[論文レビュー] Import options for chemical energy carriers from renewable sources to Germany

Johannes Hampp, M. Düren+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、GISを用いた再生可能エネルギーの潜在可能性と時間分解の気象データを用いて、ドイツへの再生可能化学エネルギー搬送体（水素、メタン、アンモニア、メタノール、フィッシャー＝トロプシュ燃料）のコスト競争力のある輸入オプションを評価する。各搬送体について、国内生産よりも安価な国際的輸出ルートが少なくとも1つ存在することが判明した。その中で、デンマーク、スペイン、北アフリカからの水素パイプライン輸出が最も低コストであり、LHVベースで1MWhあたり36～42ユーロ（2050年、1kWあたり5,000ユーロの設備投資コストを仮定）を記録した。一方、アンモニアやメタノールを経由する間接的ルートは、設備投資およびエネルギー損失のため、効率が劣る。

ABSTRACT

Import and export of fossil energy carriers are cornerstones of energy systems world-wide. If energy systems are to become climate neutral and sustainable, fossil carriers need to be substituted with carbon neutral alternatives or electrified if possible. We investigate synthetic chemical energy carriers, H2, CH4, MeOH, NH3 and Fischer-Tropsch fuels (FTF), produced using electricity from RES as fossil substitutes. [...] We model the sourcing of feedstock chemicals, synthesis and transport along nine different Energy Supply Chains to Germany (DE) and compare import options for seven locations around the world against each other and with domestically sourced alternatives on the basis of their respective cost per unit of H2 and energy delivered. We find that for each type of chemical energy carrier, there is an import option with lower costs compared to domestic production in DE. No single exporting country or energy carrier has a unique cost advantage, since for each energy carrier and country there are cost-competitive alternatives. This allows exporter and infrastructure decisions to be made based on other criteria than energy and cost. The lowest cost means for importing of energy and H2 are by H2 pipeline from Denmark, Spain and Western Asia and Northern Africa starting at 36 EUR/MWhLHV to 42 EUR/MWh-LHV or 1.0 EUR/kg-H2 to 1.3 EUR/kg-H2 (in 2050, assuming 5 % p.a. capital cost). For complex energy carriers derived from H2 like CH4, NH3, MeOH or FTF, imports from Argentina by ship to DE are lower cost than closer exporters in the European Union or Western Asia and Northern Africa. For meeting H2 demand, direct H2 imports are more attractive than indirect routes using CH4, MeOH or NH3 imports and subsequent decomposition to H2 because of high capital investment costs and energetic losses. We make our model and data available under open licenses for adaptation and reuse.

研究の動機と目的

• ドイツへの再生可能化学エネルギー搬送体の輸入の経済的妥当性を評価し、化石燃料の気候中立代替手段とする。
• ドイツ国内での生産と比較して、水素、メタン、アンモニア、メタノール、フィッシャー＝トロプシュ燃料の国際的輸入オプションを検討する。
• 輸送インフラ（パイプライン、船、合成経路）が総合的システムコストに与える影響を評価する。
• 再生可能電力の可用性と物流条件に基づき、コスト競争力のある輸出地域およびエネルギー搬送体を特定する。
• 包括的なコスト比較フレームワークを構築することで、政策立案およびインフラ整備に役立てる。

提案手法

• 再分析気象データを用いて、太陽光および風力の世界的な再生可能エネルギー潜在可能性をGISベースで分析し、電力発電の時間分解時系列データを導出する。
• ドイツへの化学エネルギー搬送体輸入のための9つの異なるエネルギーサプライチェーン（ESC）構成を、7か国のグローバルな地点からモデル化する。
• 技術的経済的モデルを適用し、水素およびエネルギーの単位あたりのレベル化エネルギーコスト（LCOE）を計算する。合成、輸送、インフラコストを含む。
• パイプライン（水素）および船（液体搬送体）の詳細な輸送モデリングを実施し、エネルギー損失、ボイルオフ、積卸時間、往復効率を考慮する。
• 工業プロセスの技術的要件を反映するために、合成プラントに「必須稼働」制約を適用し、常に最低稼働容量を確保する。
• 直接水素輸入（パイプライン）とアンモニア、メタノール、メタンを経由する間接ルート（変換損失および設備投資コストを含む）を比較するためのモジュラー枠組みを実装する。

Fig 1 : Schematic representation of \glsfmtshortpl esc considered in this study. \glsfmtshortpl esc cover electricity generation from \glsfmtshort res, intermediary buffer storage for electricity and chemicals, conversion to chemical energy carriers, conditioning and transport from exporter to impor

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能水素、メタン、アンモニア、メタノール、フィッシャー＝トロプシュ燃料をドイツに輸入するにあたり、どの国際的輸出地域が最も低コストか？
• RQ2 パイプラインによる直接的水素輸入と、アンモニア、メタノール、メタンを水素搬送体として用いる間接的ルートのコストを比較するとどうなるか？
• RQ3 輸送距離、インフラタイプ（パイプライン対船）、エネルギー損失が、合成燃料の総コストに与える影響は何か？
• RQ4 複雑なエネルギー搬送体において、北アフリカや南米など距離の遠い輸出国が、近隣のヨーロッパや北米の供給国よりもコスト面で優位性を示すか？
• RQ5 変換プロセスにおける設備投資およびエネルギー損失が、間接的水素供給チェーンの総合的コスト効率に与える影響はどの程度か？

主な発見

• すべての化学エネルギー搬送体について、国内水素生産よりも安価な国際的輸入オプションが少なくとも1つ存在する。特定の国や搬送体がコスト面で優位に立つことはない。
• 最も低コストの水素輸入オプションは、デンマーク、スペイン、北アフリカからのパイプライン輸出であり、2050年には1MWh LHVあたり36～42ユーロ（1kg H₂あたり1.0～1.3ユーロ）のコストを記録する。
• アンモニア、メタノール、フィッシャー＝トロプシュ燃料といった複雑な搬送体では、再生可能電力コストが低い北アフリカからの輸出が、ヨーロッパや北米の近隣供給国よりも安価である。
• アンモニア、メタノール、メタンを経由する間接的ルートに比べ、パイプラインによる直接的水素輸入がよりコスト効率が良い。主な要因は、設備投資が低く抑えられ、複数回の変換ステップに起因するエネルギー損失が少ないことである。
• 液体水素およびアンモニアの輸送効率は、ボイルオフおよび往復物流の影響で著しく低下する。調整された出荷時間は、年間の輸送頻度を維持するための停止期間を考慮している。
• 本モデルおよびデータはオープンライセンスで公開され、今後のエネルギー・システム計画および政策分析の再利用・再利用を支援する。

Fig 2 : Countries considered for export. Exports of chemical energy carriers from countries shown to \glsfmtfull de are modelled and investigated for nine different \glsfmtfullpl esc.