可再生能源制得的氢气的利用

关于低环境负荷型内燃机汽车用燃料的调查报告书

烃类燃料篇

2020年7月

一般财团法人能源综合工学研究所

本文为连载篇，

此次介绍目录中蓝色字体部分

目录

1. 序

1.1 目的

1.2 内容

1.2.1 利用定量分析的技术评估

1.2.2 用于改善CO₂排放量和经济性的研究

2. 利用定量分析的技术评估

2.1 定量分析方法和前提条件

2.1.1 定量分析流程

2.1.2 共同条件

2.1.3 经济性的定量分析方法

2.1.4 能源效率的定量分析方法

2.1.5 CO₂排放量的定量分析方法

2.2 供应链的概念设计

2.2.1 定量分析的分析情形

2.2.2 供应链的结构

2.2.3 供应链的规模

2.2.4 制氢（水蒸气重整）

2.2.5 制氢（水电解）

2.2.6 制氢（生物质热分解气化）

2.2.7 原料CO₂

2.2.8 合成气的制造

2.2.9 FT合成

2.2.10 装货基地

2.2.11 长距离海上运输

2.2.12 卸货基地

2.2.13 合成燃料罐车

2.2.14 加油站

2.3 定量分析结果

2.3.1 能量平衡的分析结果

2.3.2 CO₂排放量的分析结果

2.3.3 经济性的分析结果

2.3.4 与其他合成燃料的比较

2.4 用于改善CO₂排放量和经济性的研究

3. 总结

1、序

1.1 目的

2018年，本研究所受国立研究开发法人日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的委托，实施了“关于利用可再生能源制得的氢气的低环境负荷型内燃机汽车用燃料的调查”项目，在该项目中，对使用来自可再生能源的氢气和CO₂制取可作为内燃机汽车用燃料候补的含氧燃料——汽油车用碳酸二甲酯，柴油车用甲醛醚（OME）并构建供应链的经济性和CO₂排放量进行了分析。这些物质虽然还处在研究阶段，但是近年来在欧洲，特别是德国正在对其进行积极研究。由于这些含氧燃料可以减少发动机尾气中的煤含量，减轻尾气催化剂的负担，并有效减少尾气污染，因而备受关注；同时，基于未来发展前景的角度，选择了上述含氧合成燃料作为此次分析的对象。另一方面，通过FT合成制取烃类燃料，与OME等含氧化合物混合燃料相比，更具实用性。因此，从活用现有燃料基础设施以及利用设备观点来看，烃类燃料具有更好的发现前景。

本报告书作为对使用来自可再生能源的氢气和CO₂制取合成燃料并构建供应链进行评估的第二份报告书，对通过FT合成得到的烃类燃料的经济性和CO₂排放量进行评估，并对相关技术课题进行考察。

本调查由本研究所独立自主进行。

1.2 内容

1.2.1 利用定量分析的技术评估

关于合成燃料，对从原料到燃料制造、运输、配送到利用的供应链进行概念设计，并对①物质和能源平衡、②CO₂排放量、以及③经济性进行分析。此外，还进行了灵敏度分析，以明确对分析结果影响较大的因素。

用于制造氢气的一次能源以由可再生能源电力（风力）制得的氢气和生物质作为候选，同时使用天然气作为参考。

1.2.2 用于改善CO₂排放量和经济性的研究

根据定量分析的结果，对改善CO₂排放量和经济性的相关课题进行考察。

2、利用定量分析的技术评估

2.1 定量分析方法和前提条件

2.1.1 定量分析流程

分析流程图如图1所示。该流程参考2014~2015年的报告书《能源载体系统的经济性评估和特性分析》制作的合成燃料专用的版本，与之前报告中的流程图相同。

首先，对利用CO₂和氢气等进行合成燃料的制造、运输、储存和利用等整个供应链进行概念设计。假定从预定供应地点到需求地点能源/物质的流动，以确定作为分析对象的供应链。接下来，确定假定的年份、分析范围、年供应量、设备利用率、运输距离等供应链的共同条件以及分析对象特有的条件。

从这些条件出发，对被分析供应链的物质和能量平衡进行分析，以确定年度燃料制造所需的设备容量和系列数量，以及需要投入的燃料和电量，从而计算出能效和CO₂排放量。此外，使用根据设备容量和系列数量计算出的投资成本和设备的固定成本、以及燃料和电费等可变成本等，基于平均成本法对经济性（例如，每单位燃料的供给成本（单位：日元/L））进行评估。

图1 分析流程图

2.1.2 共同条件

假定的评估年份为2030年。根据文献等，2030年的技术发展可参考时，则使用2030年的值；无法获得时，则使用2015年的值或类似技术的估测值。

评估范围是从氢气制造、合成燃料制造、海上运输、罐车运输、加油站一直到供应至车辆在内的WtT（Well to Tank，油井到油箱）。

关于供应链，考虑使用与第一份报告书中的制氢规模相当、且从日本国外进口的大规模供应链。大规模供应链下，运输距离为海上运输10,000km，陆上运输50km，运输量约为24万kL/年。

分析所需的前提条件（设施的物料平衡、效率、成本信息等）从学术文献和其他材料中收集。由于缺乏大型逆变换反应设施等商用设施而无法获得信息时，从类似设施和工艺等中推测出效率等。在建设成本和基本单位的设定方面，针对单系列设施的产能，考虑到随着技术的发展，单系列设施的大型化以及运输和建设等方面的限制，决定使用文献和调查的结果来确定单系列设施的最大产能。原则上设备利用率为90％，而利用可再生能源电力的水电解装置与可再生能源电力的设施利用率相一致。除注明的部分以外，热量基于LVH计算。

2.1.3 经济性的定量分析方法

在分析经济性时，使用以下等式所示的平均成本法。

如图2所示，该方法是将项目期间的总成本除以项目期间的燃料供应总量获得的单位燃料的成本。考虑到现金流的时间价值，使用折扣率将成本和燃料供应量换算成当前价值。此方法是国际能源署¹和日本政府的发电成本验证工作组WG²使用的成本分析的标准方法之一。

式中：

LCOF：平均燃料成本（Levelized Cost of Fuel）

I_n,t：设备n在t期的设备相关成本

M_n,t：设备n在t期的运行相关成本

E_t：t期产品燃料量

r：折扣率

t：项目期（以1年为单位）

注：

1：IEA, Projected Costs of Generating Electricity 2015,https：//www.oecd-nea.org/ndd/pubs/2015/7057-proj-costs-electricity-2015.pdf

2：发电成本验证工作组，

https：//www.enecho.meti.go.jp/committee/council/basic_policy_subcommittee/#cost_wg

图2 平均成本的概念图

折扣率通常是资本成本（WACC），其条件与NEDO《能源经济性评估报告书》中的条件相同，在此定量分析中设置为5％。根据该报告书中的调查，再得到妥善维护情况下设施的使用寿命为30~40年，但此定量分析中均设置为30年，此外，水电解系统设置为20年³。

供应链中各设备的投资额根据调查和文献中的值确定。如有必要，可使用定标规则、装置成本指数和位置系数进行校正。

与运行相关的成本包括原燃料成本、电费、固定资产税、人工成本、维修成本、一般管理成本等。表1示出了固定资产税、人工成本、维修成本、一般管理成本等，表2示出了原燃料成本、电费、汇率等。

另外，经济性分析中不包括土地购置/租借费用（假设基本建设成本包括在建设成本中）、公司税、营业税、与土地所有权有关的税等。

注：

3：Cost assessment of hydrogen production from PV and electrolysis, CSIRO, 2016

4：根据IAE计算的类似设施案例进行类推而得

2.1.4 能源效率的定量分析方法

通过概念设计得到的供应链由氢气制造、合成燃料生产和运输等子系统组成。子系统的物质和能量平衡根据子系统的输入和输出、转换效率、以及损耗计算而得。整合子系统的物质和能量平衡，从而获得供应链整体的物质和能量平衡。在获得详细数据的情况下，将子系统分解为更详细的单元以进行计算。

如图3所示，可以将输入作为分析对象的范围内的原料和燃料等作为分母，而将从作为分析对象的范围内输出的燃料作为分子来计算能量效率。通过更改范围，还可以获取从油井到油箱(WtT，Well to tank)、从油井到车轮（WtW，Well to Wheel）的能效值。

图3 能源效率分析概念图

2.1.5 CO₂排放量的定量分析方法

在本定量分析中，与第一份报告书一样，将作为原料的天然气、作为燃料的公用物（C重油、天然气、城市燃气、系统电力、可再生能源电力）以及从原料CO₂中排放的CO₂作为分析对象。

将各步骤中使用的公用物（C重油、天然气、城市燃气、系统电力、可再生能源电力）的量乘以表3所示的CO₂排放单位量，计算出作为原料的天然气和作为燃料的公用物的CO₂排放量。

表3 CO₂排放单位消耗量

关于作为原料使用的CO₂，当其为从使用过一次的尾气中回收的CO₂，或为进口的含有重复利用后的CO₂的产品时，有必要明确CO₂排放量的计入方法。假定将该定量分析中使用的燃料用于汽车，那么燃烧后的CO₂无法回收，当车辆行驶时，用于燃料合成的原料CO₂燃烧并排放到大气中。因此，本分析中根据原料CO₂的来源，基于表4的概念，初步计算出了CO₂排放量。当使用来自生物质的CO₂作为原料时，将此CO₂视为碳中性，不计入CO₂排放量。此外，当来自生物质的CO₂剩余并被储存时，储存的CO₂被记录为负值；而不进行储存直接释放到大气中时视为碳中性，不计入CO₂排放量。使用从大气中回收的CO₂（直接空气捕获技术，Direct Air Capture）作为原料也被视为碳中性，不计入CO₂排放量中。当使用来自化石燃料的CO₂时，如果是来自配备有CO₂回收设施的燃煤电厂的被使用过一次的CO₂，则根据使用率进行分摊，计为CO₂排放量的50％。当直接从来自天然气原料的CO₂等化石燃料中制造和利用合成燃料时，由于化石燃料中所含的CO₂释放到大气中，因此计为CO₂排放量的100％。

图4 碳中性合成燃料的CO₂来源

未完待续！

可再生能源制得的氢气的利用——关于低环境负荷型内燃机汽车用燃料的调查报告书（一）