[論文レビュー] Minimum-regret hydrogen supply chain strategies to foster the energy transition of European hard-to-abate industries

Alissa Ganter, Paolo Gabrielli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2024

Hybrid Renewable Energy SystemsEnergy被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、水素需要（2.4–35 Mt/a）およびバイオマスの供給可能性の不確実性のもとで、欧州の排出削減が困難な産業向けに、費用対効果が高くレジリエンスに優れた低炭素水素供給チェーン（HSC）を設計する最小レジリエンス最適化モデルを開発した。その結果、2030年までに大規模なSMR-CCSおよび電解水素の能力（約9.6 Mt/a）への投資が、柔軟性を確保するために不可欠であることが判明した。一方、バイオマス由来水素は、原料の供給が保証される場合にのみ最も費用対効果に優れる。

ABSTRACT

Low-carbon hydrogen (H2) is envisioned to play a central role in decarbonizing European hard-to-abate industries, such as refineries, ammonia, methanol, steel, and cement. To enable its widespread use, H2 supply chain (HSC) infrastructure is required. Mature and economically viable low-carbon H2 production pathways include steam methane reforming (SMR) of natural gas coupled with carbon dioxide capture and storage (CCS), water-electrolysis from renewable electricity, biomethane reforming, and biomass gasification. However, uncertainties surrounding demand and feedstock availabilities hamper their proliferation. Here, we investigate the impact of uncertainty in H2 demand and biomass availability on the optimal HSC design. The HSC is modeled as a network of H2 production and consumption sites that are interconnected with H2 and biomass transport technologies. A CCS supply chain is modeled alongside the HSC. The cost-optimal HSC design is determined based on a linear optimization problem that considers a regional resolution and a multi-year time horizon (2022-2050). We adopt a scenario-based uncertainty quantification approach and define discrete H2 demand and biomass availability scenarios. Applying a minimum-regret strategy, we show that sufficiently large low-carbon H2 production capacities (about 9.6 Mt/a by 2030) are essential to flexibly scale up HSCs and accommodate H2 demands of up to 35 Mt/a by 2050. While biomass-based H2 production emerges as the most cost-efficient low-carbon H2 production pathway, investments are not recommended unless the availability of biomass feedstocks is guaranteed. Instead, investments in SMR-CCS and electrolysis often offer greater flexibility. In addition, we highlight the importance of CCS infrastructure, which is required across scenarios.

研究の動機と目的

• 将来の水素需要およびバイオマスの供給可能性における深刻な不確実性のもとで、欧州の排出削減が困難な産業向けに、レジリエンスがありコスト最適な水素供給チェーン（HSC）を設計する課題に対処すること。
• 需要および原料供給の不確実性が、CO2回収・輸送・貯蔵（CCS）インフラを含む低炭素HSCの最適設計に与える影響を調査すること。
• 技術的・経済的仮定の変化を想定したもとで、ステンメタン改質法にCO2回収を組み合わせたSMR-CCS、電解法、バイオメタン改質、バイオマスガス化といった、さまざまな低炭素水素生産プロセスの役割を評価すること。
• 2050年までのネット・ゼロ排出目標を達成するため、CO2輸送・貯蔵インフラへの早期投資の戦略的意義を評価すること。
• 将来的な需要および資源シナリオの変動に柔軟に対応できるように、コスト効率と長期的適応性の両立を図る最小レジリエンス計画戦略を提供すること。

提案手法

• 2022年から2050年までの多期間・多地域線形最適化モデルを構築し、水素およびバイオマスの輸送、CO2回収・輸送・貯蔵（CCS）インフラを含む、コスト最適なHSC設計を特定する。
• 水素需要（低・中・高）およびバイオマス供給可能性（低・中・高）の離散的シナリオを用いた不確実性の定量化アプローチを適用し、不確実性下での意思決定を強化する。
• すべてのシナリオにおいて最悪のコスト乖離を最小化する投資意思決定を特定する最小レジリエンス戦略を採用し、長期的な適応性を確保する。
• SMR-CCS、電解法、バイオメタン改質、バイオマスガス化といった水素生産技術の詳細な技術経済的パラメータ（設備投資コスト、耐用年数、効率仮定など）を組み込む。
• 現実の制約とコストを反映するため、CO2インフラを重要な構成要素として、回収・輸送（トラックおよびパイプライン）・貯蔵の能力を別々にモデル化する。
• 主なパラメータ（電解装置コスト、CO2輸送コスト、脱炭素化目標（例：2050年までに90％またはネット・ゼロ））に対する感度分析を実施し、モデルの頑健性および政策的インプリケーションを評価する。

Figure 1 : Solution strategy adopted to identify the minimum-regret \ce H2 supply chain design considering uncertainties in the evolution of the future \ce H2 demand and in the availability of biomass.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな不確実性シナリオにおいて、将来の需要を満たすために必要な低炭素水素生産能力の最適規模とミックスは何か？
• RQ2 バイオマス供給の不確実性が、コスト最適なHSC設計に与える影響は何か？また、バイオマス由来水素生産はどのような条件下で経済的に実現可能になるか？
• RQ3 SMR-CCSおよび電解装置への投資は、バイオマスベースのプロセスに比べて、どれほど戦略的柔軟性を提供するか？
• RQ4 2050年までにネット・ゼロ排出を達成するため、CO2輸送・貯蔵インフラへの早期投資はどれほど重要か？
• RQ5 電解装置の設備投資コストやCO2輸送コストといった主要コスト仮定の変化が、最適なHSC構成および投資タイミングに与える影響は何か？

主な発見

• 2030年までに、少なくとも9.6 Mt/aの低炭素水素生産能力への投資が、35 Mt/aまで達する可能性のある将来のすべての需要シナリオにおいて、柔軟性と費用対効果を確保する上で不可欠である。
• バイオマス由来水素生産は、原料供給が保証される場合にのみ最も費用対効果に優れるが、そうでない場合にはSMR-CCSおよび電解法が、高い柔軟性を発揮するためより好ましくなる。
• CO2輸送コストに楽観的な仮定（例：設備投資コストがゼロ）を適用した場合、SMR-CCS能力は最大26％増加し、バイオマス由来H2能力は最大16％減少する。これは、CO2インフラの戦略的重要性を強調する。
• 2050年のネット・ゼロ目標を達成するには、すべてのシナリオでCO2回収・貯蔵（CCS）インフラが必要であり、目標が90％脱炭素化に緩和された場合、平均でCCS能力が24％削減される。
• 電解装置のコスト仮定が楽観的（設備投資コストの低減および耐用年数の延長）であっても、HSCにおける電解法の割合は8％未満にしか増加しない。これは、コスト削減だけでは技術ミックスの大幅なシフトをもたらさないことを示している。
• 最小レジリエンス戦略により、コストと適応性の両立を図るレジリエントな投資経路が特定され、将来的な需要または資源のショックにかかわらず、気候目標を達成できるHSCの構築が可能となる。

Figure 2 : Overview of the available feedstocks and energy sources, the available \ce H2 production, conditioning, and transport technologies, and the considered \ce H2 demands.