Costs of Hydrogen : Through history and currently from different technologies and energy sources

Abstract

Wasserstoff hat in den letzten Jahrzehnten als Energieträger große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, während die globale Erwärmung und die Luftverschmutzung an Bedeutung gewonnen haben. Es ist attraktiv aufgrund seines Überflusses, seines Energiegehalts und fehlender Emissionen bei der Verbrennung, sowie seiner Herstellung unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen, was zu emissionsfreien Energiepfaden führt. Wasserstoffproduktionskosten, Produktionskapazitäten und produzierte Mengen für ausgewählte Regionen Europas, Japans, der USA und der Welt sind Gegenstand dieser Arbeit. Es werden drei bekannteste und ausgereifteste Produktionstechnologien beobachtet, d. h. Dampfmethanreformierung von Erdgas, die Kohlevergasung und Wasserelektrolyse. Literaturrecherche und Aufstellung eines strukturierten Datenmodells in Kombination mit Parameterschätzung und Kostenberechnung mittels der Levelized Costs of Hydrogen-Methode bieten die erforderlichen Instrumente zur Analyse, Erzeugung und Vergleich wesentlicher Daten der Wasserstoffproduktion. Weltweite Wasserstoffproduktionskapazität im Jahr 2019 wird auf 5,50 TWh/Tag bzw. 229,17 GW(H2) geschätzt, was zu einer produzierten Menge von etwas mehr als 2000 TWh/a führt. Jüngste Daten zeigen produzierte Mengen von etwa 40 TWh/a in Japan und Europa (2016 bzw. 2017) und 90 TWh/a in den USA (2019). Dampfmethanreformierung von Erdgas weist durchschnittliche globale Wasserstoffproduktionskosten von 0,07 EUR/kWh auf, die Kohlevergasung übersteigt 0,10EUR/kWh nicht und die Wasserelektrolyse erreicht bis zu 0,35 EUR/kWh im Durchschnitt weltweit.Europäische Photovoltaik-basierte Elektrolyse kostet bis zu 2 EUR/kWh. Im Dezember 2019 wies Wasserstoffkraftstoff einen Handelspreis von etwa 0,42 EUR/kWh auf, was ihn dreimal teurer als Diesel machte. Kostengünstigste Produktionsprozesse sind zentralisiert, und basieren auf fossilen Brennstoffen und Kernenergie (Großteil der Produktionskapazitäten), die teuersten (geringste Kapazitäten) werden mit erneuerbaren Energien betrieben. Die Kosten der Wasserstoffproduktion hängen stark von den Primärenergiekosten ab. Elektrolyse ist die teuerste Herstellungstechnologie. Dampfreformierung und Kohlevergasung sind am kostengünstigsten. Ihre Produktionskosten scheinen sich mit der Zeit nicht weiter zu verringern. Die generierten / geschätzten Produktionskosten für Japan für die nächsten 20 Jahre zeigen einen leichten Kostenanstieg. Weitere Anstrengungen und Verbesserungen der Effizienz der Wasserstoffherstellung und -Umwandlung sind noch erforderlich, damit er die angestrebte Rolle als Energieträger übernehmen kann.

Hydrogen has drawn significant attention as an energy carrier over the past decades, with global warming and air pollution rising to prominence. It is attractive due to its abundance, energy content and emissions absence in combustion, as well as when produced by using renewable energy sources, resulting in zero-emission energy pathways. Hydrogen production costs, production capacities and produced quantities for selected regions of Europe, Japan, USA and the world are subjects of this work. Three most prominent and mature production technologies, i.e. steam methane reforming of natural gas, coal gasification and water electrolysis are observed. Extensive literature review and implementation of a structured data model, combined with parameter estimation and costs calculation by employing the Levelized Costs of Hydrogen method provide necessary instrumentation to analyze, generate and compare essential hydrogen production data. World wide hydrogen production capacity in 2019 is estimated at 5.50 TWh/day or 229.17 GW(H2) resulting in a produced quantity of just over 2000 TWh/a. Most recent records reveal produced quantities of about 40 TWh/a in Japan and Europe (in 2016 and 2017, respectively) and 90 TWh/a in the USA (2019). Steam methane reforming of natural gas averages global hydrogen production costs of 0.07 EUR/kWh, coal gasification does not surpass 0.10 EUR/kWh, and water electrolysis reaches up to 0.35 EUR/kWh on average world wide, with the European photovoltaics-based production by electrolysis yielding as high as 2 EUR/kWh. In December 2019, hydrogen fuel exhibited a retail price of around 0.42 EUR/kWh, making it three times more expensive than Diesel. Lowest-cost hydrogen production processes are centralized, fossil fuels and nuclear energy-based (majority of production capacities), most expensive ones (least capacity) are distributed powered by renewables. Costs of hydrogen production strongly dependent on primary energy costs. Electrolysis is the most expensive production technology. Steam methane reforming and coal gasification are lowest-cost but their production costs do not seem to be reducing over the observed time period. Generated/estimated hydrogen production cost data for Japan for the next 20 years reveal a slight production cost increase. Further efforts and hydrogen production and conversion technology efficiency improvements are still needed to make hydrogen assume the desired role as an energy carrier.