[論文レビュー] Analysis of Hydrogen Production Costs across the United States and over the next 30 years

Mahmoud M. Ramadan, Yuanchen Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、2020年から2050年までの米国における地域別水素生産コストと炭素強度を分析し、90%のCCUSを備えたスチームメタン改質法（SMR）と、アルカリ性、PEM、SOECの3つの電解法技術を比較している。電解法がSMRとコスト競争力を持つのは、電力料金が2¢/kWhまで低下する場合に限られ、グリッドの脱炭素化と電力コストの低減が、グリーン水素の広範な導入を可能にするために不可欠であると示している。

ABSTRACT

Hydrogen can play an important role for decarbonization. While hydrogen is usually produced through SMR, it can also be produced through water electrolysis which is cleaner. The relative cost and carbon intensity of hydrogen production through SMR and electrolysis vary throughout the United States because of differences in the grid. While many hydrogen cost models exist, no regional hydrogen study has been conducted across the US. We studied how the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) and carbon intensity for producing hydrogen vary across the US. We looked at electrolysis technologies (Alkaline, PEM, and SOEC) and compared them to SMR. In 2020, SMR with 90 percent CCUS has a lower average LCOH and carbon intensity for hydrogen production than electrolysis by SOEC. For states with cleaner grids, hydrogen produced through SOEC has a lower carbon intensity than hydrogen produced using SMR with 90 percent CCUS. Washington has one of the lowest carbon footprints and the lowest LCOH to produce hydrogen through electrolysis (alkaline). We predict that the LCOH for hydrogen production will be 3.2 USD per kg for Alkaline, 3.1 USD per kg for PEM, and 2.6 USD per kg for SOEC by 2050 with constant electricity prices. These projected LCOHs are still higher than the LCOH for hydrogen produced through SMR with 90 percent CCUS. If electricity costs decrease to 2c per kWh, we expect to reach cost-parity with SMR with 90 percent CCUS. The results suggest that significant investment in decarbonizing the grid and lowering the cost of electricity needs to be made to make electrolysis more competitive compared to SMR.

研究の動機と目的

• 米国における水素生産コストと炭素強度の地域的変動を評価すること。
• SMRに90%のCCUSを適用した場合と、アルカリ性、PEM、SOECの3つの電解法技術の水素のレベル化コスト（LCOH）と炭素強度を比較すること。
• 電力料金の異なるシナリオを想定し、2050年までのLCOHおよび炭素強度のトレンドを予測すること。
• グリーン水素とブルー水素の競争力に影響を与える主な地域的・技術的要因を特定すること。

提案手法

• 電力料金とグリッドの炭素強度の州レベルの差異を反映した、地域別レベル化コスト（LCOH）モデルを用いる。
• アルカリ性、プロトン交換膜（PEM）、固体酸化物電解セル（SOEC）の3つの電解法技術に加え、90%の炭素回収を有するスチームメタン改質法（SMR）を評価する。
• 各技術の資本コスト、電力消費量、運用寿命をモデルに組み込み、地域グリッドデータを用いて炭素強度を算出する。
• 電力料金の感度分析を実施し、電解法がSMRとコスト競争力を持つようになる閾値を特定する。
• 2020年から2050年の期間にわたり、電力料金が一定または低下するシナリオを想定してLCOHおよび炭素強度を予測する。
• 米国全州にわたり空間的に分解された結果を提示し、低コスト・低炭素水素生産のリーダーとなる地域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2020年の時点で、米国における水素生産コストと炭素強度にどのような地域的差が見られるか？
• RQ2 米国各地域におけるアルカリ性、PEM、SOEC電解法の水素のレベル化コスト（LCOH）は、90%CCUSを備えたSMRと比べてどのように異なるか？
• RQ3 電解法水素が、90%CCUSを備えたSMRとコスト同等性に達するには、どの程度の電力料金が必要か？
• RQ4 どの米国州が、電解法によるグリーン水素生産において、最も低いLCOHと炭素強度を実現できるか？
• RQ5 電力料金が一定または低下するシナリオのもとで、2020年から2050年の間に水素生産の予測LCOHおよび炭素強度トレンドはどのように変化するか？

主な発見

• 2020年時点で、90%CCUSを備えたSMRは、米国全体においてSOEC電解法よりも低い平均LCOHと炭素強度を示した。
• ワシントン州は、クリーンなグリッドと低電力コストのおかげで、アルカリ性電解法による水素生産において、最も低いLCOHと炭素フットプリントを実現した。
• 2050年までの予測では、電力料金が一定の場合、アルカリ性、PEM、SOEC電解法のLCOHはそれぞれ3.2 USD/kg、3.1 USD/kg、2.6 USD/kgに達すると予想される。
• 電解法と90%CCUSを備えたSMRとのコスト同等性は、電力料金が2¢/kWhまで低下する場合にのみ達成可能である。
• 発電グリッドがよりクリーンな州、例えばワシントン州では、SOECがSMRに比べて低い炭素強度の水素を生産できる。
• グリーン水素をブルー水素と競争可能にするには、グリッドの脱炭素化と電力コストの低減に大きな投資が必要である。