[논문 리뷰] 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 Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 17.

Global Energy Security and Policy인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 EMPIRE 에너지 시스템 모델의 개선된 버전을 사용하여 러시아 가스 수입이 없는 상황에서 유럽의 전력, 난방 및 산업 부문의 탄소중립 경로가 어떻게 변화하는지 분석한다. 수소와 탄소 포집 및 저장(CCS)의 확산을 강조한다. 연구 결과, 가스 대체로 석탄-CCS가 전력 및 철강 부문에서 사용되며, 천연가스 부족으로 인해 회색 수소에서 녹색 수소로의 전환 과정이 발생한다. CCS와 국내 재생 가능 에너지가 에너지 안보 및 탄소중립화에 핵심적인 역할을 한다고 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 러시아 가스 공급 제거가 유럽 에너지 시스템의 탄소중립화 경로에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 주요 산업 부문에서 내재된 수소 수요와 원료 사용을 모델링하기 위해.
• 에너지 공급 차질 상황에서 탄소 포집 및 저장(CCS) 및 재생 가능 에너지의 역할을 평가하기 위해.
• 천연가스 부족, 수소 생산 방식, 부문별 에너지 수요 간의 상호작용을 분석하기 위해.

제안 방법

• 오픈소스 EMPIRE 모델을 확장하여 내재된 수소 수요 및 부문별 에너지 및 원료 요구사항을 포함시켰다.
• 단기적 불확실성을 다루기 위해 선형계획법과 다기능 투자 계획, 확률적 프로그래밍을 통합하였다.
• 전기분해(녹색) 및 천연가스 개질(그레이 및 블루, CCS 포함)을 통한 수소 생산을 모델링하였으며, 전기 및 가스 부족 조건을 고려하였다.
• 전력, 수소, 천연가스, CO2의 저장, 전송 및 수요 절감 기능을 통합하였다.
• 에너지 및 물질의 일관성을 확보하기 위해 전력, 수소, 가스, CCS, 산업 제품 간의 유량 균형 제약 조건을 적용하였다.
• 계절 주기 동안 순 이득 또는 손실이 없도록 저장소 폐쇄 제약 조건을 적용하였으며, 초기 저장 용량은 50%로 설정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 러시아 가스 수입이 제거될 경우, 전력, 난방 및 산업 부문에서 수소 및 탄소 포집 및 저장(CCS)의 배치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 천연가스 부족과 가격 상승이 그레이 수소에서 녹색 수소 생산으로의 전환에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가스 공급 차질 상황에서 철강, 시멘트, 암모니아 및 정유소 부문의 에너지 수요 및 원료 요구사항은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 가스 공급이 끊길 경우, 석탄-CCS가 전력 및 철강 부문에서 전이적 해결책으로 얼마나 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 에너지 공급 제약 하에서 지역 에너지 자원과 CCS는 얼마나 더 중요한 역할을 하는가?

주요 결과

• 러시아 가스 수입이 끊긴 후 전력 부문에서 탄소 포집 및 저장(CCS)을 갖춘 석탄이 천연가스를 상당 부분 대체하며, 전이적 탄소중립화 경로로 기능한다.
• 철강 부문에서는 가스 부족 상황에서 수소를 통한 완전한 탄소중립화 전까지 석탄-CCS가 중간 해결책으로 작용한다.
• 수소 생산은 초기에 천연가스를 기반으로 하며, 천연가스가 부족하고 비싸지게 되면서 2040년 이후에는 녹색 수소로 급격히 전환된다.
• 러시아 가스 수입 차단은 국내 재생 가능 에너지와 CCS의 전략적 중요성을 높이며, 탄소중립화 추진력을 유지하는 데 필수적이다.
• 천연가스 비축과 CCS 용량이 제약 요소로 작용하며, CCS의 배출 저장 능력은 기술적 잠재력이 아닌 지리적 저장 용량에 의해 제한된다.
• 모델 분석 결과, 1.5°C 기후 목표는 러시아 가스 없이도 달성 가능하나, 공급 충격에 대응해 CCS와 녹색 수소를 빠르게 확대해야 한다.