[論文レビュー] Hydrogen as a Renewable Energy Carrier for Commercial Aircraft

Caleb Amy, Alex Kunycky|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2019

Hybrid Renewable Energy Systems参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、商業航空輸送における再生可能エネルギー搬送体としてのグリーン水素の実現可能性を評価し、ラ・ガーディア空港（LAX）を水素燃料インフラに転換する可能性を焦点にしている。技術的・経済的分析を通じて、グリーン水素がスケーラブルな電解法と効率的な液化技術が大規模に導入されれば、水素推進の旅客機が従来のジェット燃料機よりも低い総所有コストを達成できることが示された。

ABSTRACT

This report starts with the state of the art of electrolysis and liquefaction technology, and then presents a techno-economic case study of converting LAX airport to hydrogen fuel. The main conclusion is that a path exists to hydrogen passenger aircraft having a lower total cost than those powered by jet fuel.

研究の動機と目的

• 商業航空におけるジェット燃料の代替としてのグリーン水素の技術的・経済的実現可能性を評価すること。
• 大規模な空港への導入に適した電解法および水素液化技術の現状を評価すること。
• 商業航空機向けにグリーン水素燃料補給ハブに転換するLAX空港を事例として検討すること。
• 水素推進機とジェット燃料推進機の総所有コスト（TCO）を比較すること。
• 持続可能でコスト競争力のある水素航空エコシステムを実現するための主要インフラおよび技術的道筋を特定すること。

提案手法

• 大規模なプロトン交換膜（PEM）電解法を用いたグリーン水素生産の技術的・経済的分析を実施した。
• LAXにおける高度な超低温度プロセスを用いたグリーン水素の液化に必要なエネルギーおよび資本要件をモデル化した。
• 国際空港としてのLAXにおける水素の貯蔵・分配・補給に必要なインフラ要件を評価した。
• 水素推進の狭胴型および広胴型商業旅客機の航空機レベルの性能および燃料消費を予測した。
• ライフサイクルコストモデルを用いて、水素推進機と従来のジェット燃料推進機の総所有コスト（TCO）を計算した。
• 再生可能電力の価格、電解装置の効率、液化に伴うエネルギー損失が全体のシステム経済に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な電解法で生産されたグリーン水素が、商業航空機において従来のジェット燃料よりも低い総所有コスト（TCO）を達成できるか？
• RQ2 ラ・ガーディア空港（LAX）のような主要国際空港にグリーン水素を導入するにあたり、主なインフラおよびエネルギー変換の課題は何か？
• RQ3 水素の液化および貯蔵に伴う効率損失が、全体のウェル・トゥ・ウェイクエネルギーおよびコストバランスにどのように影響するか？
• RQ4 規模の経済および再生可能電力の価格が、キネゾール系ジェット燃料と比較してグリーン水素をコスト競争力のあるものにする上で果たす役割は何か？
• RQ5 航空機用途における、異なる電解法技術および水素貯蔵方法の間の技術的・経済的トレードオフは何か？

主な発見

• 低コストの再生可能電力と効率的な電解法を用いる場合、グリーン水素推進の商業航空機は、従来のジェット燃料推進機よりも低い総所有コスト（TCO）を達成できると判明した。
• 大規模なグリーン水素の液化は顕著なエネルギー損失を伴うが、高効率の超低温度システムと最適化された補給ロジスティクスによりこれを緩和できる。
• PEM電解法によるグリーン水素生産コストは、有利な再生可能電力価格とスケールアップの条件下で、2030年までに1kgあたり2米ドル以下に低下すると予測された。
• 再生可能電力単価が0.03/kWhで、システム効率が60％であると仮定すれば、LAX空港のインフラを水素燃料補給施設に転換することは、20年間の期間において技術的に実現可能かつ経済的に妥当である。
• 水素推進飛行のウェル・トゥ・ウェイクエネルギーコストはジェット燃料を上回るが、燃料コストの低減と炭素価格への露出の削減が時間経過とともにこれを相殺できる。
• 本研究では、電力コストが0.03/kWh未満で、電解装置の資本コストが300米ドル/kW未満である場合に、グリーン水素がジェット燃料とコスト競争力を持つという重要な閾値を特定した。