[論文レビュー] Impact of climate change on the cost-optimal mix of decentralised heat pump and gas boiler technologies in Europe

Smail Kozarcanin, Richard Hanna+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Climate Change Policy and Economics参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、気候変動が欧州全域における分散型ヒートポンプとガスボイラーのコスト最適な組み合わせに与える影響を評価する。高分解能気象データ（CMIP5およびEURO-CORDEX）から算出された加熱度日（HDD）を用いて、空間暖房需要をモデル化した。その結果、低温から極端な温暖化シナリオにおいて、気温上昇に伴い空間暖房需要が16–42％低下し、特に西ヨーロッパおよび南ヨーロッパにおいてヒートポンプの経済的実現可能性が著しく向上することが判明。一方、寒冷な東ヨーロッパ地域ではガスボイラーが依然として最適な選択肢のままである。

ABSTRACT

Residential demands for space heating and hot water account for 31% of the total European energy demand. Space heating is highly dependent on ambient conditions and susceptible to climate change. We adopt a techno-economic standpoint and assess the impact of climate change on decentralised heating demand and the cost-optimal mix of heat pump and gas boiler technologies. Temperature data with high spatial resolution from nine climate models implementing three Representative Concentration Pathways from IPCC are used to estimate climate induced changes in the European demand side for heating. The demand side is modelled by the proxy of heating-degree days. The supply side is modelled by using a screening curve approach to the economics of heat generation. We find that space heating demand decreases by about 16%, 24% and 42% in low, intermediate and extreme global warming scenarios. When considering historic weather data, we find a heterogeneous mix of technologies are cost-optimal, depending on the heating load factor (number of full-load hours per year). Increasing ambient temperatures toward the end-century improve the economic performance of heat pumps in all concentration pathways. Cost optimal technologies broadly correspond to heat markets and policies in Europe, with some exceptions

研究の動機と目的

• 21世紀における気候変動が、ヨーロッパ全域の分散型ヒートポンプとガスボイラーのコスト最適な組み合わせに与える影響を評価すること。
• 地域ごとの気候変動のばらつきと長期的な気温上昇トレンドが、暖房システムの経済的性能に与える影響を評価すること。
• コスト最適技術とヨーロッパの既存の国家的暖房政策との整合性を検討すること。
• コスト最適かつ脱炭素化された結果に到達するための技術導入を促進するため、政策介入が必要となる地域を特定すること。
• 高分解能気象データを用いて、異なる気候シナリオ下での暖房需要とCO2排出量の変化を定量すること。

提案手法

• 3つの代表的濃度経路（RCP）の下で、9つのCMIP5およびEURO-CORDEX気象モデルから得られた、0.11° × 0.11°の高分解能（日次）気温データを用いた。
• 空間暖房需要の代理指標として、15°Cの閾値未満の日次気温差の累積値として加熱度日（HDD）を算出した。
• 年間熱負荷係数（フルロード時間）に基づき、ヒートポンプおよびガスボイラー技術のコスト最適選定をスクリーニングカーブ法でモデル化した。
• グリッドセル単位（144 km²）のコスト最小化フレームワークに、技術別コスト（設置、燃料、保守、運用）と効率（ヒートポンプのCOP、ボイラーの効率）を統合した。
• 歴史的（1970–1990年）条件と比較して、将来の気候シナリオ下での住宅用暖房需要とCO2排出量の変化を評価した。
• 国家の技術保有状況が変化しないと仮定し、歴史的および21世紀末の気候条件下でのヨーロッパ全域におけるコスト最適技術のマップを作成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる温暖化シナリオ下で、気候変動がヨーロッパにおける分散型ヒートポンプとガスボイラーのコスト最適な組み合わせにどのように影響を与えるか？
• RQ2 地域ごとの気候変動のばらつきが、ヒートポンプおよびガスボイラー技術の経済的パフォーマンスにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 温暖化に伴う暖房需要の変化が、住宅暖房部門からのCO2排出量にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 現在の国家的暖房政策が、将来の気候条件下でのコスト最適技術の組み合わせとどの程度整合しているか？
• RQ5 コスト最適な技術選定と実際の政策主導の導入との間に、どの地域で不一致が生じているか？

主な発見

• ヨーロッパ全域の空間暖房需要は、低温暖化シナリオ（RCP 2.6）では16％、中程度温暖化シナリオ（RCP 4.5）では24％、極端な温暖化シナリオ（RCP 8.5）では42％低下すると予測される。
• 気候変動のすべてのシナリオ下でヒートポンプの経済的パフォーマンスが著しく向上し、特に西ヨーロッパおよび南ヨーロッパにおいて、コスト最適な導入がより広範にわたるようになる。
• 寒冷な東ヨーロッパ地域（例えばポーランド）では、石炭暖房に比べて低炭素な代替手段を提供する可能性があるため、ガスボイラーが依然としてコスト最適な選択肢のままである。
• 地下熱ヒートポンプは、伝統的に温暖な気候の南地中海諸国においてもコスト最適と特定されたが、これは広範な導入の可能性を示唆している。
• 多くの地域でヒートポンプにコスト上の利点があるにもかかわらず、オーストリア、スイス、フランス、ドイツでは市場浸透率が依然として低く、的確な政策支援の必要性が示唆される。
• 本研究は、特に西ヨーロッパにおいて、コスト最適な技術選定と現在の国家政策との間に不一致が生じていることを明らかにした。