[論文レビュー] Sector coupling via hydrogen to lower the cost of energy system decarbonization

Guannan He, Dharik S. Mallapragada+3 more|RePEc: Research Papers in Economics|Mar 5, 2021

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、電力および水素（H₂）インフラを統合したマルチセクターエネルギーシステムモデルを提案し、電力および輸送セクター全体の投資と運用を共同最適化する。96％の脱炭素化を想定した条件下で、P2G（電力から水素）によるセクター結合は、システムコストを6–14％削減し、再生可能エネルギーの利用を12–55％増加させる。水素の価値は、P2G2P（電力からガスから電力）エネルギー貯蔵に特化するよりも、非電力セクター（例：輸送、産業）に供給される場合に顕著になる。

ABSTRACT

There is growing interest in hydrogen (H$_2$) use for long-duration energy storage in a future electric grid dominated by variable renewable energy (VRE) resources. Modelling the role of H$_2$ as grid-scale energy storage, often referred as "power-to-gas-to-power (P2G2P)" overlooks the cost-sharing and emission benefits from using the deployed H$_2$ production and storage assets to also supply H$_2$ for decarbonizing other end-use sectors where direct electrification may be challenged. Here, we develop a generalized modelling framework for co-optimizing energy infrastructure investment and operation across power and transportation sectors and the supply chains of electricity and H$_2$, while accounting for spatio-temporal variations in energy demand and supply. Applying this sector-coupling framework to the U.S. Northeast under a range of technology cost and carbon price scenarios, we find a greater value of power-to-H$_2$ (P2G) versus P2G2P routes. P2G provides flexible demand response, while the extra cost and efficiency penalties of P2G2P routes make the solution less attractive for grid balancing. The effects of sector-coupling are significant, boosting VRE generation by 12-55% with both increased capacities and reduced curtailments and reducing the total system cost (or levelized costs of energy) by 6-14% under 96% decarbonization scenarios. Both the cost savings and emission reductions from sector coupling increase with H$_2$ demand for other end-uses, more than doubling for a 96% decarbonization scenario as H$_2$ demand quadraples. Moreover, we found that the deployment of carbon capture and storage is more cost-effective in the H$_2$ sector because of the lower cost and higher utilization rate. These findings highlight the importance of using an integrated multi-sector energy system framework with multiple energy vectors in planning energy system decarbonization pathways.

研究の動機と目的

• P2G2Pエネルギー貯蔵に限定した電力網脱炭素化モデルでは、水素のシステム価値が低く見積もられている問題に対処すること。
• 複数の最終用途セクターにわたる電力および水素インフラの共同最適化が、総システムコストの低減および再生可能エネルギー利用率の向上に与える影響を調査すること。
• 輸送や産業など非電力セクターからの水素需要が、水素ベースのエネルギーシステムの費用対効果に与える影響を評価すること。
• 炭素回収・貯留（CCS）が水素生産に応用された場合の費用対効果と、他の脱炭素化経路との比較を評価すること。
• 電力と水素の価格・計画を統合した調整によるセクター結合を可能にするための政策および市場設計のニーズを同定すること

提案手法

• 電力および水素インフラの投資と運用を共同最適化するための一般化された、空間的・時間的分解能を有する最適化フレームワークを構築する。
• 電解水素生成、地下空洞貯蔵、パイプラインおよびトラック輸送、燃料電池電気自動車（FCEV）およびその他のセクターにおける最終用途を含む、完全なH₂供給チェーンをモデル化する。
• 時間的・空間的分解能を有する変動性再生可能エネルギー（VRE）発電、電力需要、およびセクター別H₂需要を統合する。
• 混合整数線形プログラミング（MILP）の定式化を用い、資本費、運用費、炭素価格を含む総システムコストを最小化する。
• 技術コストおよび炭素価格の変動を想定した条件下で、P2G（電力から水素）とP2G2P（電力からガスから電力）の経路を比較する。
• 水素生産と送信インフラの相乗効果、特に天然ガス由来水素生産（例：SMRにCCSを適用）とパイプライン輸送の相乗的適合性を評価する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 P2Gによるセクター結合は、独立した電力セクター最適化と比較して、エネルギーシステム脱炭素化の総コストをどの程度低減するか？
• RQ2 VRE（変動性再生可能エネルギー）を主とする電網において、P2G（電力から水素）とP2G2P（電力からガスから電力）の相対的なシステム価値は何か？
• RQ3 輸送や産業などの非電力セクターからの水素需要が増加する場合、セクター結合によるコスト削減および再生可能エネルギー統合に与える影響は？
• RQ4 水素生産にCCSを適用した場合の費用対効果は何か？他の脱炭素化経路と比較してどうか？
• RQ5 インフラ選定、特にパイプライン輸送とトラック輸送の違いが、異なる生産経路下でのシステムコストとスケーラビリティに与える影響は？

主な発見

• 米国北東部の96％脱炭素化シナリオ下で、P2Gによるセクター結合は、総システムコストを6–14％削減し、再生可能エネルギー発電量を12–55％増加させる。
• P2Gの価値はP2G2Pを上回る。P2Gは再電気化に伴う効率損失と資本コストを回避するため、電網のバランス調整においてより費用対効果が良い。
• 96％脱炭素化シナリオ下で、非電力セクターにおける水素需要が4倍になると、セクター結合によるコスト削減および排出削減効果は2倍以上に増大する。
• CCSは、他の応用分野と比較して、利用効率が高く、1トンのCO₂回収当たりのコストが低いことから、水素分野での費用対効果が優れている。
• パイプライン輸送は、天然ガス由来水素生産（例：SMRにCCSを適用）と一致する規模と容量を有するため、相乗効果が顕著である。一方、トラック輸送はインフラおよび安全上の制約により、スケーラビリティが低い。
• セクター結合のシステム利益は、非電力セクターにおける水素需要に極めて敏感である。これより、脱炭素化経路は、クロスセクター需要を考慮しなければ、完全なコスト削減効果を発揮できない。