[논문 리뷰] Analysis of Hydrogen Production Costs across the United States and over the next 30 years

Mahmoud M. Ramadan, Yuanchen Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2020~2050년 기간 동안 미국 전역에서 수소 생산 비용과 탄소 강도를 분석하며, 90% CCUS를 갖춘 스팀 메탄 개질(SMR)과 알칼리성, PEM, SOEC의 세 가지 전기분해 기술을 비교한다. 연구 결과, 전기 가격이 2¢/kWh로 내려가야 전기분해 기술이 SMR와 비용 경쟁력을 갖추게 되며, 이는 그린 수소 광범위 도입을 위해 전력망 탄소중립화와 전기 비용 절감이 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

Hydrogen can play an important role for decarbonization. While hydrogen is usually produced through SMR, it can also be produced through water electrolysis which is cleaner. The relative cost and carbon intensity of hydrogen production through SMR and electrolysis vary throughout the United States because of differences in the grid. While many hydrogen cost models exist, no regional hydrogen study has been conducted across the US. We studied how the Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) and carbon intensity for producing hydrogen vary across the US. We looked at electrolysis technologies (Alkaline, PEM, and SOEC) and compared them to SMR. In 2020, SMR with 90 percent CCUS has a lower average LCOH and carbon intensity for hydrogen production than electrolysis by SOEC. For states with cleaner grids, hydrogen produced through SOEC has a lower carbon intensity than hydrogen produced using SMR with 90 percent CCUS. Washington has one of the lowest carbon footprints and the lowest LCOH to produce hydrogen through electrolysis (alkaline). We predict that the LCOH for hydrogen production will be 3.2 USD per kg for Alkaline, 3.1 USD per kg for PEM, and 2.6 USD per kg for SOEC by 2050 with constant electricity prices. These projected LCOHs are still higher than the LCOH for hydrogen produced through SMR with 90 percent CCUS. If electricity costs decrease to 2c per kWh, we expect to reach cost-parity with SMR with 90 percent CCUS. The results suggest that significant investment in decarbonizing the grid and lowering the cost of electricity needs to be made to make electrolysis more competitive compared to SMR.

연구 동기 및 목표

• 미국 전역에서 수소 생산 비용과 탄소 강도의 지역적 변동성을 평가하기 위해.
• 90% CCUS를 갖춘 SMR와 알칼리성, PEM, SOEC의 세 가지 전기분해 기술 간의 수소의 평균비용(LCOH)과 탄소 강도를 비교하기 위해.
• 다양한 전기 가격 시나리오 하에서 2050년까지 수소 생산의 LCOH와 탄소 강도 추세를 예측하기 위해.
• 녹색 수소와 파란 수소의 경쟁력에 영향을 미치는 주요 지역적 및 기술적 요인을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전기 가격과 전력망 탄소 강도의 주 단위 변동성을 반영한 지역화된 수소 평균비용(LCOH) 모델을 사용한다.
• 알칼리성, 프로톤 교환 막(PEM), 고체 산옥시드 전기분해 세포(SOEC)의 세 가지 전기분해 기술과 함께 90% 탄소 포집을 갖춘 스팀 메탄 개질(SMR)을 평가한다.
• 각 기술의 자본비용, 전력 소비량, 운영 수명을 모델에 통합하고, 지역 전력망 데이터를 활용해 탄소 강도를 산정한다.
• 전기 가격에 대한 민감도 분 析를 수행하여, 전기분해 기술이 SMR와 비용 경쟁력을 갖추기 위한 임계점을 도출한다.
• 분석 기간은 2020년부터 2050년까지이며, 전기 가격이 일정하거나 감소하는 시나리오 하에서 LCOH와 탄소 강도를 예측한다.
• 결과는 미국 주 단위로 공간적으로 분리되어, 저비용 및 저탄소 수소 생산의 지역적 리더를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2020년 기준으로 미국 전역에서 수소 생산 비용과 탄소 강도의 지역적 변동성은 어떠한가?
• RQ2 미국 각 주에서 알칼리성, PEM, SOEC 전기분해 기술의 수소 평균비용(LCOH)은 90% CCUS를 갖춘 SMR와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전기분해 수소가 90% CCUS를 갖춘 SMR와 비용 동등성을 달성하기 위해 필요한 전기 가격은 얼마인가?
• RQ4 어느 미국 주에서 전기분해를 통한 녹색 수소 생산의 LCOH와 탄소 강도가 가장 낮은가?
• RQ5 전기 가격이 일정하거나 감소하는 조건에서 2020년부터 2050년까지 수소 생산의 예상 LCOH와 탄소 강도 추세는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 2020년 기준으로 미국 전역에서 90% CCUS를 갖춘 SMR는 SOEC 전기분해보다 평균적으로 낮은 LCOH와 탄소 강도를 기록했다.
• 워싱턴 주는 청정 전력망과 낮은 전기 가격 덕분에 알칼리성 전기분해를 통한 수소 생산에서 가장 낮은 LCOH와 탄소 발자국을 기록했다.
• 2050년 기준, 전기 가격이 일정할 경우 알칼리성, PEM, SOEC 전기분해 기술의 예상 LCOH는 각각 3.2 USD/kg, 3.1 USD/kg, 2.6 USD/kg이다.
• 전기분해 기술과 90% CCUS를 갖춘 SMR 간의 비용 동등성은 전기 가격이 2¢/kWh로 내려갈 경우에만 달성 가능하다.
• 워싱턴과 같이 전력망이 더 청정한 주에서는 SOEC가 90% CCUS를 갖춘 SMR보다 낮은 탄소 강도로 수소를 생산한다.
• 녹색 수소가 파란 수소와 경쟁력을 갖추기 위해서는 전력망 탄소중립화와 전기 비용 절감에 대한 대규모 투자가 필요하다.