[논문 리뷰] Sector coupling via hydrogen to lower the cost of energy system decarbonization

Guannan He, Dharik S. Mallapragada외 3명|RePEc: Research Papers in Economics|2021. 03. 05.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 전력 및 수소(H₂) 인프라를 통합하여 전기 및 교통 부문의 투자와 운영을 공동 최적화하는 다부문 에너지 시스템 모델을 제안한다. 96% 탄소중립화 조건 하에서 전력-수소 전환(P2G)을 통한 부문 연계는 시스템 비용을 6–14% 감소시키고 재생 가능 에너지 사용을 12–55% 증가시키며, 전력 부문 외의 부문에 수소를 공급할 경우 P2G2P 에너지 저장만을 위한 경우보다 더 큰 가치를 창출한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전력망 탄소중립화 모델에서 P2G2P 에너지 저장에만 집중함으로써 수소의 시스템 가치가 과소평가되고 있는 문제를 다루기 위해.
• 다양한 최종 사용 부문을 통해 전력 및 수소 인프라를 공동 최적화함으로써 총 시스템 비용을 감소시키고 재생 가능 에너지 활용도를 높이는 방법을 조사하기 위해.
• 수송, 산업 등 전력 부문 외의 부문에서의 수소 수요가 수소 기반 에너지 시스템의 비용 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 탄소 포집 및 저장(CCS)이 수소 생산에 적용되었을 때의 비용 효율성과 다른 탄소중립화 경로와의 비교를 평가하기 위해.
• 전기 및 수소의 통합 계획 및 가격 책정을 통해 부문 연계를 촉진하기 위한 정책 및 시장 설계 필요성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전력 및 수소 인프라 투자와 운영을 공동 계획하기 위한 일반화된, 시공간적으로 해상도가 높은 최적화 프레임워크를 개발한다.
• 전기분해, 저장(지하 공동), 파이프라인 및 트럭 운송, 연료 전지 전기차(FCEV) 및 기타 부문에서의 최종 사용를 포함한 전체 수소 공급망을 모델링한다.
• 변동 가능한 재생 가능 에너지(VRE) 발전, 전기 수요, 부문별 수소 수요를 시간적·공간적으로 해상도를 높여 통합한다.
• 자본, 운영 및 탄소 가격 비용을 포함한 총 시스템 비용을 최소화하기 위해 혼합정수선형계획(MILP) 수식을 사용한다.
• 기술 비용과 탄소 가격가 변화하는 조건에서 P2G(전력-수소)와 P2G2P(전력-가스-전력) 경로를 비교한다.
• 특히 파이프라인과 천연가스 기반 수소 생산 간의 상호보완성에 주목하여 수소 생산 및 전송 인프라 간의 상호작용을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력 부문 최적화에만 집중할 경우와 비교해 수소를 통한 부문 연계가 에너지 시스템 탄소중립화 총 비용을 얼마나 줄이는가?
• RQ2 VRE가 지배하는 전력망에서 전력-수소(P2G)와 전력-가스-전력(P2G2P) 경로의 상대적 시스템 가치는 어떠한가?
• RQ3 수송, 산업 등 전력 부문 외의 부문에서의 수소 수요 증가가 부문 연계의 비용 절감 및 재생 가능 에너지 통합에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 탄소 포집 및 저장(CCS)을 수소 생산에 적용했을 때의 비용 효율성은 어떠한가? 다른 탄소중립화 경로와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 특히 파이프라인 운송과 트럭 운송을 비교할 때, 다양한 생산 경로 하에서 수소 운송 수단 선택이 시스템 비용과 확장성에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 미국 뉴잉글랜드 지역에서 96% 탄소중립화 시나리오 하에서 P2G를 통한 부문 연계는 총 시스템 비용을 6–14% 감소시키고 재생 가능 에너지 발전을 12–55% 증가시킨다.
• P2G의 가치가 P2G2P를 초월하는 이유는 P2G가 재전기화 과정의 효율 손실과 자본 비용을 피하기 때문이며, 이는 전력망 균형 유지를 위한 더 비용 효율적인 방법이다.
• 96% 탄소중립화 시나리오 하에서 전력 부문 외의 부문에서 수소 수요가 4배로 증가할 경우, 부문 연계로 인한 비용 절감과 온실가스 감축 효과는 두 배 이상 증가한다.
• CCS는 다른 적용 분야에 비해 더 높은 활용도와 톤당 CO₂ 포집 비용이 낮기 때문에 수소 부문에서 더 비용 효율적이다.
• 파이프라인 기반 수소 운송은 천연가스 기반 수소 생산(예: CCS가 적용된 SMR)과 일치하는 규모와 용량을 지니기 때문에 상호보완성이 높으며, 트럭 기반 운송은 인프라 및 안전 제약으로 인해 확장성이 떨어진다.
• 부문 연계의 시스템 이점은 전력 부문 외의 부문에서의 수소 수요에 매우 민감하게 반응하므로, 탄소중립화 경로 수립 시 다부문 수요를 고려해야 전반적인 비용 절감 효과를 극대화할 수 있다.