[论文解读] Minimum-regret hydrogen supply chain strategies to foster the energy transition of European hard-to-abate industries

Alissa Ganter, Paolo Gabrielli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2024

Hybrid Renewable Energy SystemsEnergy被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种最小遗憾优化模型，旨在应对氢气需求（240万至3500万吨/年）和生物质可用性方面的不确定性，为欧洲难以减排的工业部门设计成本效益高、具有韧性的低碳氢供应链（HSCs）。研究发现，到2030年投资大规模SMR-CCS和电解槽产能（约960万吨/年）对于保持灵活性至关重要；而只有在原料供应有保障的情况下，生物质制氢才最具成本效益。

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.

研究动机与目标

• 解决在氢气需求和生物质可用性存在深度不确定性的情况下，为欧洲难以减排工业设计具有韧性和成本优化的氢供应链（HSCs）的挑战。
• 研究需求和原料可用性不确定性对低碳HSCs最优设计的影响，包括二氧化碳捕集、运输和储存（CCS）基础设施。
• 在不同技术和经济假设下，评估不同低碳氢生产路径（如带CCS的天然气蒸汽重整SMR-CCS、电解、生物甲烷重整和生物质气化）的作用。
• 评估早期投资二氧化碳运输和储存基础设施的战略重要性，以实现2050年净零排放目标。
• 提供一种最小遗憾规划策略，平衡成本效率与未来需求和资源情景变化的长期适应能力。

提出的方法

• 构建一个涵盖2022至2050年的多时段、多区域线性优化模型，以确定成本最优的HSC设计，包括氢气和生物质运输，以及二氧化碳捕集、运输和储存（CCS）基础设施。
• 采用基于情景的不确定性量化方法，对氢气需求（低、中、高）和生物质可用性（低、中、高）设定离散情景，实现不确定性下的稳健决策。
• 采用最小遗憾策略，识别在所有情景下最差成本偏差最小的投资决策，确保长期适应能力。
• 纳入氢气生产技术（SMR-CCS、电解、生物甲烷重整、生物质气化）的详细技术经济参数，包括资本成本、使用寿命和效率假设。
• 将二氧化碳基础设施视为关键组成部分，分别建模捕集、运输（卡车和管道）和储存容量，反映现实世界中的约束和成本。
• 对关键参数进行敏感性分析——如电解槽成本、二氧化碳运输成本以及脱碳目标（例如2050年90% vs. 净零）——以评估模型的稳健性及政策影响。

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.

实验结果

研究问题

• RQ1 在多种不确定性情景下，满足未来需求所需的低碳氢生产能力和组合的最优规模与构成是什么？
• RQ2 生物质可用性不确定性如何影响成本最优的HSC设计？在何种条件下生物质制氢具有经济可行性？
• RQ3 与生物质路径相比，SMR-CCS和电解槽投资在多大程度上提供了更大的战略灵活性？
• RQ4 为实现2050年净零排放目标，早期投资二氧化碳运输和储存基础设施有多关键？
• RQ5 关键成本假设的变化（如电解槽资本成本或二氧化碳运输成本）如何影响最优HSC配置和投资时序？

主要发现

• 到2030年投资至少960万吨/年的低碳氢生产产能是确保在所有未来需求情景下（包括2050年最高达3500万吨/年）灵活性和成本效益的关键。
• 生物质制氢是成本效益最高的路径，但前提是生物质原料供应有保障；否则，SMR-CCS和电解槽因更高的灵活性而更具优势。
• 在二氧化碳运输成本假设乐观（如资本成本为零）的情景下，SMR-CCS产能最高可增加26%，而生物质制氢产能最高可减少16%，凸显了二氧化碳基础设施的战略重要性。
• 为实现2050年净零目标，所有情景下均需建设二氧化碳捕集与封存（CCS）基础设施；当目标放宽至90%脱碳时，CCS平均容量减少24%。
• 即使在电解槽成本乐观假设下（资本成本降低且使用寿命延长），电解制氢在HSC中的占比也仅增加不到8%，表明仅靠成本下降无法显著改变技术组合。
• 最小遗憾策略识别出一条稳健的投资路径，平衡了成本与适应能力，确保无论未来需求或资源可用性发生何种冲击，HSC都能实现气候目标。

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.