Undersökning av hur nätansluten vätgasproduktion påverkar koldioxidutsläppen

Modellering av utsläpp och kostnadseffekter av additionalitet. Metoder för att utvärdera kostnads- och utsläppseffekterna av elektrolytisk H2-produktion baserat på de två alternativa definitionerna av additionalitet. a, Definitionen "konkurrens" (lila prickad ruta) speglar Ricks et al. och tillåter konkurrens mellan investeringar i resurser som kontrakterats för H2-produktion och andra investeringar i nätresurser. b, Definitionen "icke konkurrens" av additionalitet (gul prickad ruta) följer Zeyen et al. där kontrakterade H2-resurser optimeras efter investeringar i icke-H2-relaterade nätresurser. Här avser kontrakterade H2-resurser batterilagring, vind- och solkraft, elektrolysörer och H2-lagringsresurser för att möta H2-efterfrågan och uppfylla det angivna kravet på tidsmatchning. Observera att baslinjenätet i båda additionalitetsramarna är detsamma, medan det optimerade nätet med H2-resurser är annorlunda (vilket indikeras av de olika färgerna på cirklarna). Kredit: Giovanniello et al (Nature Energy, 2024).
Modellering av utsläpp och kostnadseffekter av additionalitet. Metoder för att utvärdera kostnads- och utsläppseffekterna av elektrolytisk H2-produktion baserat på de två alternativa definitionerna av additionalitet. a, Definitionen "konkurrens" (lila prickad ruta) speglar Ricks et al. och tillåter konkurrens mellan investeringar i resurser som kontrakterats för H2-produktion och andra investeringar i nätresurser. b, Definitionen "icke konkurrens" av additionalitet (gul prickad ruta) följer Zeyen et al. där kontrakterade H2-resurser optimeras efter investeringar i icke-H2-relaterade nätresurser. Här avser kontrakterade H2-resurser batterilagring, vind- och solkraft, elektrolysörer och H2-lagringsresurser för att möta H2-efterfrågan och uppfylla det angivna kravet på tidsmatchning. Observera att baslinjenätet i båda additionalitetsramarna är detsamma, medan det optimerade nätet med H2-resurser är annorlunda (vilket indikeras av de olika färgerna på cirklarna). Kredit: Giovanniello et al (Nature Energy, 2024).

Länder över hela världen har infört nya politiska åtgärder för att mildra klimatförändringarna och minska koldioxidutsläppen. Många av dessa åtgärder fokuserar på att införa mer hållbara system för elförsörjning i stor skala och på att införa ny teknik som drivs av elkraft, t.ex. elfordon och elektrolysörer (dvs. eldrivna enheter som kan dela upp vatten i väte- och syreatomer).

Användningen av elektrolysörer har nyligen fått särskild uppmärksamhet som ett sätt att producera och lagra vätgas (H2), vilket är av avgörande betydelse för olika tillämpningar, allt från syntes av ammoniak för gödselmedel till tillverkning av bränsleceller för att driva stora fordon eller tåg.

Elektrolysörer kan drivas med förnybara energikällor, men om de drivs av nuvarande elnät kan de potentiellt leda till ännu högre koldioxidutsläpp än konventionella metoder för att producera H2.

Det är därför av yttersta vikt att utvärdera hur nätanslutna elektrolysörer påverkar arbetet med att minska koldioxidutsläppen, särskilt i USA där ett utsläppsindexerat skatteavdrag (PTC) för H2-producenter har införts. Detta ekonomiska incitament ger projekt med låga växthusgasutsläpp under hela livscykeln en skattelättnad på upp till 3 USD per kilogram producerad vätgas.

Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) undersökte hur olika tolkningar av kontrakterade variabla förnybara energikällor (VRE) (dvs. energikällor som är beroende av förändrade väderförhållanden, såsom sol- och vindenergi) och energisystem kan påverka kostnaderna för och utsläppen från elektrolytisk vätgasproduktion.

Deras artikel, som publicerades i Nature Energy, visar att olika antaganden om de VRE som används för att driva nätanslutna elektrolysörer kan påverka uppskattningarna av de resulterande koldioxidutsläppen avsevärt.

”Litteraturen ger motstridig vägledning om det lämpliga kravet på tidsmatchning mellan elförbrukning av elektrolysörer och kontrakterad variabel förnybar energi (VRE) för att kvalificera vätgas (H2) som ’låg kolhalt'”, skrev Michael A. Giovanniello, Anna N. Cybulsky och deras kollegor skrev i sin artikel. ”Vi visar att dessa resultat i hög grad påverkas av olika tolkningar av additionalitet.”

Resursförändringar i kraftsektorn på grund av H2-produktion. Kredit: Giovanniello et al (Nature Energy, 2024).
Resursförändringar i kraftsektorn på grund av H2-produktion. Kredit: Giovanniello et al (Nature Energy, 2024).

Giovanniello, Cybulsky och deras kollegor genomförde sina analyser med hjälp av en energisystemmodell som heter DOLPHYN. Med hjälp av denna modell kunde de uppskatta utsläppen och kostnaderna för nätanslutna elektrolysörer under olika hypotetiska scenarier eller förhållanden.

Forskarna undersökte särskilt skillnaderna mellan scenarier där VRE-resurser som bidrar till att uppfylla elbehovet utöver produktionen av vätgas konkurrerar eller inte konkurrerar med VRE som kontrakterats för H2-produktion. Dessutom fokuserade de på olika scenarier där VRE-kraven var antingen timvisa eller årliga.

Resultaten av teamets analyser tyder på att dessa olika tolkningar resulterar i olika uppskattningar av koldioxidutsläpp. Därför bör metoder för att definiera kraven på tidsmatchning för att fastställa PTC-berättigande och bedöma den faktiska effekten av nätanslutna elektrolysörer på utsläppen ta hänsyn till dessa påverkande faktorer.

”Betydligt lägre följdutsläpp kan uppnås med årlig tidsmatchning när man antar att VRE för icke-H2-elbehov inte konkurrerar med VRE som kontrakterats för H2, till skillnad från när man antar att alla VRE-resurser är i direkt konkurrens”, förklarar forskarna i sitt dokument.

”Ytterligare analys av fyra energisystemrelevanta policyer tyder på att den senare tolkningen av additionalitet sannolikt kommer att överskatta utsläppseffekterna av årlig matchning och underskatta dem av timvis matchning.”

Resultaten av de analyser som genomförts av detta forskarlag kan potentiellt bidra till beslutsfattandet, särskilt när det gäller utformningen av behörighetskraven för att få PTC-skattekrediter. Dessutom kan denna studie bana väg för ytterligare arbeten som syftar till att modellera de ekonomiska och miljömässiga effekterna av H2-produktionsprojekt som involverar elektrolysörer.

”Vi argumenterar för att börja med årlig tidsmatchning på kort sikt för tilldelning av skattelättnader för H2-produktion i USA, där villkoren liknar ramverket för ”icke-konkurrens”, följt av infasning och efterföljande utfasning av krav på tidsmatchning per timme eftersom nätet är djupt koldioxidfritt”, skrev forskarna.

Ytterligare information: Michael A. Giovanniello et al, The influence of additionality and time-matching requirements on the emissions from grid-connected hydrogen production, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-023-01435-0

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.