[论文解读] 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 Rocha+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Graphite, nuclear technology, radiation studiesMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出一种技术经济模型，比较绿色氢气与铁作为长距离贸易的零碳能源载体的性能，评估其电力的平准化成本（LCOE）、效率和排放。在长距离运输和储存方面，铁更具成本效益和效率；而在短途路线和转换方面，氢气更具可行性。在可再生电力价格较低且实施碳定价的条件下，绿色铁有望成为全球清洁能源市场的有力竞争者。

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.

研究动机与目标

• 评估绿色氢气与铁作为长距离能源贸易零碳能源载体的技术经济可行性。
• 识别从生产到发电全供应链中的关键成本驱动因素与效率权衡。
• 评估可再生电力价格与碳税对这些能源载体竞争力的影响。
• 根据距离、储存时长与基础设施约束，确定不同贸易路线的最优能源载体。

提出的方法

• 开发了全面的技术经济模型，以量化氢气与铁在整个供应链中电力的平准化成本（LCOE）、热力学效率与CO2排放。
• 模型涵盖关键流程：绿色氢气与铁的生产、通过专用船舶的长距离运输、储存，以及在发电厂的最终电力生成。
• 对于氢气，分析涵盖电解、液化及在低温或高压容器中的运输；对于铁，涵盖使用绿色氢气还原以及在发电厂中的燃烧。
• 模型整合了敏感性分析与不确定性分析，以识别影响成本与性能的关键变量。
• 船舶资本成本采用改进版的Mulligan船舶成本模型估算，并针对氢气专用船舶进行了调整。
• CO2排放基于电力与燃料的排放强度计算，绿色氢气与铁的直接排放为零。

实验结果

研究问题

• RQ1 在长距离能源贸易中，绿色氢气与铁哪个能提供更低的电力平准化成本（LCOE）？
• RQ2 氢气与铁的供应链在热力学效率与能量损失方面如何比较？
• RQ3 可再生电力价格与碳税在使绿色能源载体与传统燃料具有竞争力方面发挥何种作用？
• RQ4 运输距离与储存时长如何影响氢气与铁在经济性与能量效率方面的表现？
• RQ5 每种能源载体供应链中的关键成本驱动因素是什么？结果对关键参数不确定性的敏感性如何？

主要发现

• 对于超过5,000公里的长距离贸易路线，铁的LCOE更低，且运输效率高于氢气。
• 由于生产与转换成本较低，氢气在短途路线与短期储存方面更具成本效益与效率。
• 在长期储存与跨洲际运输方面，尽管生产成本更高，铁仍比氢气更具经济性与热力学效率。
• 当可再生电力价格低于30 USD/MWh时，绿色铁与传统燃料具有竞争力，尤其在碳定价条件下。
• 敏感性分析表明，生产效率与资本成本是两种能源载体的主要成本驱动因素，这些参数的不确定性显著影响LCOE。
• 盈亏平衡分析确认，碳税是实现公平竞争的必要条件，因为绿色能源载体仅在可再生电力价格较低且碳定价较高的情况下才能与传统燃料竞争。