[論文レビュー] Decarbonizing the European energy system in the absence of Russian gas: Hydrogen uptake and carbon capture developments in the power, heat and industry sectors

Goran Durakovic, Hongyu Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Global Energy Security and Policy被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、EMPIREエネルギー・システム・モデルの拡張版を用いて、ロシアの天然ガス供給が途絶えた状況下でのヨーロッパの電力・熱・産業部門における脱炭素化パスの変化を分析した。水素と炭素回収・貯留（CCS）の導入が強調される。石炭にCCSを適用したものが、電力部門および鉄鋼部門でガスに置き換わる。天然ガスの不足に伴い、水素生産はグレー水素からグリーン水素へと移行する。CCSと国内の再生可能エネルギーが、エネルギー安全保障および脱炭素化の両面で重要性を増す。

ABSTRACT

Hydrogen and carbon capture and storage are pivotal to decarbonize the European energy system in a broad range of pathway scenarios. Yet, their timely uptake in different sectors and distribution across countries are affected by supply options of renewable and fossil energy sources. Here, we analyze the decarbonization of the European energy system towards 2060, covering the power, heat, and industry sectors, and the change in use of hydrogen and carbon capture and storage in these sectors upon Europe's decoupling from Russian gas. The results indicate that the use of gas is significantly reduced in the power sector, instead being replaced by coal with carbon capture and storage, and with a further expansion of renewable generators. Coal coupled with carbon capture and storage is also used in the steel sector as an intermediary step when Russian gas is neglected, before being fully decarbonized with hydrogen. Hydrogen production mostly relies on natural gas with carbon capture and storage until natural gas is scarce and costly at which time green hydrogen production increases sharply. The disruption of Russian gas imports has significant consequences on the decarbonization pathways for Europe, with local energy sources and carbon capture and storage becoming even more important.

研究の動機と目的

• ロシアの天然ガス供給排除がヨーロッパエネルギー・システムにおける脱炭素化パスに与える影響を評価すること。
• 主要産業部門における内生的水素需要および原料使用をモデル化すること。
• エネルギー供給の混乱下でも脱炭素化を維持するうえで炭素回収・貯留（CCS）および再生可能エネルギーが果たす役割を評価すること。
• 天然ガスの不足、水素生産パスウェイ、部門別エネルギー需要の相互作用を分析すること。

提案手法

• オープンソースのEMPIREモデルを拡張し、内生的水素需要および部門別エネルギーおよび原料要件の詳細を組み込んだ。
• 短期的な不確実性に対処するため、線形計画法と多期間投資計画、および確率的プログラミングを統合した。
• 電解による水素生産（グリーン）および天然ガス改質による水素生産（グレーおよびブルー、CCS付加）をモデル化し、電力およびガスの不足を考慮した。
• 電力、水素、天然ガス、CO2のための貯蔵、送電、需要抑制を統合した。
• 物質的およびエネルギー的整合性を確保するため、電力、水素、ガス、CCS、産業製品の間でフロー整合制約を適用した。
• 季節サイクル全体で純利益または純損失がないように、貯蔵の閉鎖制約を課し、初期貯蔵容量を50％に設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロシアの天然ガス供給が削除された場合、ヨーロッパの電力・熱・産業部門における水素および炭素回収・貯留（CCS）の導入にどのような影響を与えるか？
• RQ2 天然ガスの不足と価格上昇が、グレー水素からグリーン水素への移行に与える影響は何か？
• RQ3 ガス供給の混乱下で、鉄鋼、セメント、アンモニア、精製所における部門別エネルギー需要および原料要件はどのように変化するか？
• RQ4 ガスが利用できなくなった場合、石炭にCCSを適用したものが、電力および鉄鋼部門における過渡的解決策としてどれほど有効に機能するか？
• RQ5 エネルギー供給制約下で、地域的エネルギー源およびCCSがどのように重要性を増すか？

主な発見

• ロシアの天然ガス供給が途絶えた後、石炭に炭素回収・貯留（CCS）を適用したものが、電力部門で天然ガスを顕著に代替し、過渡的脱炭素化パスとして機能する。
• 鉄鋼部門では、天然ガスの不足に伴い、水素による完全な脱炭素化に至るまでの過渡的解決策として、石炭にCCSを適用したものが中間的役割を果たす。
• 水素生産は当初、天然ガスにCCSを適用したものが中心であったが、天然ガスの不足と高騰に伴い、特に2040年以降に急速にグリーン水素に移行する。
• ロシアの天然ガス輸入の停止は、国内再生可能エネルギーおよびCCSの戦略的意義を高め、脱炭素化の勢いを維持するために不可欠なものとなる。
• 天然ガスの埋蔵量およびCCS容量が制約要因となり、CCSの封じ込めは技術的潜在力ではなく、地理的貯蔵容量によって制限される。
• モデルの結果、1.5°Cの気候目標はロシアのガス供給がなくても達成可能であるが、その前提としてCCSおよびグリーン水素の迅速な拡大が供給ショックに応じて求められる。