ネットゼロ熱: エネルギーシステムの脱炭素化を加速するための長期エネルギー貯蔵

脱炭素への取り組みとして 世界のエネルギーシステムが勢いを増している中、最も重要なものの 1 つである熱が果たす役割に注目が集まっています。 主に産業と建物の冷暖房は、世界の最終エネルギー消費の 50% 以上を占め、現在の全エネルギー排出量 (電力を除く) の約 45% を占めています。

そのため、熱の脱炭素化は、正味ゼロ排出を達成するための取り組みの中心です (図 1)。


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電力部門が直面している重大な課題に対処する上で、熱の管理と貯蔵が果たすことができる役割については、あまり理解されていません。それは、供給が需要と一致するようにしながら、エネルギーミックスにおける風力や太陽光などの本質的に変動する再生可能エネルギー源の割合を増やす方法です。

熱エネルギー貯蔵 (TES) は、熱の脱炭素化を加速し、主に再生可能エネルギーを動力源とする安定した信頼性の高い電力システムの確立に役立つ一連の技術で構成されています。 TES は、再生可能電力または廃熱で充電して、産業プラントや建物などのユーザーにしっかりとしたクリーンな熱を放出できます。

マッキンゼーによる洞察と分析を含む新しい業界レポートは、TES が他の形式の長期エネルギー貯蔵 (LDES) とともに、供給のピーク時に過剰なエネルギー (電気または熱) を貯蔵して放出することにより、「クリーンな」柔軟性をどのように提供できるかを示しています。需要が必要なときに熱としてそれを。 再生可能電力で熱を直接生成できない場合、TES は、蓄えられた再生可能電力で安定した電力供給を提供するよりも、熱需要を満たすためのよりコスト効率が高く低炭素な方法である可能性があることを示しています。 TES は、一部の産業プロセスで必要とされる非常に高い温度に達することを含め、幅広い熱用途に対応できます。

このレポートは、業界のエコシステムをまとめて全体的な事実ベースを構築するために設立されたエグゼクティブ主導の組織である LDES Council とともに発行され、それによって LDES ソリューションの展開を通じて達成可能なコスト削減を加速します。

LDES は、信頼性の高い電力と熱供給を確保するためのクリーンで柔軟なソリューションを提供できます

LDES Council による以前の正味ゼロ電力レポートで説明したように、電力構成における再生可能エネルギーのシェアが拡大するにつれて、エネルギー システムはより柔軟に運用する必要が生じる可能性があります。 現在、必要な柔軟性は主に派遣可能な化石燃料発電によって提供されていますが、それは気候目標を達成するための長期的な解決策ではありません。 より持続可能な代替案は、LDES (および TES) を含む柔軟性ソリューションの組み合わせになる可能性があります。

再生可能エネルギーによる直接電化は、太陽が輝いていて風が吹いているときの正味ゼロの熱をサポートしますが、再生可能エネルギーと蓄電を組み合わせることで、暖房の脱炭素化を完了することができます。 TES を導入することで、再生可能エネルギーからのクリーンな熱を、化学製品や食品や飲料の生産などの産業プロセスに提供することができます。

これらの活動はすべて、変動する再生可能発電を需要に合わせてシステムを最大効率で運用できるようにするのに役立ち、ピークと谷に対処するためのインフラストラクチャへの投資の必要性を減らします。 TES は、供給側と需要側のストレージを提供し、供給のピーク時に再生可能な供給を削減することに伴う無駄を削減するのに役立ちます。 グリッド全体の利用率を改善し、システムのストレスを軽減すると同時に、再生可能エネルギーのより迅速な展開を促進します。

一部の TES 技術はすでに市販されており、コスト競争力があります。

TES は、産業プロセスで使用される熱の最も一般的な形式の 2 つである蒸気と熱風を含む、ほとんどの熱アプリケーションのコスト効率の高い電化を可能にします。 これは、幅広い保管期間 (日中から季節的なものまで) と温度 (氷点下から 2,400°C まで) に対処できるさまざまな技術をカバーしています。 LDES ベンチマークの結果によると、TES は費用対効果の高いクリーンな熱供給を促進する可能性があります。 図表 2 は一例を示し、TES を使用して中圧蒸気を供給する平準化されたコストを他の化石およびクリーン技術と比較しています。

電気と熱エネルギー貯蔵からのクリーンな蒸気は、従来のガスボイラーやその他の低炭素ソリューションよりも安価になる可能性があります。
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一部の TES 技術はすでに市販されており、展開が容易で既存のシステムと統合することができます。たとえば、化学および食品および飲料産業で適用される中圧蒸気です。 1,000 ºC をはるかに超える高温のニーズに対応するのに役立つ革新的な技術も進行中です。

新しいレポートは、TES の多くの使用事例を調査し、現地の状況と市場設計に応じて、最大 28% の内部収益率で、すでに利益を上げている可能性があることを示しています。 レポートで評価されたユースケースには、化学工場の中圧蒸気、地域暖房、アルミニウム精錬所の高圧蒸気、オフグリッド温室のコジェネレーションが含まれます。

この調査結果は、TES が作成するシステムの柔軟性に対して、グリッド料金の引き下げなど、何らかの形の見返りを提供する、支援的な市場設計の重要性も示しています。 レポートによると、TES は、豊富な太陽光発電や風力発電、または既存の自家用熱供給へのアクセスがある場合に、最も繁栄する可能性が高いと述べています。

いずれにせよ、証拠は、TES が他の形態の LDES と同様に、市場が成熟し、拡大するにつれて、よりコスト競争力が高くなるように設定されていることを示唆しています。 LDES Council の数値は、TES の単位資本コストが現在から 2040 年までの間に減少すると予想されることを示唆しています。放電装置では 5 ~ 30%、エネルギー貯蔵媒体では 15 ~ 70% 減少します。

エネルギーシステムの脱炭素化: 統合的アプローチ

TES の潜在的なメリットを実現するには、急速に複雑化して相互接続されているエネルギー システムを総合的に捉えることが役立ちます。 たとえば、電力と熱のセクター、および水素産業が、ヒート ポンプ、電気分解装置、水素ボイラーなどの技術を通じて相互接続されつつあるという初期の兆候があります。

世界最大の港と産業クラスターの 1 つであり、電力と熱の需要が非常に集中しているロッテルダム港に関する事例研究は、複雑なエネルギー システムの統合と脱炭素化における TES などの貯蔵技術の潜在的な重要性を示しています。 これは、電力 LDES と組み合わせた TES が、近くのオフショア風力発電所からの可変出力を産業向けのクリーンな熱のより安定した供給に変換するのにどのように役立つかを示しています。 これにより、オフショア風力開発者に別の需要源が生まれ、産業用エネルギー ユーザーの脱炭素化への費用対効果の高い道筋が生まれます。

このようなイニシアチブを通じて、TES は排出量削減の世界的なペースを加速させ、正味ゼロに近づけることができます。 このレポートは、TES が、高温加熱アプリケーションを含む脱炭素化熱のコスト効率の高い代替手段を提供することにより、世界の LDES 容量を 2 倍にすることができることを示しています。 これにより、世界のシステム コストが年間最大 5,400 億ドル削減される可能性があり、再生可能エネルギーの構築が加速し、グリッドの利用が最適化されます。

潜在的な課題を克服して TES の採用を促進する

TES が広く採用される前に、克服しなければならない潜在的な課題がいくつかあります。 ビジネス リーダー、政策立案者、投資家の間で TES の可能性、およびエネルギー システムのネット ゼロへの成功したコスト最適化経路において TES が果たすことができる役割についての認識レベルを向上させることが役立つ場合があります。 それを超えて、業界の相対的な初期段階と、高価で長い投資サイクルを持つビジネスにおけるTESテクノロジーのさまざまな成熟度からの潜在的な商業的リスクが残っています.

レポートは、この状況を変えるためのさまざまな方法を提案しています。 ビジネス リーダーは、TES のビジネス ケースの認知度を高めて紹介するためにパイロット プラントやデモンストレーション プラントに投資し、サプライ チェーン全体の主要関係者と共同で取り組みを行うことで、自分たちの役割を果たすことができます。 政策立案者は、不確実性を軽減するための長期的なフレームワークの設計を開始できます。これには、システムの柔軟性に報い、公平な競争条件を作り出す市場メカニズムや、TES への投資を直接サポートする市場メカニズムが含まれます。 投資家も、TES によってレーダーに貢献し、TES のアプリケーションと機会についての理解を深めることができます。

この研究は、TES が大規模に適用された場合、暖房の脱炭素化への最も費用対効果の高いルートの 1 つである可能性があることを示しています。また、ネットゼロに移行する際に、熱および電力セクターに安定性と回復力を提供します。 今こそ、この有望な技術の構築を開始して、エネルギー システムを変革する可能性を実現できるようにするときです。

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