Roczne dopasowanie wymagań dla nowych ulg podatkowych IRA może rozpocząć konkurencyjną ekonomicznie produkcję zielonego wodoru

_{Autorzy: Melany Vargas, Kara McNutt i Chris Seiple}

Wodór może odegrać kluczową rolę w dążeniu Stanów Zjednoczonych do zerowej emisji netto jako niskoemisyjne paliwo wspierające dekarbonizację trudnych do zelektryfikowania sektorów zapotrzebowania na energię. Ulga podatkowa na produkcję 45 V w ustawie o redukcji inflacji ma zachęcać do wdrażania niskoemisyjnego wodoru, przyspieszając krzywą uczenia się i umożliwiając spadek kosztów.

Najwyższe ulgi podatkowe za wodór o najniższej emisji dwutlenku węgla sięgają nawet 3 USD/kg. Jednak zasady dotyczące sposobu pomiaru intensywności emisji dwutlenku węgla (CI) wodoru oraz potencjalnego zezwolenia na mechanizmy kompensacji emisji, takie jak kredyty na energię odnawialną (REC), są nadal w fazie opracowywania. Zasady te, które są obecnie opracowywane przez Departament Skarbu, mogą mieć istotne implikacje dla konkurencyjności ekonomicznej projektów elektrolitycznych lub ekologicznych projektów wodorowych oraz CI i bezwzględnych emisji z sieci elektroenergetycznych.

W rezultacie dopasowanie czasowe wodoru CI stało się w ostatnich miesiącach bardzo gorącym tematem w kręgach branżowych i politycznych. Debata w dużej mierze koncentruje się wokół elektrolizerów, które w całości lub w części pokrywają swoje potrzeby energetyczne z energii elektrycznej z sieci. Niektóre organizacje chciałyby, aby twórcy zielonego wodoru udowodnili, że zużywają w 100% energię odnawialną, dopasowując co godzinę zużycie energii elektrycznej przez elektrolizer do wytwarzania energii odnawialnej. Inni twierdzą, że te wymagania ograniczą ekonomię i wdrażanie projektów zielonego wodoru.

Biorąc pod uwagę szeroki zestaw perspektyw na ten temat, Wood Mackenzie postanowił przetestować wpływ produkcji ekologicznego wodoru podłączonej do sieci. Przyjrzeliśmy się wpływowi na CI sieci energetycznych i produkcji wodoru, a także współczynnikom wydajności elektrolizera w scenariuszu dopuszczającym REC w porównaniu z polityką dopasowania godzinowego, w której obciążenie elektrolizera odpowiadałoby odpowiednim profilom wytwarzania energii odnawialnej.

Wykorzystaliśmy nasz własny rynek energii i modele ujednoliconego kosztu wodoru (LCOH), aby przeanalizować te wpływy na dwóch wyjątkowych rynkach energii, ERCOT South i WECC Arizona. Na każdym rynku oceniliśmy wpływ dodania do sieci elektrolizerów o mocy 250 MW i założyliśmy, że wdrożenie wodoru nastąpi przy współmiernej rozbudowie energii odnawialnej w celu wsparcia obciążenia elektrolizera i generowania lokalnych REC. Analiza ta została następnie porównana z naszymi godzinowymi danymi dotyczącymi wytwarzania, cen i emisji dla każdego rynku.

Implikacje ekonomiczne są jasne

Nasza analiza wykazała, że ​​roczny scenariusz dopasowywania, który dopuszcza REC jako mechanizm kompensacyjny, może skutkować zerowym CI netto i konkurencyjną ekonomicznie produkcją zielonego wodoru. I odwrotnie, wymagania dotyczące dopasowania godzinowego, w zależności od ich wdrożenia, mogą skutkować niekorzystną ekonomią dla przyjęcia ekologicznego wodoru, ograniczając godziny pracy do tych, w których dostępne są zasoby odnawialne, ostatecznie zmniejszając współczynnik wydajności elektrolizera. W rezultacie operatorzy muszą rozkładać swoje koszty na mniejszą wielkość produkcji wodoru, wymagając wyższej ceny, aby odzyskać swój kapitał za każdy sprzedany kilogram wodoru.

Przy bezpośrednim dopasowaniu godzinowym odnawialnych źródeł wytwarzania, nasza analiza pokazuje, że współczynnik wydajności elektrolizera w zakresie od 46-72% prowadzi do wzrostu LCOH o 68%-175% w stosunku do rocznego scenariusza dopasowania, który pozwala operatorom osiągnąć współczynnik wydajności równy 100 %.

Na rynku WECC w Arizonie wyniki są takie, że LCOH (z zastosowaną ulgą podatkową w wysokości 3 USD/kg) wzrasta z około 2 USD/kg w 2025 r. scenariusz dopasowywania godzin. Ten stopień wzrostu kosztów może opóźnić zdolność do produkcji ekologicznego wodoru po równorzędnych kosztach z tańszym, niebieskim lub szarym wodorem, ostatecznie utrudniając konkurencyjność gospodarczą i przyjęcie zarówno podłączonego do sieci, jak i w 1.50% odnawialnego zielonego wodoru jako paliwa niskoemisyjnego.

I odwrotnie, modelowanie rocznego scenariusza dopasowywania pokazuje, że elektrolizer działający ze współczynnikiem wydajności 100%, w ramach rocznego systemu dopasowywania, który pozwala na przesunięcia REC, mógłby osiągnąć ekonomię poniżej 2 USD/kg do 2025 r. i poniżej 1.50 USD/kg w 2030 r. oba rynki. Ten zakres ekonomii jest zgodny z parytetem niebieskiego wodoru i wspiera cele DOE dotyczące zielonego wodoru LCOH na poziomie 2 USD/kg do 2025 r. i 1 USD/kg do 2030 r.

Implikacje CI są bardziej złożone

Podczas gdy ekonomia jest bardziej korzystna w rocznym scenariuszu dopasowywania, istnieje szereg kompromisów w zakresie emisji i intensywności emisji dwutlenku węgla, które należy wziąć pod uwagę. W przypadku dopasowania rocznego elektrolizer jest uzależniony od energii elektrycznej z sieci w przypadku 19 – 35% zapotrzebowania na energię elektryczną. Chociaż w pewnych godzinach sieć musi pobierać więcej ze źródeł energii cieplnej, przyrostowe wytwarzanie energii odnawialnej wypiera również energię cieplną w godzinach szczytu zasobów odnawialnych, co powoduje spadek CI sieci. W 2025 r. w regionach ERCOT i WECC obserwuje się odpowiednio redukcje CI sieci o 0.2 i 0.5%.

Istnieje jednak kompromis między emisjami CI a emisjami bezwzględnymi. Analiza pokazuje, że pomimo niższego CI, istnieje marginalny wzrost emisji bezwzględnych zarówno na rynkach ERCOT, jak i WECC ze względu na dodatkowe źródło zapotrzebowania i zwiększone rozmieszczenie jednostek cieplnych w godzinach o niskim zasobie odnawialnym. Dodatkowo, w miarę jak sieci energetyczne stają się bardziej ekologiczne, korzyści płynące ze stopniowego dodawania OZE do CI stają się mniejsze, a wzrost obciążenia powoduje jeszcze większe obciążenie jednostek cieplnych w godzinach o niskim zużyciu zasobów odnawialnych. W wyniku tego zjawiska korzyści IK obserwowane w 2025 r. są mniejsze w 2030 r., a emisje bezwzględne rosną nieznacznie na obu rynkach.

Z powodu tych ustaleń zbadaliśmy wrażliwość, aby przetestować kilka mechanizmów łagodzących wzrost bezwzględnych emisji z sieci i / lub CI w ramach rocznego scenariusza dopasowywania. Analiza wykazała, że ​​niewielka rozbudowa źródeł odnawialnych lub strategiczne ograniczenie produkcji wodoru w szczytowych godzinach termicznych może być skutecznym narzędziem do zminimalizowania tych niezamierzonych skutków emisji w latach 2020. XX wieku.

Co więcej, roczne dopasowanie wymaga przesunięć REC, aby uzyskać zerowy CI netto w produkcji wodoru. W ERCOT South CI, przed kompensacją, wyprodukowanego zielonego wodoru wynosi 4.3 kg CO₂/kgH₂ w 2025 r. i 3.4 kg CO₂/kgH₂ w 2030 r. W WECC w Arizonie CI przed kompensacją wynosi 7.9 kgCO₂/kgH₂ w 2025 r. i 4.7 kg CO₂/kgH₂ w 2030 r. W obu przypadkach intensywność emisji dwutlenku węgla jest niższa niż szacowane 10 kg CO₂/kgH₂ CI oszacowany dla produkcji szarego wodoru, co może doprowadzić do znacznej dekarbonizacji w sektorach docelowych dla przyjęcia wodoru; jednak te intensywności emisji dwutlenku węgla są również znacznie wyższe niż zerowy CI w przypadku operacji w 100% odnawialnego zielonego wodoru.

Inną kluczową kwestią jest to, że ta analiza koncentrowała się na Teksasie i Arizonie, gdzie potencjał zasobów odnawialnych jest wysoki. Na tych i innych rynkach wymagane są dalsze badania, aby w pełni ocenić rozważane tutaj kompromisy ekonomiczne i dotyczące emisji. Oczekuje się, że wyniki będą się znacznie różnić w zależności od regionu, a także mogą się różnić, ponieważ skala produkcji wodoru znacznie wykracza poza dodanie elektrolizera o mocy 250 MW w regionie.

Zarządzanie kompromisami

Decydenci polityczni i organy regulacyjne są w trudnej sytuacji, aby znaleźć kompromis między emisjami dwutlenku węgla a gospodarką ekologicznego wodoru w kontekście szybko zmieniających się rynków energii w USA. Ta wczesna analiza pokazuje, że z ekonomicznego punktu widzenia coroczne dopasowanie może być katalizatorem, którego potrzebuje przemysł ekologicznego wodoru, aby wspierać wczesne przyjęcie i rozwój rodzącego się niskoemisyjnego przemysłu wodorowego. Jeśli chodzi o osiągnięcie celów klimatycznych, zielony wodór będzie musiał zostać wdrożony wraz z innymi rozwiązaniami, dlatego im szybciej nastąpi przyjęcie, tym szybciej można będzie uzyskać korzyści. Po 2030 r., gdy rozbudowa elektrowni wiatrowych, słonecznych i magazynowych będzie wspierać sieci o niższym poziomie emisji dwutlenku węgla w całych Stanach Zjednoczonych, a koszty elektrolizerów spadną, dopasowanie godzinowe może stać się bardziej odpowiednim mechanizmem wspierającym produkcję w 100% odnawialnego zielonego wodoru i dekarbonizację sieci energetycznej w tandem.