[論文レビュー] Global GIS-based potential analysis and cost assessment of Power-to-X fuels in 2050

Maximilian Pfennig, Diana Böttger+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、高分解能の空間的・時間的データを用いて、欧州経済地域外の陸上風力および地上設置型太陽光発電から得られるPower-to-X（PtX）燃料の可能性とコストを、グローバルかつGISベースで評価する。14のPtXプロセスを評価し、厳格な持続可能性基準を満たす条件下で、2050年までにチリ、アルゼンチン、モーリタニアで最も低い生産コストが達成され、グリーン水素は42.3 EUR/MWh、フィッシャー＝トロプシュ燃料は84 EUR/MWhに達する。

ABSTRACT

Electricity-based fuels from renewable energies are regarded as a key instrument for climate protection. These Power-to-X (PtX) products are to replace fossil fuels in sectors where direct use of electricity from renewable energies is not possible. We investigate the production potential of PtX fuels from onshore wind energy and ground-mounted photovoltaic energy for all countries outside the European Economic Area along 14 PtX production pathways. These include hydrogen, several hydrocarbons and ammonia. The technical and economic potential assessment is based on data with hourly temporal and high spatial resolution. The analysis considers various criteria, including weather conditions, nature conservation concerns and land use. The results show the production quantities and costs of climate-friendly fuel production under strict sustainability criteria and locate them spatially. It is shown that many regions of the world are well suited to produce PtX products. The production quantity outside Europe is up to 120,000 TWh/yr of hydrogen or 87,000 TWh/yr of hydrocarbons in the long term. We identify 97 countries with potentials, of which 38 countries possess relevant potentials of more than 100 TWh/yr. The largest suitable areas are in the United States, Australia and Argentina. The production costs vary a lot across the different regions. The lowest production costs for PtX generation are in Latin America (Chile, Argentina and Venezuela) and Mauritania with a lower limit of 42.3 EUR/MWh to 46.5 EUR/MWh for gaseous hydrogen and 84 EUR/MWh to 89.1 EUR/MWh for Fischer-Tropsch fuels. All best sites are pure wind or combined wind and photovoltaic sites. Moreover, we show import options of these PtX products to Europe considering socioeconomic factors and transport costs. All investigation results are freely accessible via the Global PtX Atlas on https://maps.iee.fraunhofer.de/ptx-atlas/.

研究の動機と目的

• 欧州経済地域外の再生可能エネルギー源から得られるPower-to-X（PtX）燃料のグローバルな技術的・経済的潜在可能性を評価すること。
• グリーン水素、アンモニア、フィッシャー＝トロプシュ燃料を含む14の異なるPtXプロセスを、厳密な持続可能性基準のもとで評価すること。
• 高分解能の地理情報データを用いて、空間的に明確に特定された高生産可能性・低コスト地域を同定すること。
• 輸入コストおよび社会経済的要因を考慮した、ヨーロッパへのPtX燃料の輸出可能性を分析すること。
• 政策立案および研究利用を目的として、オープンアクセスのデータを提供するグローバルPtXアトラスの構築

提案手法

• 本研究は、陸上風力および地上設置型太陽光発電のエネルギー利用可能性について、時間分解能1時間、空間分解能が高水準のGISベースのモデリングフレームワークを用いる。
• 自然保護地域や土地利用制限を含む環境的・土地利用的制約を統合し、実現可能な生産ゾーンを定義する。
• 技術的経済モデルを適用して、資本費、運用費、再生可能電力コストを含めた各PtXプロセスのMWhあたりの生産コストを推定する。
• 既存の化学的変換プロセスを用いて、グリーン水素、アンモニア、合成炭化水素を含む14の異なるPtXプロセスをモデル化する。
• 生産可能性は、技術的および持続可能性的制約のもとで達成可能な最大年間出力を計算することで算出する。
• 結果は空間的にマップ化され、グローバルなアクセス性および政策支援を目的として、グローバルPtXアトラスを通じて公開される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2050年までに、欧州経済地域外で、Power-to-X燃料の生産に最も高い技術的潜在可能性を有する地域はどこか？
• RQ2 厳密な持続可能性基準のもとで、異なるPtXプロセスの最低生産コストはどの程度か？
• RQ3 風力・太陽光資源の可用性、土地利用、環境的制約は、グローバルなPtX潜在可能性の分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 どの国々がヨーロッパへのPtX燃料の主要な輸出国となり得るか？ また、それらの輸出に伴う輸送コストおよび社会経済的コストは何か？
• RQ5 世界規模で、大規模なグリーン水素および合成燃料生産に最もコスト競争力のあるサイトはどこか？

主な発見

• 2050年までに、ヨーロッパ外でのグリーン水素のグローバル生産潜在可能性は最大120,000 TWh/年、炭化水素の潜在可能性は87,000 TWh/年に達する。
• 合計97か国が顕著なPtX潜在可能性を有しており、そのうち38か国が年間100 TWhを超える生産可能性を有する。
• 米国、オーストラリア、アルゼンチンが、PtX生産に適した最大の土地面積を有している。
• 最も低い生産コストは、南米（チリ、アルゼンチン、ベネズエラ）およびモーリタニアに見られ、グリーン水素は42.3～46.5 EUR/MWh、フィッシャー＝トロプシュ燃料は84～89.1 EUR/MWhである。
• すべての上位パフォーマンスを示すサイトは、純粋に風力または風力と太陽光発電の併用型であり、ハイブリッド再生可能エネルギーシステムの重要性を示している。
• 本研究は、ヨーロッパへのPtX燃料の実現可能な輸入経路を同定しており、輸送コストおよび社会経済的要因が長期的な輸出可能性に影響を与えることが判明している。