[논문 리뷰] 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 Rocha외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 01.

Graphite, nuclear technology, radiation studiesMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 장거리 무역을 위한 탄소 배출이 없는 에너지 수송수단으로서 녹색 수소와 철을 비교하는 기술경제 모델을 제시한다. 전기 생산 단위비용(LCOE), 효율성 및 배출량을 평가한다. 철은 장거리 운송 및 저장에 더 비용 효율적이고 효율적인 반면, 수소는 짧은 거리 및 변환에 더 유리하며, 저렴한 재생 가능 전기 가격과 탄소 가격 정책 하에서 녹색 철은 글로벌 청정 에너지 시장에서 강력한 경쟁자로 떠오른다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장거리 에너지 무역을 위한 녹색 수소와 철이 탄소 배출이 없는 에너지 수송수단으로서의 기술경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 생산부터 전기 생성까지 전 공급망을 아우르는 주요 비용 요인과 효율성의 상충 관계를 규명하기 위해.
• 재생 가능 전기 가격과 탄소세가 이러한 에너지 수송수단의 경쟁력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 거리, 저장 기간 및 인프라 제약 조건에 따라 최적의 에너지 수송수단을 결정하기 위해.

제안 방법

• 전기 생산 단위비용(LCOE), 열역학적 효율성 및 CO2 배출량을 전 공급망에 걸쳐 정량화하기 위해 종합적인 기술경제 모델을 개발하였다.
• 모델은 녹색 수소 및 철 생산, 전용 선박을 통한 장거리 운송, 저장, 그리고 발전소에서의 최종 전기 생성을 포함한다.
• 수소의 경우, 전기분해, 액체화 및 고온도 또는 고압 탱크를 이용한 운송을 분석한다. 철의 경우, 녹색 수소를 이용한 환원 및 발전소에서의 연소를 포함한다.
• 비용 및 성능에 영향을 미치는 주요 변수를 규명하기 위해 민감도 및 불확실성 분석을 통합하였다.
• 선박 자본 비용은 수소 전용 선박을 고려해 수정한 밀리건의 선박 비용 모델을 사용하여 추정하였다.
• CO2 배출량은 전기 및 연료의 배출 강도를 기반으로 계산되었으며, 녹색 수소 및 철은 직접 배출가 0이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 에너지 무역에서 녹색 수소와 철 중 어느 에너지 수송수단이 더 낮은 전기 생산 단위비용(LCOE)을 제공하는가?
• RQ2 수소 및 철의 공급망에서 열역학적 효율성과 에너지 손실은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 재생 가능 전기 가격과 탄소세는 녹색 에너지 수송수단이 기존 연료와 경쟁 가능하게 만들기에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 운송 거리와 저장 기간은 수소와 철의 경제성 및 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 각 에너지 수송수단의 공급망에서 주요 비용 요인는 무엇이며, 핵심 매개변수의 불확실성에 대한 결과의 민감도는 어떠한가?

주요 결과

• 5,000km 이상의 장거리 무역 노선에서 철은 수소보다 더 낮은 LCOE와 더 높은 운송 효율성을 보였다.
• 짧은 거리 및 짧은 저장 기간에서는 수소가 생산 및 변환 비용이 더 낮아 더 비용 효율적이고 효율적이었다.
• 장기 저장 및 국제 간 운송에서는 높은 생산 비용에도 불구하고 철이 수소보다 더 경제적이고 열역학적으로 효율적이었다.
• 재생 가능 전기 가격이 30 USD/MWh 이하일 경우, 특히 탄소 가격 정책 하에서 녹색 철은 기존 연료와 경쟁 가능해졌다.
• 민감도 분석 결과, 생산 효율성과 자본 비용이 둘 다 주요 비용 요인였으며, 이러한 매개변수의 불확실성이 LCOE에 크게 영향을 미쳤다.
• 균형점 분석을 통해 탄소세가 경쟁의 기반을 맞추는 데 필수적임을 확인하였으며, 녹색 에너지 수송수단이 기존 연료와 경쟁 가능해지려면 저렴한 재생 가능 전기 가격과 높은 탄소 가격 정책이 필요하다.