Årliga matchningskrav för nya IRA-skatteavdrag kan kickstarta ekonomiskt konkurrenskraftig produktion av grönt väte

_{Författare av Melany Vargas, Kara McNutt och Chris Seiple}

Vätgas kan spela en avgörande roll i USA:s resa mot nettonoll som ett koldioxidsnålt bränsle för att stödja avkarboniseringen av sektorer som är svåra att elektrifiera energiefterfrågan. Inflationsreduktionslagens 45V produktionsskatteavdrag är tänkt att stimulera utbyggnaden av väte med låga koldioxidutsläpp, påskynda inlärningskurvan och göra det möjligt för kostnaderna att sjunka.

De högsta skatteavdragen för det lägsta kolväteet når upp till 3 USD/kg. Reglerna kring hur vätgas kolintensitet (CI) kommer att mätas, och den potentiella tillåten av mekanismer för att kompensera utsläpp, såsom Renewable Energy Credits (RECs), är fortfarande under utveckling. Dessa regler, som för närvarande definieras av finansdepartementet, kan få betydande konsekvenser för den ekonomiska konkurrenskraften för elektrolytiska eller gröna väteprojekt och CI och absoluta utsläpp från kraftnät.

Som ett resultat har väte CI temporal matchning blivit ett mycket hett ämne under de senaste månaderna i industrin och politiska kretsar. Debatten kretsar till stor del kring elektrolysörer som förlitar sig på elnät för hela eller delar av sitt energibehov. Vissa organisationer skulle vilja se gröna vätgasutvecklare bevisa att de förbrukar 100 % förnybar energi genom att matcha sin elektrolysators elförbrukning med förnybar energiproduktion på timbasis. Andra hävdar att dessa krav kommer att begränsa ekonomin och spridningen av gröna väteprojekt.

Med tanke på den breda uppsättningen av perspektiv på ämnet, gav Wood Mackenzie sig för att testa effekten av nätansluten produktion av grönt väte. Vi tittade på effekterna på CI av kraftnät och väteproduktion, såväl som elektrolysatorkapacitetsfaktorer under ett scenario som tillåter RECs kontra en timvis matchningspolicy där en elektrolysators belastning skulle matcha motsvarande profiler för generering av förnybar energi.

Vi utnyttjade vår egenutvecklade kraftmarknad och utjämnade vätgasmodeller (LCOH) för att analysera dessa effekter på två unika kraftmarknader, ERCOT South och WECC Arizona. På varje marknad utvärderade vi effekten av att lägga till 250 MW elektrolysatorkapacitet till nätet och antog att vätgasutbyggnad skedde med motsvarande förnyelsebar utbyggnad för att stödja belastningen av elektrolysatorn och genereringen av lokala REC. Denna analys jämfördes sedan med vår baserade timgenerering, prissättning och utsläppsdata för varje marknad.

Ekonomiska konsekvenser är tydliga

Vår analys fann att ett årligt matchningsscenario som tillåter REC som en kompensationsmekanism, kan resultera i nettonoll CI och ekonomiskt konkurrenskraftig produktion av grönt väte. Omvänt kan timmässig matchningskrav, beroende på deras implementering, resultera i ogynnsam ekonomi för införande av grönt väte, genom att begränsa drifttimmar till de när förnybara resurser är tillgängliga, vilket i slutändan minskar elektrolysatorns kapacitetsfaktor. Resultatet är att operatörerna måste fördela sina kostnader över en mindre volym väteproduktion, vilket kräver ett högre pris för att få tillbaka sitt kapital för varje sålt kilo väte.

Med en direkt matchning per timme av förnybara produktionskällor visar vår analys att en elektrolysatorkapacitetsfaktor som sträcker sig från 46-72% leder till LCOH-ökningar på 68%-175% jämfört med ett årligt matchningsscenario som tillåter operatörer att nå en kapacitetsfaktor på 100 %.

På WECC Arizona-marknaden är resultaten en LCOH (med en skattelättnad på 3 USD/kg tillämpad) som ökar från cirka 2 USD/kg 2025 och 1.50 USD/kg 2030, i ett årligt matchande scenario, till cirka 4–5 USD/kg i ett matchningsscenario per timme. Denna grad av kostnadsökning kan fördröja möjligheten att producera grönt väte till kostnadsparitet till lägre kostnad, blått eller grått väte, vilket i slutändan hindrar den ekonomiska konkurrenskraften och antagandet av både nätanslutet och 100 % förnybart grönt väte som ett koldioxidsnålt bränsle.

Omvänt visar modelleringen av ett årligt matchningsscenario att en elektrolysator som körs med en kapacitetsfaktor på 100 %, under en årlig matchningsregim som tillåter REC-förskjutningar, skulle kunna uppnå en ekonomi under 2 USD/kg 2025 och under 1.50 USD/kg 2030 i båda marknaderna. Denna ekonomi är i linje med blå väteparitet och stödjer DOE:s mål för grönt väte LCOH på $2/kg till 2025 och $1/kg till 2030.

CI Implikationer är mer komplexa

Även om ekonomin är mer gynnsam i det årliga matchningsscenariot, finns det en rad avvägningar om utsläpp och kolintensitet att överväga. I det årliga matchningsfallet förlitar sig elektrolysatorn på elnät för 19 – 35 % av elbehovet. Även om nätet under vissa timmar måste dra mer från termiska energikällor, ersätter den inkrementella förnybara produktionen också termisk energi under topptimmar för förnybara resurser, vilket resulterar i en minskning av nätets KI. År 2025 observeras minskningar av grid-CI med 0.2 och 0.5 % över ERCOT- respektive WECC-regionerna.

Det finns dock en avvägning mellan CI och absoluta utsläpp. Analysen visar att trots ett lägre CI finns det en marginell ökning av absoluta utsläpp på både ERCOT- och WECC-marknaderna på grund av den ökade efterfrågekällan och ökad användning av termiska enheter under låga timmar för förnybara resurser. När elnäten blir grönare blir dessutom fördelarna med inkrementella förnybara tillägg till CI mindre, och en ökning av belastningen driver en ännu större dragning av termiska enheter under timmar med låga förnybara resurser. Som ett resultat av detta fenomen är CI-fördelarna 2025 mindre 2030 och de absoluta utsläppen ökar marginellt på båda marknaderna.

På grund av dessa fynd undersökte vi känslighet för att testa ett par mekanismer för att mildra ökningar av absoluta nätutsläpp och/eller CI under ett årligt matchningsscenario. Analysen fann att en liten överbyggnad av förnybar energi, eller strategisk minskning av väteproduktionen under högsäsong, kan vara effektiva verktyg för att minimera dessa oavsiktliga utsläppseffekter under 2020-talet.

Dessutom kräver årlig matchning REC-offset för att driva en nettonoll CI för väteproduktion. I ERCOT South är CI, före offset, av det gröna vätet som produceras 4.3 kg CO₂/kgH₂ 2025 och 3.4 kg CO₂/kgH₂ 2030. I WECC Arizona är CI, före offset, 7.9 kgCO₂/kgH₂ 2025 och 4.7 kg CO₂/kgH₂ år 2030. I båda fallen är dessa kolintensiteter lägre än de uppskattade 10 kg CO₂/kgH₂ CI uppskattat för produktion av grå väte, vilket skulle kunna driva på betydande koldioxidutsläpp i målsektorerna för väteadoption; Men dessa kolintensiteter är också betydligt högre än noll-CI för en 100 % förnybar grön väteverksamhet.

En annan viktig faktor är att denna analys fokuserade på Texas och Arizona där potentialen för förnybara resurser är hög. Det krävs mer undersökning på dessa och andra marknader för att fullständigt bedöma de ekonomiska och utsläppsmässiga avvägningar som övervägs här. Det förväntas att resultaten kommer att variera avsevärt på regional basis och kan också variera när väteproduktionen skalar långt efter tillsatsen av en 250 MW elektrolysör i en region.

Hantera avvägningarna

Beslutsfattare och tillsynsmyndigheter är i den svåra positionen att navigera i avvägningen mellan koldioxidutsläpp och grön väteekonomi inom ramen för snabbt föränderliga kraftmarknader i USA. Denna tidiga analys visar att på ekonomisk grund kan årlig matchning vara den katalysator som industrin för grönt väte behöver för att stödja den tidiga introduktionen och tillväxten av den begynnande väteindustrin med låga koldioxidutsläpp. När det gäller att uppfylla klimatmålen kommer grönt väte att behöva användas tillsammans med andra lösningar, därför ju tidigare antagandet sker, desto snabbare kan fördelarna realiseras. Efter 2030, eftersom utbyggnaden av vind-, sol- och lagringstillgångar stödjer lägre koldioxidnät i hela USA, och kostnaderna för elektrolysörer sjunker, kan timmatchning bli en mer lämplig mekanism för att stödja 100 % förnybar produktion av grönt väte och avkolning av elnätet i tandem.