Techno-Economic Assessment of Large-Scale Green Hydrogen-Based Fuel Production in Iceland

Abstract

This thesis aims to present an economic feasibility study of three phased pathways for the large-scale production and storage of green hydrogen (H2), e-ammonia (NH3), and e-methanol (CH3OH) at the port of Grundartangi in Iceland. Each pathway focuses on one fuel, targeting an annual production of 750,000 tonnes through alkaline water electrolysis powered by renewable electricity. This research is motivated by Iceland’s goals of achieving full independence from fossil fuels and carbon-neutrality by 2040. The thesis includes a comprehensive literature review, determination of pathway process parameters, and a techno-economic assessment. The base-case techno-economic assessment is based on market fuel prices, capital and operating costs from literature and commercial data, an assumed 26-year project lifetime, starting in 2028, and the adoption of a 9.25% discount rate. Key outputs included Net Present Values (NPVs), Internal Rates of Return (IRRs), Benefit-Cost Ratios (BCRs), Payback Periods (PBPs), and Levelised Costs of Fuels (LCOFs). The results suggest that while all three pathways demonstrate economic feasibility under certain assumptions, with NPVs of 1,665 M€, 694 M€, and 850 M€ for H2, NH3, and CH3OH, respectively, they remain not cost-competitive with fossil fuel-derived alternatives at present due to higher production costs. The LCOFs were calculated at 5.87 €/kgH2, 0.60 €/kgNH3, and 0.76 €/kgCH3OH. The thesis‘ sensitivity analysis indicates that fuel prices, followed by discount rates and electricity prices, have the greatest influence on its economic outcomes. At the scales analysed, large-scale green fuel production in Iceland via electrolysis likely demands significant renewable electricity generation expansion. Without policy mechanisms, such as subsidies and increased carbon pricing on fossil fuels, the premium prices of green fuels identified in this study are unlikely to achieve cost-competitiveness with fossil fuels in the mid-term, limiting their role in meeting decarbonisation targets.Keywords: Techno-economic assessment, Hydrogen, Alkaline water electrolysis, Energy transition

Markmið þessarar ritgerðar er að leggja fram fýsileikagreiningu á þriggja fasa framleiðsluleiðum á grænu vetni (H2), ammoníaki (NH3) og metanóli (CH3OH) á Grundartanga á Íslandi. Hver leið er tileinkuð einu rafeldsneyti og miðast við árlega framleiðslu upp á 750.000 tonn með alkalískri rafgreiningu vatns, knúinni af endurnýjanlegri raforku. Rannsóknin byggir á markmiðum Íslands um að verða laust við jarðefnaeldsneyti og að ná kolefnishlutleysi fyrir árið 2040. Ritgerðin inniheldur yfirgripsmikla heimildarýni, skilgreiningu á framleiðsluferlum hverrar leiðar og arðsemisgreiningu. Sú greining, framkvæmd í kostnaðarlíkani, byggir á sóttum gögnum um markaðsverð eldsneytanna, fjárfestingar- og rekstrarkostnað, 9,25% afvaxtahlutfalli og forsendu um 26 ára líftíma leiðanna, sem gert er ráð fyrir að hefjist árið 2028. Helstu niðurstöður felast í útreikningi á hreinum núvirðum (NPVs), afkastavöxtum (IRRs), kostnaðar-ábatahlutföllum (BCRs), endurgreiðslutímum (PBPs) og núvirtum eldsneytisverðum (LCOFs). Niðurstöðurnar benda til þess að allar þrjár leiðir geti verið arðbærar við ákveðnar forsendur, með hreinu núvirði upp á 1.665 M€, 694 M€ og 850 M€ fyrir H2, NH3 og CH3OH, í þeirri röð. Hins vegar eru eldsneytin ekki kostnaðarlega samkeppnishæf við jarðefnaeldsneyti á þessum tímapunkti þar sem núvirt eldsneytisverð þeirra eru hærri vegna hærri framleiðslukostnaðar, eða 5,87 €/kgH2, 0,60 €/kgNH3 og 0,76 €/kgCH3OH. Næmnigreining ritgerðarinnar sýnir að eldsneytisverð, ásamt afvaxtahlutfalli og raforkuverði, hafa mestu áhrifin á arðsemi leiðanna. Íslensk framleiðsla grænna eldsneyta með rafgreiningu á þeim skala sem hér er um að ræða myndi líklega krefjast verulegrar aukningar í raforkuframleiðslu. Þessi grænu eldsneyti hafa hærra söluverð í samanburði við jarðefnaeldsneyti og án stuðnings stjórnvalda í formi niðurgreiðslna og aukinnar kolefnisverðlagningar á jarðefnaeldsneyti er ólíklegt að þau verði þeim samkeppnishæf til meðallangs tíma og styðji þar með við markmið Íslands um kolefnishlutleysi.Efnisorð: Fýsileikagreining, Vetni, Rafgreining, Orkuskipti