[論文レビュー] Techno-economic assessment of long-distance supply chains of energy carriers: Comparing hydrogen and iron for carbon-free electricity generation

Jannik Neumann, Rodolfo Cavaliere Da Rocha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Graphite, nuclear technology, radiation studiesMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、長距離貿易における炭素フリーエネルギー搬送体としてのグリーン水素と鉄の比較を目的とした技術的・経済的モデルを提示している。LCOE（電力のレベル化コスト）、効率、排出ガスを評価している。鉄は長距離輸送および貯蔵においてより費用対効果が高く、効率的であるが、短距離輸送および変換においては水素がより実用的である。グリーン鉄は、再生可能電力価格が低く、炭素価格が設定されている場合、グローバルなクリーンエネルギー市場において強力なライバルとなる。

ABSTRACT

Effective usage of renewable energy requires ways of storage and delivery to balance energy demand and availability divergences. Carbon-free chemical energy carriers are proposed solutions, converting clean electricity into stable media for storage and long-distance energy trade. Hydrogen (H$_2$) is the subject of significant investment and research. Metal fuels, such as iron (Fe), are promising solutions for a clean energy supply, but establishing an interconnected ecosystem still requires considerable research and development. A model is proposed to assess the supply chain of hydrogen and iron as clean, carbon-free energy carriers and then examines case studies of possible trade routes between the potential energy exporters Morocco, Saudi Arabia, and Australia and importers Germany and Japan. The work comprehends the assessment of economic (levelized cost of electricity - LCOE), energetic (thermodynamic efficiency) and environmental (CO$_2$ emissions) aspects, quantified by the comprehensive model accounting for the most critical processes in the supply chain. Sensitivity and uncertainty analyses identify the main drivers for energy costs. Iron is shown to be lower-cost and more efficient to transport in longer routes and for long-term storage, but potentially more expensive and less efficient than H$_2$ to produce and convert. Uncertainties related to the supply chain specifications and the sensitivity to the used variables indicate that the path to viable energy carriers fundamentally depends on efficient synthesis, conversion, storage, and transport. A break-even analysis demonstrated that clean energy carriers could be competitive with conventional energy carriers at low renewable energy prices, while carbon taxes might be needed to level the playing field. Thereby, green iron is an important potential energy carrier for long-distance trade in a globalized clean energy market.

研究の動機と目的

• グリーン水素と鉄が長距離エネルギー貿易における炭素フリーエネルギー搬送体として技術的・経済的に実現可能かどうかを評価すること。
• 生産から電力発電までの全サプライチェーンにおける主なコスト駆動要因と効率のトレードオフを特定すること。
• 再生可能電力価格と炭素税がこれらのエネルギー搬送体の競争力に与える影響を評価すること。
• 輸送距離、貯蔵期間、インフラ制約に応じて最適なエネルギー搬送体を特定すること。

提案手法

• 水素および鉄の全サプライチェーンにわたり、電力のレベル化コスト（LCOE）、熱力学的効率、CO2排出量を定量化する包括的な技術的・経済的モデルを構築した。
• モデルには、グリーン水素および鉄の生産、専用船による長距離輸送、貯蔵、および発電所における最終的な電力発電を含む主要プロセスが含まれる。
• 水素の場合、分析には電解、液化、および低温または高圧タンクを用いた輸送が含まれる。鉄の場合、グリーン水素を用いた還元および発電所における燃焼が含まれる。
• コストおよび性能に影響を与える主要な変数を特定するために感度分析および不確実性分析を組み込んだ。
• 船の資本コストは、ミルガンの船体コストモデルを改変し、水素専用船に適合させる形で推定した。
• CO2排出量は、電力および燃料の排出強度に基づいて計算され、グリーン水素および鉄には直接排出がゼロである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離エネルギー貿易において、グリーン水素と鉄のどちらが低い電力のレベル化コスト（LCOE）を実現するか？
• RQ2 水素と鉄のサプライチェーンにおける熱力学的効率およびエネルギー損失は、どのように比較されるか？
• RQ3 再生可能電力価格と炭素税は、グリーンエネルギー搬送体が一般燃料と競合可能になるために果たす役割は何か？
• RQ4 輸送距離および貯蔵期間は、水素と鉄の経済的およびエネルギー的パフォーマンスにどのように影響するか？
• RQ5 各エネルギー搬送体のサプライチェーンにおける主なコスト駆動要因は何か。また、主要パrameterの不確実性に対する結果の感度はどの程度か？

主な発見

• 5,000 kmを超える長距離貿易ルートでは、鉄が水素よりも低いLCOEと高い輸送効率を示した。
• 短距離輸送および短時間貯蔵では、生産および変換コストが低いため、水素がより費用対効果が高く、効率的である。
• 長期貯蔵および国際的輸送においては、生産コストが高めでも、鉄は水素よりも経済的かつ熱力学的に効率的である。
• 再生可能電力価格が30 USD/MWh未満である場合、特に炭素価格が設定されている場合には、グリーン鉄は一般燃料と競合可能になる。
• 感度分析から、生産効率および資本コストが両エネルギー搬送体の主なコスト駆動要因であることが判明。これらのパrameterの不確実性はLCOEに顕著な影響を与える。
• 損益分岐点分析により、炭素税が競争の土壌を整えるために不可欠であることが確認された。グリーンエネルギー搬送体は、再生可能電力価格が低く、炭素価格が高い条件下でのみ、一般燃料と競合可能になる。