[論文レビュー] Italy 100% Renewable: A Suitable Energy Transition Roadmap

Francesco Meneguzzo, Rosaria Ciriminna+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Global Energy and Sustainability Research参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、2050年までにイタリアのエネルギー転換を100%再生可能エネルギーに実現する現実的で包括的なロードマップを提唱する。主なエネルギー源は太陽光発電（PV）、風力、水力であり、余剰電力を用いてCO₂と水から酵素で合成された多糖類によるエネルギー貯蔵を補完的に活用する。研究では、追加の発電能力、貯蔵需要、コストを定量的に評価し、技術的・経済的に実現可能であると結論づけ、回収期間は約10年であると判明した。

ABSTRACT

We outline a realistic energy transition roadmap for Italy, in which the whole energy demand is met by electricity generated by low cost renewable energy technologies, namely solar photovoltaic, wind and hydroelectric power. We assess the amount of extra power and storage capacity to be installed along with costs, return on investment and payback time. Based on cost, renewable nature and scalability, storage in energy dense polysaccharides enzymatically synthesized from carbon dioxide, water and surplus electricity is proposed to meet the significant storage requirements.

研究の動機と目的

• 2050年までにイタリアの全エネルギー供給を100%再生可能電力に転換する可能性を評価すること。
• 季節的および日次需要の変動を補うために必要な追加の発電および貯蔵能力を定量的に算出すること。
• 投資コスト、投資利益率、回収期間を含めた転換の経済的妥当性を評価すること。
• CO₂と余剰電力を用いて酵素で合成された多糖類を用いた、スケーラブルで低コストかつ再生可能ベースのエネルギー貯蔵ソリューションを提案すること。
• 気候変動およびエネルギー安全保障の目標に沿った、政策に即したデータドリブンなロードマップを提供すること。

提案手法

• 研究では、イタリア送電系統運用会社Ternaが提供する2014年から2015年の時間単位の電力需要および再生可能エネルギー発電データを用い、年間エネルギー収支をモデル化した。
• 全電気化（輸送、暖房・冷房を含む）を想定し、全電力需要を満たすために必要な陸上風力および大規模太陽光発電の追加容量を算出した。
• 余剰電力の生産と需要の不一致に基づき、貯蔵需要を推定した。特に季節的および日次の変動に注目した。
• 新規の貯蔵ソリューションとして、酵素で改変した触媒を用いてCO₂、水、余剰電力を用いてエネルギー密度の高い多糖類（例：グリコーゲンに類似したポリマー）を合成する手法を提案した。
• 太陽光発電、風力タービン、貯蔵技術の現在および予想される価格を用いてコストをモデル化し、エネルギー節約および化石燃料コストの回避に基づき投資利益率と回収期間を算出した。
• 熱電効率（0.38）およびエネルギー変換係数を考慮し、電力需要を一次エネルギー換算に変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2050年までにイタリアの電力システムを完全に脱炭素化するには、どの程度の追加の太陽光および風力発電容量が必要か？
• RQ2 100%再生可能エネルギー運用下での電網安定性を確保するには、季節的および日次の変動を考慮した上で、どの程度の貯蔵容量と技術が必要か？
• RQ3 CO₂と余剰電力を用いた多糖類の酵素合成は、スケーラブルで低コストかつ再生可能ベースのエネルギー貯蔵ソリューションとして実現可能か？
• RQ4 イタリアにおける完全な100%再生可能エネルギー転換の総投資コスト、投資利益率、回収期間はどのようになるか？
• RQ5 風力および太陽光発電の地理的分布と相補性は、電網の信頼性およびバックアップ容量の必要性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 2015年のイタリアの一次エネルギー需要は185.6MTOEであり、そのうち82%が化石燃料に依存しており、主に石油および天然ガスであった。
• 2050年までにイタリアの全電力需要を再生可能エネルギーで満たすには、追加で68GWの陸上風力および110GWの大規模太陽光発電容量が必要となる。
• 研究では、供給と需要のバランスを取るために120TWhの季節的エネルギー貯蔵容量が必要であると推定され、主に冬季に集中する。
• 提案された酵素による貯蔵システム—CO₂、水、余剰電力を用いて多糖類を合成する—は、バッテリー技術の代替としてスケーラブルで再生可能かつ低コストな選択肢を提供する。
• 全転換にかかる総投資コストは1.2兆ユーロと推定され、化石燃料コストの回避およびエネルギー節約に基づく回収期間は約10年である。
• この転換により、イタリアの年間CO₂排出量は1億5000万トン以上削減され、EUの気候目標に適合し、エネルギー自立を支援する。