[논문 리뷰] Global GIS-based potential analysis and cost assessment of Power-to-X fuels in 2050

Maximilian Pfennig, Diana Böttger외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 31.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유럽경제지역 외부의 온shore 풍력 및 지면 고정형 태양광 발전에서 유래하는 14개의 PtX 경로를 평가하기 위해 고해상도 공간 및 시간 데이터를 활용한 글로벌 GIS 기반 PtX 연료 잠재력 및 비용 평가를 수행한다. 97개 국가에서 뚜렷한 잠재력이 확인되었으며, 엄격한 지속 가능성 기준 하에 2050년 기준 녹색 수소의 생산 비용은 42.3 EUR/MWh, 페일러-트로프스 연료는 84 EUR/MWh에 이르렀다.

ABSTRACT

Electricity-based fuels from renewable energies are regarded as a key instrument for climate protection. These Power-to-X (PtX) products are to replace fossil fuels in sectors where direct use of electricity from renewable energies is not possible. We investigate the production potential of PtX fuels from onshore wind energy and ground-mounted photovoltaic energy for all countries outside the European Economic Area along 14 PtX production pathways. These include hydrogen, several hydrocarbons and ammonia. The technical and economic potential assessment is based on data with hourly temporal and high spatial resolution. The analysis considers various criteria, including weather conditions, nature conservation concerns and land use. The results show the production quantities and costs of climate-friendly fuel production under strict sustainability criteria and locate them spatially. It is shown that many regions of the world are well suited to produce PtX products. The production quantity outside Europe is up to 120,000 TWh/yr of hydrogen or 87,000 TWh/yr of hydrocarbons in the long term. We identify 97 countries with potentials, of which 38 countries possess relevant potentials of more than 100 TWh/yr. The largest suitable areas are in the United States, Australia and Argentina. The production costs vary a lot across the different regions. The lowest production costs for PtX generation are in Latin America (Chile, Argentina and Venezuela) and Mauritania with a lower limit of 42.3 EUR/MWh to 46.5 EUR/MWh for gaseous hydrogen and 84 EUR/MWh to 89.1 EUR/MWh for Fischer-Tropsch fuels. All best sites are pure wind or combined wind and photovoltaic sites. Moreover, we show import options of these PtX products to Europe considering socioeconomic factors and transport costs. All investigation results are freely accessible via the Global PtX Atlas on https://maps.iee.fraunhofer.de/ptx-atlas/.

연구 동기 및 목표

• 유럽경제지역 외부의 재생에너지 자원에서 유래하는 Power-to-X (PtX) 연료의 글로벌 기술적 및 경제적 잠재력을 평가하는 것.
• 엄격한 지속 가능성 기준 하에 녹색 수소, 암모니아, 페일러-트로프스 연료를 포함한 14개의 다양한 PtX 경로를 평가하는 것.
• 고해상도 지공간 데이터를 활용해 공간적으로 명시된 높은 생산 잠재력과 낮은 생산 비용을 가진 지역을 규명하는 것.
• 수송 비용 및 사회경제적 요인을 고려하여 유럽으로의 PtX 연료 수입 잠재력을 분석하는 것.
• 정책 및 연구 용도로의 활용을 위해 오픈 액세스 데이터를 제공하는 글로벌 PtX 어트라스를 구축하는 것.

제안 방법

• 이 연구는 온shore 풍력 및 지면 고정형 태양광 에너지 가용성에 대해 시간당 및 고해상도 공간 데이터를 활용한 GIS 기반 모델링 프레임워크를 사용한다.
• 자연 보전 지역 및 토지 이용 제한과 같은 환경 및 토지 이용 제약 조건을 통합하여 실현 가능한 생산 지역을 정의한다.
• 자본, 운영 및 재생 에너지 비용을 고려하여 각 PtX 경로의 MWh당 생산 비용을 추정하기 위해 기술경제 모델을 적용한다.
• 기존의 화학 변환 공정을 활용해 녹색 수소, 암모니아 및 합성 수소화합물과 같은 14개의 다양한 PtX 경로를 평가한다.
• 생산 잠재력은 기술적 및 지속 가능성 제약 조건 하에서 달성 가능한 최대 연간 생산량으로 계산된다.
• 결과는 공간적으로 지ap핑되어 글로벌 접근성과 정책 지원을 위해 글로벌 PtX 어트라스를 통해 공개된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2050년 기준 유럽경제지역 외부에서 Power-to-X 연료 생산에 가장 높은 기술적 잠재력을 가진 지역은 어디인가?
• RQ2 엄격한 지속 가능성 기준 하에 다양한 PtX 경로의 최소 생산 비용은 얼마인가?
• RQ3 바람 및 태양광 자원 가용성, 토지 이용 및 환경 제약 조건은 글로벌 PtX 잠재력 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 어느 국가들이 주로 유럽으로 PtX 연료를 수출할 수 있으며, 관련 수송 및 사회경제적 비용은 무엇인가?
• RQ5 전 세계적으로 대규모 녹색 수소 및 합성 연료 생산에 가장 비용 효율적인 현장은 어디인가?

주요 결과

• 2050년 기준 유럽 외부에서 녹색 수소의 글로벌 생산 잠재력은 최대 연간 120,000 TWh/yr에 이를 수 있으며, 수소화합물 잠재력은 87,000 TWh/yr에 이르렀다.
• 총 97개 국가에서 뚜렷한 PtX 잠재력이 확인되었으며, 이 중 38개 국가는 연간 100 TWh/yr 이상의 생산 잠재력을 보였다.
• 미국, 호주, 아르헨티나는 PtX 생산에 적합한 토지 면적이 가장 넓은 국가들이다.
• 저비용 생산 지역은 라틴 아메리카(칠레, 아르헨티나, 베네수엘라) 및 모리타니아에 위치해 있으며, 녹색 수소의 생산 비용은 42.3~46.5 EUR/MWh, 페일러-트로프스 연료는 84~89.1 EUR/MWh 수준이었다.
• 모든 최고 성능을 보인 현장은 순수 풍력 또는 풍력과 태양광의 병합 시설이었으며, 하이브리드 재생 에너지 시스템의 중요성을 입증했다.
• 이 연구는 유럽으로의 PtX 연료 수입 가능 경로를 규명했으며, 장기적 수출 가능성에 영향을 미치는 수송 및 사회경제적 요인이 존재했다.