[논문 리뷰] Minimum-regret hydrogen supply chain strategies to foster the energy transition of European hard-to-abate industries

Alissa Ganter, Paolo Gabrielli외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 07. 08.

Hybrid Renewable Energy SystemsEnergy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 유럽의 탄소 배출을 줄이기 어려운 산업 분야를 대상으로, 수소 수요(2.4–35 Mt/a)와 생물질 공급 가능성이 불확실한 상황에서 비용 효율적이고 내구성이 뛰어난 저탄소 수소 공급망(HSC)을 설계하기 위해 최소 손실 최적화 모델을 개발한다. 연구 결과, 2030년까지 대규모 SMR-CCS 및 전기분해기 용량(약 9.6 Mt/a)에 투자하는 것이 탄력성 확보에 필수적이며, 원료 공급이 보장될 경우에만 생물질 기반 수소가 가장 비용 효율적임을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미래 수소 수요와 생물질 공급 가능성이 깊이 있는 불확실성에 놓여 있을 때, 유럽의 탄소 배출을 줄이기 어려운 산업 분야를 위한 내구성 있고 비용 최적화된 수소 공급망(HSC) 설계의 과제를 해결한다.
• 수요와 원료 공급 가능성이 불확실할 경우, CO2 포집, 운반, 저장(CCS) 인프라 포함 저탄소 HSC의 최적 설계에 미치는 영향을 조사한다.
• 스팀 메탄 개질에 의한 CO2 포집 및 저장(SMR-CCS), 전기분해, 바이오메탄 개질, 생물질 가스화 등 다양한 저탄소 수소 생산 경로가 기술적 및 경제적 조건이 변화할 경우 어떻게 영향을 받는지 평가한다.
• 2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 CO2 운반 및 저장 인프라에 조기에 투자하는 전략적 중요성을 평가한다.
• 비용 효율성과 향후 수요 및 자원 시나리오 변화에 대한 장기적 적응 능력을 균형 잡는 최소 손실 계획 전략을 제공한다.

제안 방법

• 2022~2050년을 아우르는 다기능, 다지역 선형 최적화 모델을 구축하여, 수소 및 생물질 운반, CO2 포집, 운반 및 저장(CCS) 인프라 포함 비용 최적의 HSC 설계를 도출한다.
• 수소 수요(저수준, 중수준, 고수준)와 생물질 공급 가능성(저수준, 중수준, 고수준)에 대한 이산 시나리오를 설정하여 불확실성 하에서의 강건한 의사결정을 가능하게 하는 시나리오 기반 불확실성 정량화 기법을 적용한다.
• 모든 시나리오에서 최악의 비용 편차를 최소화하는 투자 결정을 도출함으로써 장기적 적응 능력을 확보하는 최소 손실 전략을 활용한다.
• SMR-CCS, 전기분해, 바이오메탄 개질, 생물질 가스화 등 수소 생산 기술의 세부 기술경제적 파rameter(자본비용, 수명, 효율성 가정 등)를 통합한다.
• 실제 제약 조건과 비용을 반영하기 위해 CO2 인프라를 핵심 구성 요소로 간주하고, 별도의 포집, 운반(트럭 및 파이프라인), 저장 용량을 모델링한다.
• 핵심 파rameter에 대한 민감도 분석을 수행한다—전기분해기 비용, CO2 운반 비용, 탈탄소화 목표(예: 2050년 90% 또는 탄소중립) 등—를 통해 모델의 강건성과 정책적 함의를 평가한다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 불확실성 시나리오 하에서 향후 수요를 충족하기 위해 필요한 저탄소 수소 생산 용량의 최적 규모와 조합은 무엇인가?
• RQ2 생물질 공급 가능성이 불확실할 경우 비용 최적의 HSC 설계에 어떤 영향을 미치며, 언제 생물질 기반 수소 생산이 경제적으로 유리한가?
• RQ3 생물질 기반 경로에 비해 SMR-CCS 및 전기분해기 투자로 인한 전략적 유연성은 어느 정도 높은가?
• RQ4 2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 CO2 운반 및 저장 인프라에 조기에 투자하는 것이 얼마나 필수적인가?
• RQ5 전기분해기 자본비용 또는 CO2 운반 비용과 같은 핵심 비용 가정의 변화가 최적의 HSC 구성과 투자 시기 결정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 향후 수요 시나리오, 특히 2050년까지 최대 35 Mt/a까지 수요가 발생할 경우를 고려하여, 2030년까지 최소 9.6 Mt/a의 저탄소 수소 생산 용량에 투자하는 것이 탄력성과 비용 효율성 확보에 필수적이다.
• 생물질 기반 수소 생산은 가장 비용 효율적인 경로이지만, 원료 공급 가능성이 보장되지 않을 경우 SMR-CCS 및 전기분해기가 더 높은 탄력성 덕분에 유리해진다.
• CO2 운반 비용에 대해 낙관적인 가정(예: 자본비용 0)을 적용할 경우, SMR-CCS 용량은 최대 26% 증가하고 생물질 기반 수소 용량은 최대 16% 감소하여, CO2 인프라의 전략적 중요성을 입증한다.
• 2050년 탄소중립 목표를 달성하기 위해 모든 시나리오에서 CO2 포집 및 저장(CCS) 인프라가 필요하며, 목표가 90% 탈탄소화로 완화될 경우 평균 CCS 용량이 24% 감소한다.
• 전기분해기 자본비용이 낮아지고 수명이 연장되는 낙관적 가정 하에서도 전기분해기 비중은 8% 미만으로 증가하여, 단순한 비용 절감만으로는 기술 혼합 비율이 크게 변화하지 않음을 시사한다.
• 최소 손실 전략은 비용과 적응 능력을 균형 잡은 강력한 투자 경로를 도출하여, 향후 수요나 자원 공급 변화에 상관없이 기후 목표를 달성할 수 있도록 보장한다.

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.