[论文解读] Global GIS-based potential analysis and cost assessment of Power-to-X fuels in 2050

Maximilian Pfennig, Diana Böttger+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用 5

一句话总结

本研究基于全球地理信息系统（GIS）对欧洲经济区以外的可再生能源制氢（Power-to-X, PtX）燃料潜力与成本进行了评估，采用高分辨率时空数据，评估了14种PtX路径，涵盖陆上风电和地面安装光伏。研究识别出97个国家具有显著潜力，其中智利、阿根廷和毛里塔尼亚的生产成本最低，到2050年绿色氢气成本低至42.3 EUR/MWh，费托合成燃料成本为84 EUR/MWh，且符合严格可持续性标准。

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/.

研究动机与目标

• 评估欧洲经济区以外可再生能源来源的全球技术与经济潜力。
• 在严格可持续性标准下，评估14种不同的PtX路径，包括绿色氢气、氨和费托合成燃料。
• 利用高分辨率地理空间数据，识别具有明确空间分布的高潜力与低成本区域。
• 分析PtX燃料向欧洲的进口潜力，考虑运输成本与社会经济因素。
• 通过全球PtX地图集提供开放获取数据，供政策制定与研究使用。

提出的方法

• 本研究采用基于GIS的建模框架，结合陆上风电与地面安装光伏能源可用性的小时级时间分辨率与高空间分辨率数据。
• 整合环境与土地利用限制条件，包括自然保护区域与土地利用限制，以界定可行的生产区域。
• 通过技术经济模型估算每种PtX路径的每兆瓦时生产成本，综合考虑资本支出、运营成本与可再生能源电力成本。
• 模型评估了14种不同的PtX路径，包括绿色氢气、氨与合成碳氢化合物，基于成熟的化学转化工艺。
• 生产潜力定义为在技术与可持续性约束下可实现的最大年产量。
• 结果以空间化形式呈现，并通过全球PtX地图集向公众开放，以支持全球可及性与政策制定。

实验结果

研究问题

• RQ1 到2050年，欧洲经济区以外哪些地区在PtX燃料生产方面具有最高的技术潜力？
• RQ2 在严格可持续性标准下，不同PtX路径的最低生产成本是多少？
• RQ3 风能与太阳能资源可用性、土地利用与环境约束如何影响全球PtX潜力的分布？
• RQ4 哪些国家可作为PtX燃料向欧洲出口的主要供应国，其相关运输与社会经济成本如何？
• RQ5 全球范围内，哪些地点在大规模绿色氢气与合成燃料生产方面最具成本竞争力？

主要发现

• 到2050年，欧洲以外地区的绿色氢气全球生产潜力可达120,000 TWh/yr，碳氢化合物潜力为87,000 TWh/yr。
• 共有97个国家具备显著的PtX潜力，其中38个国家的潜在年产量超过100 TWh。
• 美国、澳大利亚和阿根廷拥有最大的适合PtX生产的土地面积。
• 最低生产成本集中于拉丁美洲（智利、阿根廷、委内瑞拉）与毛里塔尼亚，绿色氢气成本为42.3–46.5 EUR/MWh，费托合成燃料成本为84–89.1 EUR/MWh。
• 所有表现最佳的站点均为纯风能或风能与光伏混合站点，凸显了混合可再生能源系统的重要性。
• 本研究识别出向欧洲进口PtX燃料的可行路径，运输与社会经济因素影响长期出口可行性。