[논문 리뷰] Impact of climate change on the cost-optimal mix of decentralised heat pump and gas boiler technologies in Europe

Smail Kozarcanin, Richard Hanna외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 09.

Climate Change Policy and Economics참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 기후 데이터(CMIP5 및 EURO-CORDEX)에서 유도된 난방도수일(HDD)을 사용하여 유럽 전역에서 탈중앙화된 난방 히트펌프와 가스 보일러의 비용 최적 조합이 기후 변화로 어떻게 변화하는지 평가한다. 온도 상승으로 인해 저온 지역을 제외한 유럽 전역의 공간 난방 수요가 저온 시나리오에서 16–42% 감소할 것으로 예측되며, 이는 특히 서유럽과 남유럽에서 히트펌프의 경제적 타당성을 크게 향상시킨다. 반면, 더운 기후의 동유럽 지역에서는 가스 보일러가 여전히 최적의 선택이다.

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

연구 동기 및 목표

• 21세기 기후 변화가 유럽 전역에서 탈중앙화된 난방 히트펌프와 가스 보일러의 비용 최적 조합에 어떤 영향을 미치는지 평가하기.
• 지역 기후 변동성과 장기적인 기온 추세가 난방 시스템 경제성에 어떤 영향을 미치는지 평가하기.
• 비용 최적 기술과 현재의 유럽 국가 난방 정책 간의 일치 여부를 검토하기.
• 비용 최적 기술과 탄소 배출 감소 목표에 부합하지 않는 기술 배치를 보일 가능성이 있는 지역을 특정하기.
• 고해상도 기후 데이터를 사용하여 다양한 기후 시나리오 하에서 난방 수요와 CO2 배출 변화를 정량화하기.

제안 방법

• 세 가지 대표 농도 경로(RCP) 하에서 9개의 CMIP5 및 EURO-CORDEX 기후 모델에서 유래한 고해상도(0.11° × 0.11°) 일일 기온 데이터를 사용하였다.
• 공간 난방 수요의 대체 지표로 난방도수일(HDD)을 계산하였으며, HDD는 15°C 이하의 일일 기온 편차의 합으로 정의된다.
• 연간 열 부하 요인(전부 작동 시간)을 기반으로 히트펌프와 가스 보일러 기술의 비용 최적 선택을 선별 곡선 접근법으로 모델링하였다.
• 전력 셀 수준(144 km²)의 비용 최소화 프레임워크에 기술별 비용(설치, 연료, 유지보수, 운영)과 효율성(COP는 히트펌프, 효율성은 보일러)을 통합하였다.
• 역사적 조건(1970–1990년)과 비교하여 향후 기후 시나리오 하에서 주거용 난방 총 수요와 CO2 배출 변화를 평가하였다.
• 국가 기술 보유량이 변화하지 않는다고 가정하고, 역사적 및 21세기 말 기후 조건 하에서 유럽 전역의 비용 최적 기술을 지ap도로 제작하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 온난화 시나리오 하에서 기후 변화가 유럽의 탈중앙화된 난방 히트펌프와 가스 보일러의 비용 최적 조합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 지역 기후 변동성이 히트펌프와 가스 보일러 기술의 경제적 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 온도 상승으로 인한 난방 수요 변화가 주거용 난방 부문의 CO2 배출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재의 국가 난방 정책가 향후 기후 조건 하에서 비용 최적 기술 조합과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 비용 최적 기술 선택과 실제 정책 기반 배치 간의 괴리가 발생하는 지역은 어디인가?

주요 결과

• 유럽 전역의 공간 난방 수요는 저온 시나리오(RCP 2.6)에서 16% 감소하고, 중간 시나리오(RCP 4.5)에서는 24% 감소하며, 극단적 온난화 시나리오(RCP 8.5)에서는 42% 감소할 것으로 예측된다.
• 모든 기후 변화 시나리오 하에서 히트펌프의 경제적 성능이 크게 향상되어, 특히 서유럽과 남유럽에서 비용 최적 배치가 더욱 널리 퍼질 것으로 예상된다.
• 폴란드와 같이 더운 기후의 동유럽 지역에서는 가스 보일러가 여전히 비용 최적 선택이며, 석탄 난방 대비 저탄소 대안으로서의 잠재력이 있다.
• 지열 히트펌프는 전통적으로 따뜻한 기후를 가진 남부 지중해 국가들에서 비용 최적 기술로 확인되었으며, 이는 보다 넓은 적용 가능성을 시사한다.
• 많은 지역에서 히트펌프의 비용 우위에도 불구하고 오스트리아, 스위스, 프랑스, 독일와 같은 국가에서는 시장 점유율이 낮아, 정책적 지원이 필요하다는 점을 시사한다.
• 본 연구는 특히 서유럽에서 비용 최적 기술 선택과 현재의 국가 정책 간에 괴리가 존재함을 드러내었으며, 이는 정책 지원이 경제적 잠재력과 충분히 일치하지 않는다는 것을 의미한다.