100%クリーンな電力への道:最後の数パーセントを突破するための6つの潜在的な戦略(On the Road to 100% Clean Electricity: Six Potential Strategies To Break Through Last Few Percent)

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米国電力網のゼロエミッション達成に向けた最後の数パーセントの課題を克服するための技術オプションのトレードオフを調査 Study Surveys Trade-Offs of Technology Options To Overcome Challenging Last Few Percent to Zero-Emissions U.S. Power Grid

2022-09-12 アメリカ国立再生可能エネルギー研究所(NREL)

電力システムはピーク時の需要に対応するのは難しく、コストもかかる。再生可能エネルギーが多い電力システムでは、季節のミスマッチを解消するために、まだ大規模に展開されていない技術が必要になる可能性がある。そのため、そのコストや要件が不明確である。
この課題に対する解決策の可能性を探るため、国立再生可能エネルギー研究所(NREL)の研究者チームは、米国で90%から100%カーボンフリーな電力を実現するために考えられる6つの技術戦略のトレードオフを調査した。
最後の10%のための6つの戦略
理想的なソリューションは、第一に、高い容量クレジットを持ち、高ストレス時に容量を利用でき、安全で信頼できる電力システムでなければならない。第二に、資本コストが比較的低いことです。そして第三に、広く利用可能な資源に依存し、大規模に展開することができる。
1. 変動する再生可能エネルギー、送電、日中貯蔵
既存の技術に依存するもので、可変的な再生可能エネルギー、送電、昼行性(約24時間未満)の貯蔵をより多く構築する。この戦略は、再生可能エネルギーを需要地に運ぶ長距離送電が充実し、風力や太陽光の技術が向上し続ければ、よりコスト競争力を高めることができる。2. その他の再生可能エネルギー
地熱、水力、バイオマスといった、ゼロエミッションの電力セクターである。これらは、季節の不一致を克服できる可能性がある。バイオマス発電は資本コストが比較的低いが、安定的かつ持続的な原料供給とバイオマス変換のコストに不確実性がある。
3. 炭素回収を伴う原子力・化石燃料
炭素回収・貯留(CCS)を備えた原子力と化石燃料は、年間を通じて信頼できることが多いため、脱炭素電力システムにおいて重要な資源となる可能性がある。しかし、この戦略には限られた展開、コストの不確実性、環境と安全保障への配慮といった課題があり、高い資本コストは経済的な障壁となる可能性がある。
4. 季節的貯蔵
季節的貯蔵とは、電気を利用して貯蔵可能な燃料を生産し、長期間(1年の全季節まで)発電に使用できるようにすることである。水素や水素由来の燃料は、現在、季節的貯蔵の最も有望な選択肢である。水素を電気に変換するには、水素用に変換が進んでいる燃料電池や燃焼技術を利用することができる。これらの水素を燃料とする発電オプションは、将来的に資本コストが低く、最後の10%の戦略として実行可能である可能性がある。この戦略の主な不確実性は、燃料(水素)供給と配送インフラの利用可能性である。
5. 二酸化炭素除去
大気中の二酸化炭素を除去することで、二酸化炭素を排出する発電技術からの排出を相殺する。この戦略は、他の発電資産を活用し、グリッドのリソース妥当性をサポートするという点でユニークである。二酸化炭素除去技術には独自の価値があるが、展開上の課題がある。世界中でまだほとんど二酸化炭素除去技術が導入されておらず、将来の技術コストも不透明なままである。
6. 需要側リソース
需要側資源は、需要反応や需要柔軟性とも呼ばれ、他の5つの戦略と比較してユニークな解決策である。需要サイドリソースは、電力系統にストレスがかかる時間帯に電力消費を減らし、新たなピーク容量への投資を回避するのに役立つ。また、電力消費の柔軟なスケジューリングや中断を通じて、運用コストを削減したり、重要なグリッド信頼性サービスに利用したりすることもできる。需要側制御装置や通信機器の資本コストは低く、直接的な運用コストは控えめである。しかし、需要側のオプションを適用するには、数日間にわたる長期にわたって資源を確実に利用できることが必要である。極端な事象が発生した日に必要とされる反応の規模は、需要反応の潜在能力を超える可能性があり、また、新たな電化負荷による柔軟性は不確実である。
NRELのアナリストで本調査の共同執筆者であるPaul Denholmは、「現在の技術コストと準備状況を考えると、風力、太陽光、日中貯蔵、送電、その他の再生可能エネルギー技術の展開を加速することによって、大幅な排出量削減が可能です。その他の技術も、コスト競争力があり、広く利用できるようになれば、大きな役割を果たす可能性があります。私たちは、これらの可能な解決策を引き続き研究していきますが、結局のところ、100%を達成するには、まず90%を達成する必要があるのです。」

<関連情報>

100%を目指す:最後の10%を達成するための6つの戦略Getting to 100%: Six strategies for the challenging last 10%

Trieu Mai,,Paul Denholm,Patrick Brown,Wesley Cole,Elaine Hale,Patrick Lamers,Caitlin Murphy,Mark Ruth,Brian Sergi,Daniel Steinberg,Samuel F. Baldwin
Joule  Published:September 09, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.08.004

Summary

Meeting the last increment of demand always poses challenges, irrespective of whether the resources used to meet it are carbon free. The challenges primarily stem from the infrequent utilization of assets deployed to meet high demand periods, which require very high revenue during those periods to recover capital costs. Achieving 100% carbon-free electricity obviates the use of traditional fossil-fuel-based generation technologies, by themselves, to serve the last increment of demand—which we refer to as the “last 10%.” Here, we survey strategies for overcoming this last 10% challenge, including extending traditional carbon-free energy sources (e.g., wind and solar, other renewable energy, and nuclear), replacing fossil fuels with carbon-free fuels for combustion (e.g., hydrogen- and biomass-based fuels), developing carbon capture and carbon dioxide removal technologies, and deploying multi-day demand-side resources. We qualitatively compare economic factors associated with the low-utilization condition and discuss unique challenges of each option to inform the complex assessments needed to identify a portfolio that could achieve carbon-free electricity. Although many electricity systems are a long way from requiring these last 10% technologies, research and careful consideration are needed soon for the options to be available when electricity systems approach 90% carbon-free electricity.

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