these four and half years. I will never forget what I learned from you.
René, thank you for all the guidance and support you have provided during my
Ph.D. research. You are so approachable, which makes you more like a friend to me than a supervisor. Your office door is always open whenever I have questions. At the beginning, my slow research progress made me feel under pressure. It is you who comforted me that it is common at the beginning and encourage me to move on. Finally, at the end of my third year of my Ph.D. research, two papers were accepted in a same week. I could feel that you were truly happy for me and my progress. I know you will always stand next to me providing support. I deeply appreciate the opportunity to work closely with you and everything you have done for me.
226
Hans, I am really thankful to you for all your help and support during my Ph.D.
research. I still remember that one day André said, “There will be a technical guy join the group who can help you with the process modeling”. After that, you joined the group and became my daily supervisor. We spent one hour every week together to discuss the detailed question about my research. You are always generous to help. Sometimes we discussed tricky questions for the whole afternoon. The countless discussions with you pushed forward the progress of my research. Your critical thinking on analysis helped to improve my work tremendously. It will benefit me in my future research.
I would like to thank the members of the assessment committee, Prof. Ernst Worrell,
Prof. Zofia Lukszo, and Prof. Henk Moll, for your time to read and evaluate my thesis.
My sincere thanks to the entire team of former IVEM and now IRESS. Thank you,
Klaus, Winnie, Henk, Sanderine, Franco, Ton, Henny, Michiel, and Karin. The talks
during coffee breaks, group meetings, and offsite activities with you have enriched my life in Groningen. I would also like to thank Annemiek and Leo. Your help and support on paper works and department issues made my life much easier.
My sincere thanks also to all my colleagues and officemates. Thank you Bingquan for your consistent support and being my first officemate in the Netherlands. We enjoyed the working hours for four years in the office and countless vacations together. I am so lucky to meet a brotherly friend like you. I appreciate the time with Yanmei, Xiaodong,
Weier, and Fan at work and in lunches and parties for delicious food. My special thanks
to Weier and Yanmei for being my paranymphs and helping me arrange the coming ceremony. I am grateful to my fellow colleagues: Nidia, Younis, Karabee, Tjerk, Linh,
Yuli, Lingna, Heran, Yaoguang, Dan, Ruoqi, Ahmad, Wahab, Emilia, Felix, Srini, Junjie, Amir, Rafael, Gideon, and Manuel. Thank you for the wonderful working days
and for the good times we enjoyed together both in and outside the office.
Many thanks to my dear friends Qian, Hao, Daozheng, Xuan, Jingyao, Xiaoxiang,
Yu, Lianghui, Chenxi, Lin, and Qingqing. It is you who accompany me for the life
abroad and encourage me during the hard time of my Ph.D. Your presence makes me feel like living in a big family with dear brothers and sisters. We celebrated every Chinese and Dutch festival together; we took fantastic trips all over Europe; we shared delicious foods and enjoy gaming nights. Ph.D. journey can be very hard sometimes. Your
A
company, motivational support, and heartfelt concern helped me go through smoothly. I will always remember all the wonderful days and nights we spent together and all your kind support to me.
My sincere thanks to the Chinese Scholarship Council for offering me the great chance to conduct my Ph.D. study at the University of Groningen. I will never forget the full support from Prof. Jingyi Wu and Prof. Trygve Magne Eikevik, my master supervisors in Shanghai Jiao Tong University and Norwegian University of Science and Technology. You enlightened me for doing research and encouraged me to pursue a Ph.D. after my master's program. My special thanks to Wanli and his wife Na. It is you who introduced this great opportunity to me for doing a Ph.D. in the Netherlands. On the first day of my arrival, you picked me up at the train station and treated me with a fancy hotpot. You helped me a lot not only with working as a Ph.D. but also living a good life abroad. Thank you for all your warm support and delicious dinners.
My heartfelt thanks to my beloved one Shuxian Hu. You are a lovely and cute girl with real inner strength. Your positive and persevering attitude towards life enlightened me. Your encouragement, support, and company help me through hard times. You are always considerate of me and willing to accompany me to do what I like. You helped me to design the cover of the thesis and every chapter. You take a greater effort in the cover design for me than your own. Words can never express how important you are in my life. Thank you for everything you did for me.
Last but foremost, I would like to express my deepest thanks to my family, my parents, and my uncle. Your unconditional love and support encouraged me to explore all the possibilities in my life. Now, it is my turn to take care of you. Your health and happiness are my greatest wish. This dissertation is dedicated to my beloved family.
最后感谢我的家人，我的父母和伯伯，你们对我无条件的爱与支持是我前进最大的动 力。你们永远健康快乐是我最大的心愿，以后就让我来关心和照顾你们吧。谨以此书先给我 最亲爱的家人们。
Groningen March, 2021
228
p
ublicatiOnlist1. Zhang, J., Meerman, H., Benders, R. and Faaij, A., 2020. Technical and economic optimization of expander-based small-scale natural gas liquefaction processes with absorption precooling cycle. Energy, 191, p.116592.
2. Zhang, J., Meerman, H., Benders, R. and Faaij, A., 2020. Comprehensive review of current natural gas liquefaction processes on technical and economic performance. Applied Thermal Engineering, 166, p.114736.
3. Zhang, J., Meerman, H., Benders, R. and Faaij, A., 2021. Techno-economic and life cycle greenhouse gas emissions assessment of liquefied natural gas supply chain in China. Energy, p.120049.
4. Zhang, J., Meerman, H., Benders, R. and Faaij, A., 2021. The potential role of natural gas infrastructure in China to supply low-carbon gases during 2020-2050. Submitted 5. Zhang J., Wu J., Eikevik TM, 2016. Experimental Investigation of R744 Ejector
