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Dec 19, 2023

ガスボイラーをヒートポンプに置き換えることは、ドイツのガス消費量を削減する最速の方法です

Comunicazione Terra e Ambiente

Communications Earth & Environmental volume 4、記事番号: 56 (2023) この記事を引用

9354 アクセス

310 オルトメトリック

メトリクスの詳細

化石ガスの供給安全はロシア・ウクライナ戦争によって混乱した。 ガスの生産と輸送の移転に関する決定は非常に緊急になっており、パリ気候協定を損なう新たな長期契約が差し迫っている。 ここでは、パリ協定の遵守に向けて決定的な一歩を踏み出しながら、再生可能電力の追加とヒートポンプの設置が供給リスクを軽減するのに十分なガスをどれだけ早く代替できるかをシミュレーションします。 ドイツを例として使用した私たちのボトムアップ モデリングは、ガス火力発電所の負荷時間の削減に加えて、ヒート ポンプの設置がガス消費量を削減する最速の方法の 1 つである方法についての技術的経路を示しています。 的を絞った取り組みにより、2025年までにロシア連邦のガスの最大60％をヒートポンプと送電網の拡張で代替することができ、石炭の段階的廃止とeモビリティへの参入が依然として実行可能なほど十分な電力が利用可能となるでしょう。

世界の平均気温が産業革命前より 1.5 °C を超える上昇を避けるためには、世界のエネルギー システムの急速な脱化石化が必要です1。 電力部門でこれを費用対効果の高い方法で達成するための一般的な方法2は、化石燃料を主に太陽光発電（PV）、風力発電、およびさまざまな再生可能資源からの追加のバランスで急速に置き換えることです3。 温室効果ガス排出の原因となるもう 1 つのエネルギー部門は暖房です4。 暖房における排出量の削減は、建物の断熱、太陽熱、ガスや石油のボイラーを再生可能電力で駆動するヒートポンプに置き換えるなど、さまざまな手段によって同時に達成する必要があるかもしれません。ヒートポンプは、エネルギーシステムの脱化石化の主要コンポーネントと考えられています3。 、7、8。 熱の有効利用にとって重要なのは、さらに意識的な消費者行動9、産業廃熱、太陽熱、地熱エネルギーの利用に基づく地域暖房ネットワーク、およびさまざまな貯蔵技術10です。 暖房用の木材、ペレット、その他のバイオマスの拡大には限界があり、多くの場合持続不可能です11。 再生可能水素は電気代の半分の価格で供給する必要があり（ただし、同量の水素を生成するには約3倍の電力が必要）、システムの総コストはヒートポンプの約 2 倍です12、13。 このような多様性により、統合評価モデル 4 では、電力よりも熱の発生にさまざまな開発経路が割り当てられています。

化石ガスの供給安全保障は、最近のロシア・ウクライナ戦争によって突然混乱した。 生産と物流の両方を移転する決定が非常に緊急になっているため、新たな長期契約はパリ気候協定を損なう恐れがある14。 この文書では、パリ協定の遵守に向けて決定的な一歩を踏み出しながら、供給リスクを軽減する経路を開発します。 私たちは、最も早い方法の 1 つは、計画と承認の手順がほとんど必要なく、PV と同様にモジュール式であるヒート ポンプを設置することであると仮説を立てています。 しかし、ヒートポンプは、ガス火力発電と同じ再生可能電力をめぐって競合しています。 さらに、冬には太陽光発電や風力発電が不足する日が多く、ヒートポンプ用の電力をガス火力発電所から供給する必要があります。 したがって、特にヒートポンプが効果的に動作しない可能性がある建物の断熱が不十分な場合、この方法でどれだけのガスを代替できるかは不明です。 したがって、ドイツの建築ストック、産業、発電におけるガス消費量を時間単位の解像度でモデル化します。 化石ガスを再生可能電力に最大限に置き換えることが優先されます。 必要なデータへのアクセスが広く利用可能であり、暖房は主に天然ガス (50%) と石油 (25%) に基づいているため、ケーススタディとしてドイツを使用します15。 ただし、私たちの方法論と結果は他の温帯諸国にも広く適用できます。

私たちは、専門家へのインタビューとバランスをとりながら、業者から話を収集することで、ドイツにおけるヒートポンプ設置のボトルネックを徹底的に調査します。 これに基づいて、ヒートポンプの設置を促進するための具体的なシナリオを作成します。 最後に、これらの制約を時間別モデルのシナリオに組み込むことで、今後数年間における化石ガスの再生可能電力への代替と、それに伴うエネルギー移行への影響を計算します。

2020 年、ドイツの一般家庭では暖房と調理用に合計 285 TWh のガスが使用されました16。統計的な経験値に基づいて、暖房用が 273 TWh、調理用が 12 TWh に分けられます。

ドイツにおける産業用ガスの最大消費者17には、化学、製紙、食品加工産業が含まれます。 100 °C 未満のガスによる熱はヒートポンプに最も早く置き換えられるため、ガスによる熱のみを考慮していることを強調したいと思います。 2020 年の年間ガス量は、化学産業 116.9 TWh、食品加工 38.6 TWh、製紙産業 25.4 TWh と推定されます (詳細については、方法セクションおよび補足注記 1 を参照)。 これらの量には、推定 100 °C 未満の工業プロセス熱の 4 分の 3 が含まれます18。 貿易およびサービス部門は多様すぎるためモデル化しませんが、これらの部門にも追加のヒートポンプが確実に設置されるでしょう。

私たちは、各産業部門および室内暖房ごとに、日平均気温の関数としての負荷プロファイルによって年間のガス消費量の変動を定量化しています19,20。 営業日と週末は区別されます。 熱需要と再生可能エネルギーによる発電の変動性の高さを適切に考慮するために、参考文献から業界の時間負荷曲線が取得されます。 季節に応じて、参考文献からのヒートポンプの場合は 19、21。 22日、毎日の平均屋外温度に応じて異なります。 ヒート ポンプのデータは約 600 世帯に基づいており、ヒート ポンプでの着霜と霜取りを考慮しています。 詳細については、補足注記 2 を参照してください。

ドイツの公共電力網全体をモデル化するための出発点は、基準年 202023 におけるすべての発電所、風力発電所、分散型太陽光発電の時間ごとの発電量データと蓄電容量です。近い将来の発電量をモデル化するために、次のデータが含まれます。連邦経済・気候保護省の計画に従って、陸上および洋上風力発電と太陽光発電への追加が行われる24（補足注記3に示されている）。 このモデリング アプローチの利点は、ドイツ全土の気候データだけでなく、システム全体の詳細がすべて含まれることです。 付随する 3 つの主要な近似と制限については、方法のセクションで説明します。たとえば、十分なグリッド拡張を想定しています。

重要な問題は、ガスによる暖房を継続する代わりにヒートポンプを設置し、追加の再生可能電力を使用して既存のガス火力発電所の負荷時間を削減することで、より多くのガスを代替できるかどうかです。 これは、ヒートポンプの達成可能な成績係数（COP）、つまり生成される熱をそれに必要な電力で割った値に依存し25、26、ガス火力発電所の効率と比較する必要があります。

ドイツでは、複合サイクル ガス タービン (CCGT) がガスベースの電力の大部分を供給しています。 2020 年の平均年間効率は、発電量 95.0 TWh とガス消費量 171.4 TWh27 の比率であり、発電効率は 55% です。 グリッド損失を考慮して、この値を 50% に下げます。

産業におけるプロセス熱については、産業用ヒートポンプの COP 2 を使用します。これは、特に乾燥目的でかなり高い温度を達成する必要がある (低い COP 値に関連する) だけでなく、熱源の温度がしばしば上昇する可能性があるという事実も考慮しています。残留熱の使用によりかなり高くなります（高い COP 値が可能になります）28。

住宅の暖房については、断熱性の低い建物ではより高い暖房温度が必要となり、そのため COP 値が低くなるため、ヒートポンプの年間平均 COP は近似的すぎることがわかりました。 したがって、時間単位の分解能で COP をモデル化し、断熱状態を反映する建物のエネルギー クラスに分類します29。 建物の断熱性を定量化するための一般的なパラメータは、暖房された部屋の平方メートルあたりに年間使用される熱量である比熱です。 参考文献からデータを収集しました。 図 1 は、ドイツにおける戸建住宅と集合住宅を区別したセグメント（エネルギークラス）ごとの熱消費量の結果を示しています。

量は、データ編集による30、比熱エネルギーとして表され、AからH31までのエネルギー効率クラス（建物の断熱）で区別され、一戸建て住宅と集合住宅におけるそれぞれ年間のものである。 データは補足表S3にリストされています。

モデルの次の重要な入力パラメーターは、適切な温熱快適性を確保するためにヒート ポンプが加熱回路に供給する必要がある水温です。 建物の断熱に加えて、暖房回路の設計方法にも依存します。 床下またはパネル暖房システムは最低温度を必要とし、最高の COP 値を実現しますが、ラジエーターはより高い温度を必要とするため、COP 値が低くなります。 私たちはドイツの何百もの建物のデータセットに依存しています31。 ヒートポンプの急速な普及により、床暖房やパネル暖房の設置は期待できません。 したがって、このデータセットからは、ヒートポンプがあるにもかかわらずラジエーターがまだ使用されている建物のみを考慮していることに注意することが重要です31。 図 2 は、そのような建物における屋外吸気温度の関数としての給水温度の例 (細線) と、モデルに対する保守的な線形当てはめ (太線) を示しています。 エネルギークラス H の建物には、事前の断熱改善がなければヒートポンプが設置されないと想定しています。

細線: ヒートポンプの屋外吸気温度の関数として測定された加熱回路の給水温度。31。 ラジエーターのある回路のみが考慮されます。 供給温度は、比熱エネルギーの範囲として示されるエネルギー効率（建物断熱性）が A ～ G の建物ごとに異なります。 太線: モデルの線形フィット。 断熱が不十分な芽の場合は、かなり非効率な加熱回路を検討するのが保守的です。 データは補足表S4にリストされています。

個々のエネルギー クラス内の違いは、主にラジエーターのサイズの違いに起因します。 多くの場合、1 つまたは 2 つの小型ラジエーターのサイズを戦略的に増やすだけで、必要な流れの温度がすでに大幅に低下するため 32、したがって、ヒート ポンプの設置に暖房回路の大規模な作業を伴う必要がない場合が多いことを強調します。 この体系的な観察31は、ヒートポンプの開拓時代から広く信じられていた信念に反しています。 それにもかかわらず、保守的な側に留まるために、高エネルギークラスでの近似値に 10 °C を追加します (補足注 5 を参照)。

最後に、ヒートポンプが動作しなければならない温度差の関数として、一般に販売されている空気対水ヒートポンプ 33 のデータシートから COP を取得します (図 3 を参照)。ここでも、次のように控えめに推定します。二次多項式34。 私たちは、空気から水へのヒートポンプの COP のみを控えめに保ち、迅速な設置を促進すると考えています。 さらに高い COP 値を持つ、空気から空気へのヒートポンプや水から水へのヒートポンプなどの代替手段も存在します。 COP 値を下げるための感度分析については、補足注記 6 を参照してください。

暖房回路へのさまざまな給水温度に対する、広く販売されている空気から水へのヒートポンプの成績係数 (COP) を、ヒートポンプが動作する温度差 (つまり、給水温度から屋外吸気温度を引いたもの) の関数として示します。気温）33． 太線: 二次多項式 34 を使用した控えめな推定値 (補足注 6 に記載)。

温水については、すべての水を加熱するか、ヒートポンプからの水をより高温に加熱するために浸漬ヒーターまたは瞬間湯沸かし器が使用される可能性があるため、平均 COP は 2.5 であると仮定します。

当社は、配管および暖房事業の状況によってはヒートポンプの設置が制限される可能性があることを認識しています。 ドイツには現在、約 38 万人の従業員を擁する約 50,000 の配管/暖房/空調会社があり、年間約 100 万台の暖房ユニットを設置しています35。 平均すると、これは 1 企業あたり 7.6 人の従業員であり、従業員および年間あたり暖房ユニットはわずか約 3 台です。 多くの企業は、衛生部門（例：バスルームの改修や新しい建物の建設）での仕事を好みます。 全 50,000 社のうち、ヒートポンプを定期的に設置し 35、必要な追加トレーニングを受けている企業は 10 ～ 20% だけです 35。

そこで私たちは、そのようなビジネスの経営者数名に半構造化された定性的なインタビューを実施することで、ボトムアップからシナリオを構築することにしました。 これらの専門家インタビューは代表的であるとは主張しません。 それにもかかわらず、私たちは 2 つの非常に典型的な企業のオーナーからの厳選された重要な声明 (記憶記録) を再現したいと考えています。 両社とも平均的な規模の家族経営で、ライン・マイン大都市圏で 40 年以上にわたり事業を展開しています。 これらは実践者の視点についての重要な洞察を与えます。

ヒートポンプを設置していない所有者 (A) の主な発言:

A1)。 暖房（暖房の種類に関係なく）は現在、衛生分野での注文が少なすぎる場合にのみ配管工にとって魅力的です。

A2)。 従業員が少なすぎます。 労働市場は空っぽで、見習いを見つけるのは困難です。

A3)。 提供されているヒートポンプに関するトレーニングが少なすぎ、トレーニングの質が低いことがよくあります。

A4）。 ヒートポンプは技術的に成熟していないため、メーカーを問わずトラブルを引き起こすことがよくあります。

A5)。 ヒートポンプ設置に関する過小評価されている問題は、給湯が暖房システムに接続されていることが多いことです。

所有者 (B) は、売上高の約 10% をヒートポンプの設置から得ており、その傾向は何年にもわたってゆっくりと増加しています。 従業員の半数はヒートポンプ設置資格を持っています。 所有者 (B) の主な発言は次のとおりです。

B1)。 主な問題は熟練労働者の不足です。

B2)。 提供されているトレーニングコースは退屈で実践とは程遠いものです。

B3)。 出力温度が 70 °C 以上のヒートポンプが確立されれば、物事は迅速に進むでしょう。「そうすれば、際限のない努力と費用をかけずに古い建物にたどり着くことができます。結局のところ、人々は古い建物に住んでおり、古い建物を完全に改修するのです」建物は高価すぎるし、時間がかかりすぎます。」

B4)。 「政治家が家庭にヒートポンプを導入したいのであれば、石油だけでなくガスの暖房費も今よりもさらに高価にしなければならないが、同時に電気の価格にも上限を設けなければならない。そうすればすべてうまくいくだろう。」 [注: このインタビューは、露ウクライナ戦争による価格高騰の後、連邦政府が 2024 年初めに再生可能エネルギーを 65% 未満使用する従来型暖房システムの禁止を発表する前に行われました36]。

B5）。 2030年までにヒートポンプを何台も増やすというのは幻想的で、「私たちには決してそれを管理することはできません。それが可能だと言っている人は『夢のダンサー』です。」

これらの所有者には既得権益があるため、私たちはこれらの声明の両側に経済的に独立した専門家へのインタビューを掲載します37:

E1) 確かにスタッフが不足しています (A2 および B1) が、最近では、ヒートポンプ メーカーが主催する 1 日の実技演習など、トレーニングの機会が大きく求められています (A3 および B2 を参照)。

E2) 収益性について: ここ数か月で状況は完全に変わりました (A1 とは対照的に)。 ヒートポンプの設置を提案している企業には熱心な顧客がおり、現在約 12 か月の待ち時間が発生しています。 しかし、多くの経営者はまだ躊躇しているようです。

E3) テクノロジーについて: ヒートポンプは成熟しています。 初期の問題は、設定が間違っていたり、コンビストレージタンクとの互換性がないことが原因で、少数のケースでのみ発生します。 このテクノロジーには問題があるという、1980 年代の草創期からの時代遅れの意見が広く広まっています（声明 A4 と A5 を視野に入れて）。

E4) 約 350 の既存の建物 (そのうち 100 は非常に古い) を対象とした 15 年にわたる体系的な研究により、ヒートポンプがラジエーターの加熱回路に 55 °C を超える温度を供給する必要はほとんどなく、実質的に 70 °C まで供給する必要はないことが繰り返し証明されました 31 (相対論) B3)。 古い建物の少数では、1 つまたは 2 つのラジエーターをより大きなラジエーターに交換する必要がある場合がありますが、通常は既存のガス暖房とラジエーターの両方が大きすぎます。

これらのナラティブは、以下でシナリオを作成するために使用されます。

住宅に設置されるヒートポンプの数は参考文献によって決定されます。 参照用の 38 1,500 ～ 1,700 万ユニットでは 35。 これは 4,400 万世帯未満です。コスト上の理由から、大型ヒートポンプは通常、アパートの建物ごとに 1 台しか設置されておらず、建物は暖房ネットワークにも接続されており、その一部は大型ヒートポンプによって供給されています。

図 4 は、ドイツ ヒート ポンプ協会 (BWP) のロードマップに基づくヒート ポンプ 在庫の成長を示しており、濃い青で年間約 20% の成長を示しています35。 ガソリン価格の高騰前、ロシア・ウクライナ戦争前に開発された。 しかし、主流となる新しいテクノロジーは、通常、新しいデバイスに切り替えることが経済的に有益であるか、有用性が向上する点に達します39。 この時点から、S カーブ 40 に従ってより速い浸透が引き起こされます。 戦争とそれに関連する政治的決定により、その可能性が高まっています。

非常に早いシナリオでは、配管・暖房会社の経営者からの話、必要な政府の奨励金、専門家向けの訓練攻勢が考慮されています。 高速かつ加速されたシナリオは、これらの制限要因をより低い程度でのみ克服します。 ドイツヒートポンプ協会の設置業者のロードマップ35は、ロシア・ウクライナ戦争が始まる前に作成されました38。 データは補足表S5にリストされています。

マクロレベルでは、世界中で毎年約 1,000 万台のヒートポンプが生産されており、ドイツだけでも今年は生産拡大のために 10 億ユーロを超える投資が行われたため、設置数の急速な増加が可能です41。 物語が示すように、制限要因はミクロレベルの状況です。

インタビューと限られた訓練能力に基づいて、私たちはドイツで年間最大 400 万台のヒートポンプを追加するという非常に早いシナリオを設定しました。これは、以下の理由により実現可能であると考えられます。 説明 (A5 および B3) から、ヒートポンプ 1 台の設置あたり全国平均 4 ～ 6 人日を想定しています42。これは、適切な場所に設置するよりも長く、1 台または 2 台のラジエーターを増設する時間もかかります ( E4)、たとえば、ヒートポンプを温水システムに統合する際の困難を克服するためです (A5)。 400 万台の新しいヒートポンプが導入されるこのような年であっても、ヒートポンプ システムの設置に必要なフルタイム従業員は 38 万人の 4 分の 1 にすぎません。 労働市場が空であるという記述 (A2、B1、および E1) を考慮して、新しい労働者を追加しません。 古い建物（B3、E4）の複雑さに基づいて、給水温度を 60 °C に制限します（図 2）。これは、非常に寒い冬の日がほとんどないことを意味します（補足の図 S8 に示されています）。ヒートポンプはすべての部屋に 20 °C の室温を供給できるわけではありません。

追加のトレーニング (A3、B2、および E1) については、ヒート ポンプが小規模なチームに設置されることを想定しているため、2 人に 1 人の作業員だけが追加のトレーニングを完了するだけで十分です。 このトレーニングは現在 3 ～ 4 日間続き42、参加者はその後実践的な経験を積むことが期待されています。 したがって、この最大シナリオでは、このコースが最初の数年間で合計約 70,000 人の従業員に提供されると想定されます。

これらすべての理由から、非常に速いシナリオは私たちにとってユートピアのようには見えませんが、それには政府、企業、顧客の間の協調的な努力と協力が必要です。 高速かつ加速されたシナリオでは、それに応じて少数の従業員がトレーニングを受け、ヒートポンプの設置に割り当てられる必要があります（詳細については、補足注記 7 を参照）。

100 °C 未満の産業用途については、室内熱と同じ比例シナリオを想定し、はるかに少数のはるかに大型のヒート ポンプが設置されることに注意します。 業界に対する政府の有利なインセンティブの評価は、この文書の範囲を超えています。

図5は、図4の4つのシナリオにおいて、ヒートポンプの設置やガス火力発電所の負荷時間の短縮により再生可能電力に代替されたガスの量を示したものです。その量を総ガス輸入量との関係でプロットしたものです。 2020年のドイツへの輸出額は971TWhでした。 設置業者のシナリオでは、2030 年までに代替されるのはほんの一部にすぎません。2025 年までに化石ガスの約 30% (約 290 TWh または 280 億 m3) の削減を達成する非常に早いシナリオなど、的を絞った取り組みが必要です。 2020年にガスの約50％がロシア連邦から輸入されていることを考慮すると、非常に早いシナリオでは2025年までにこのガスの約60％を節約できる。したがって、的を絞った取り組みにより化石の価格変動と供給リスクが軽減されることが期待できる。ガスを供給すると同時に、ドイツをパリ気候協定の履行に向けて決定的に前進させます。 非常に速いシナリオでは、2025 年までに少なくとも 1 億 8,000 万トンの温室効果ガス排出量が累積的に節約されます (詳細については補足注 8 を参照)。

図 4 の 4 つのシナリオにおける、ドイツへの輸入ガスのうち、一般家庭や化学、製紙、食品加工業界でのヒートポンプの設置を通じて再生可能電力に代替されるモデル化されたガスの割合。背景の列は量を示しています。新しいヒートポンプを設置せずにガスを代替する量（ガス火力発電所の電気を新しく設置した太陽光発電と風力発電を利用することにより）。 2025 年の誤差バーは標準偏差として年ごとの気象変動を示し、2026 年の誤差バーはドイツ国内の局地的な気象変動を示します (補足注 9 を参照)。 これらの変動は比較的小さく、どの年でも同様です。 データは補足表S7にリストされています。

図 6 は、新たに追加された (合計ではない) 再生可能電力がどのように分割されて使用されるかを示しています。 最初の 2 年間は、追加の風力発電と太陽光発電の容量により、ガス火力発電所の負荷時間は主に短縮されます (競争の激しい日々の市場ではむしろ自動的に)。 私たちの時間ごとの解決モデリングは、これは、最初の数年間は太陽が輝いている時間や風が吹いている時間が多いにもかかわらず、送電網の需要を完全にカバーするのに十分な風力発電所と太陽光発電の容量が設置されていないためであることを示しています（補足ノートを参照） 10)。 2024 年と 2025 年には、非常に速いシナリオでヒート ポンプが新たに追加された再生可能電力の 70% を消費します。これは、十分な送電網の拡張を前提としたモデルの限界に明らかに達します。 連邦ネットワーク庁は送電網の拡張を義務付けていますが、2024 年と 2025 年にドイツ国内のあらゆる場所で十分な送電網容量が利用できるとは必ずしも意味しません (方法のセクションを参照)。 後年、再生可能電力の容量は十分に大きいため、風力発電所や太陽光発電の容量を追加設置しても役に立たない状況（風のない夜など）のみガス火力発電所を稼働させる必要がある。 この状況は 2030 年頃に到達し、発電における再生可能エネルギーの年間シェアは約 80%24 となります（補足 11 を参照）。

新たに追加された（総量ではない）再生可能電力は、モデル化された 4 つのシナリオでさまざまな割合で使用されます。ヒートポンプ用、ガス火力発電所の負荷時間の削減用、石炭の段階的廃止やエレクトロモビリティなどのその他の用途です。 。 データは補足表 7 にリストされています。

図 6 はまた、長年にわたって、再生可能エネルギーからの電力が石炭火力発電所の段階的廃止やエレクトロモビリティへの電力供給など、他の目的に利用できるようになることを示しています。

補足注記 12 には、短期的にガスに代わるドイツ特有の再生可能容量の即時追加に関する定量化が含まれています。

再生可能電力容量が設置されている場合、ヒートポンプの設置を加速することは、大部分の建物にラジエーターが設置されたままであり、電力の一部が化石ガス火力発電所によって生成されているとしても、化石ガス消費量を大幅に削減する効果的な戦略オプションとなります。 的を絞った取り組みにより、2020年にロシア連邦からドイツに輸入されるガス量の最大約60％を2025年までに代替することができる（それほど野心的ではないシナリオでは約40％）。 このシナリオでは、ヒートポンプの設置が設置業者にとって確実に有利になるようにするための政府、企業、顧客の協力を含む的を絞った取り組みが想定されており、設置業者への訓練攻勢が開始され、必要な場所で送電網が拡張される。

ここでドイツ向けに作成されたシナリオは、他国の詳細に合わせて調整する必要があるが、化石ガスの価格変動と供給リスクを軽減するための明確で具体的な道筋を提供すると同時に、パリ気候協定の履行に向けた決定的な一歩を踏み出す必要がある。 。

このモデルの目的は、ドイツにおけるヒートポンプによるガスの再生可能電力による代替を時間単位で推定することです。 したがって、私たちは、ヒートポンプ用の再生可能発電を単一の名目上実現するだけの決定論的アプローチを使用します。 このアプローチの限界は以下で批判的に評価されます。

近い将来の発電をモデル化するために、陸上風力発電が 55 GW、洋上風力発電が 6.3 GW、太陽光発電が 54 GW の設備容量が利用可能だった基準年 2020 年を選択します。 2022年から2030年までの年間については、補足図S4に示す陸上および洋上風力発電と太陽光発電の追加計画が含まれています。 この参照アプローチの利点は、システム全体の詳細とドイツ全土の気候データがすべて含まれていることです。

このモデルの選択には、主に次の 3 つの近似が伴います。

まず、ドイツの南部より北部の方が発電量が大きいため、新しい陸上風力発電所の地理的位置が重要です43。 ドイツではエネルギー転換がこれまでに進んでおり、新しい風力発電所が最適な場所で再給電され、より多くの風力が利用されているため、風力発電所の新たな追加が 2020 年のインベントリと同様の地理的分布で行われると想定するのが現実的です。最適ではない場所にも農場がすでに建設されています。 それでもなお、2020 年の陸上風力発電に、将来的に新たに追加される容量に比例する係数を掛けることは、保守的である。なぜなら、新しい風力タービンは通常、大きくて高くなり、2020 年の容量よりも負荷時間が長くなるからである。対照的に、新規風力タービンの地理的分布は、設置された太陽光発電所の数はそれほど重要ではなく、時間当たりの値はドイツ全土で非常によく相関しています (バイエルン アルプスの北斜面を除く)44。

第二に、風力発電、太陽光発電、ガス火力発電以外の発電所による発電量は、将来にわたって変更されません。 それは、図３〜図６のモデリング結果から明らかである。 図５と図６からわかることは、ヒートポンプの運転やガス火力発電所の負荷時間の代替とは別に、新たに追加された太陽光発電と風力発電の多くの部分が他の用途に残されることになるということである。 ドイツの電力の多くはメリットオーダー原則に従って取引されるため、石炭火力発電所は、ヒートポンプに使用される電力やガス火力の代替ではなく、余った電力に置き換えられることになります。 したがって、石炭やその他の電力の発電における将来の変化は、ガス代替の結果にわずかな影響を与えるだけです。 eモビリティの始まりも同様です。

第三に、再生可能エネルギーによる発電量は年々変動しており、太陽光発電よりも風力エネルギーの方がより変動します。 年々の気象変動を定量化するために、2020 年の基準と比較するために 2017 年、2018 年、および 201923 年もモデル化します。 モデル化されたガス消費量は、2020 年の輸入ガス (970 TWh) と比較して標準偏差 1.2% になります。 これはガス輸入量の標準偏差と一致しています16。 わずか 4 年から標準偏差を導き出すため、図 5 の 2025 年の誤差バーで示されているように、保存側になるように係数 2 を掛けます。冬によっては、典型的な大規模気象条件 45 が発生する可能性があります。風力エネルギーも太陽光発電も送電網の需要を十分に満たすことができない暗い無風状態46につながります。 このような典型的な気象パターンでは気温が非常に低いわけではないため、このような期間ではガスの節約はある程度しか減少しません。

このモデルは、新たに追加された再生可能発電能力と新たに追加されたヒートポンプに焦点を当てており、化石発電能力の変化は無視しています。 石炭の段階的廃止は 2030 年までに予定されており、ロシア・ウクライナ戦争により設置される LNG 基地の能力が過剰であるため 14、化石発電能力の減少が再生可能電力の予期せぬ配分につながり、ひいては社会に影響を与える可能性は低い。ここで示した結果。 さらに、このモデルは電力の生成と消費のみを考慮しており、輻輳が発生する可能性のある送電網内の送電の詳細は考慮していません。 これは、すべての新規再生可能電力の 70% がヒートポンプによって使用される 2024 年と 2025 年の非常に早いシナリオでは特に、このモデルの制限です。 補足図S3の負荷曲線は、ヒートポンプが暑い日のエアコンで知られる悪名高い需要の急増を引き起こさないことを示していますが、その理由の一部はボイラー内の熱の貯蔵です。 さらに、ヒートポンプは非常に柔軟に動作できます。 建物は大規模な熱エネルギー貯蔵庫であり、多くの建物にはボイラーがあるため、ヒートポンプは熱需要の数時間前に、たとえば風力発電が利用できることが多く系統負荷が低い夜間などに運転できます。 春と秋47には、ヒートポンプと地域の太陽光発電を組み合わせることで、日中に熱を供給できます。 この柔軟性は、補足図S3の荷重曲線には組み込まれていません。 ヒートポンプが市場価格の安い時間帯に稼働するように運用されると、電力網に大きな負担がかかります。 それでも、ドイツ連邦ネットワーク庁の義務に従って、送電網の拡張48,49と電力貯蔵の組み合わせが必要です。 そして、いかなる場合でも、このモデルは送電網内の再生可能エネルギーの約 80% を超える時点まで、将来にわたって使用されるべきではありません。 割合が高くなると、十分な風や日光がない時間帯に多燃料内燃エンジン/オープンサイクル ガス タービン (ICE/OCGT) プラントのバランス能力を追加する必要があります。 連邦経済・気候保護省の計画によれば24、2030 年には 80% の基準に達する予定です。

ガス消費量の変動を定量化するために、標準負荷プロファイル (SLP) マニュアル 19 の日次シグモイド線形 (sigLin) 負荷プロファイル d を使用します。これは、次のように日次平均温度 Td に依存します。

住宅暖房の場合は、A = 3.1850191、B = –37.4124155 °C、C = 6.1723179、D = 0.0761096 のプロファイル DE_HEF04 を使用します。一方、ガス調理の場合は、A = 0.4040932、B = –24.4392968 のプロファイル DE_HKO03 を使用します。 ℃、C = 6.5718175、D = 0.7107710。 どちらも平日全日です。

気温はドイツ全土で異なるため、最も人口の多い大都市圏におけるドイツ気象局 (DWD)50 の 1 時間ごとの気温データを使用してモデル化しました。補足 10 を参照してください。ハノーバーはこれらのサイトの中央値に最も近く、すべてのデータは次のようにモデル化されました。ハノーバーからの気温データ。 地域の選択による標準偏差 (安全側になるように 2 倍) は、図 5 の 2026 年の誤差バーで表されています。

補足 2 に示すように、時間当たりの負荷プロファイル h は、時間当たりの屋外温度 Th の関数として取得され、1 に正規化されます。

部門 s = {住宅暖房、調理、化学、製紙および食品加工産業} で 2020 年の各時間に消費されるガス Gi,2020 の量は次のとおりです。 Gs,2020 = d(Td) * h(Th) * gs,2020。gs,2020 は、各部門の 2020 年全体のガス消費量の合計が本文に記載されている値と一致するように選択された係数です。 d と h には単位がありませんが、g には単位 TWhg があり、g はガスを表します。

年の代替ガスの将来の量 Gs,year = {2022, 2023 … 2030} を計算するには、Gs,2020 に係数 fyear,scenario を掛けます。これはシナリオ = {設置業者のロードマップ、加速、高速、とても早い}。 図 4 に示す住宅暖房のヒートポンプのシナリオを 100 万単位で使用して、すべてのセクター s で同じになる f を選択することに注意してください。 したがって、f を取得するには、補足表 S5 にリストされているように、係数が 2020 年には 0、1,600 万台のヒートポンプが設置されている場合には 1 になるようにこれらの数値をスケーリングします。 次に、Gs,2020 * fyear,scenario により、置換ガスの量が TWhg で求められます。 必要な電力を TWh、Gs、2020 * f 年で計算するには、シナリオを (瞬間的な) COP で割ります。 プライベート空間暖房の場合、Gs,2020 * fyear,scenario は、図 3 に示す 2 次多項式で除算されます。これは、5.4 – 0.013 * (Theat − Th) − 0.00062 * (Theat − Th)2 です。 さまざまな建築効率クラス A ～ G における暖房水の温度（Th の関数として）のパラメータ化を図 2 に示し、補足表 S4 にリストします。

ヒートポンプに必要なこれらすべての TWhe 値の 1 時間あたりの合計 H は、補足図 S4 に従って計算された追加の PV および風力発電と比較されます。具体的には、2020 年の 1 時間あたりの PV および風力発電の値に補足で指定された係数を乗算することによって計算されます。表S1。 H が追加の再生可能電力 R より大きい場合、本文で説明されているように、この追加需要を満たすためにガス火力発電所で使用されるガスの量 Gpp は、これらの発電所の効率を 50% として計算されます。 : Gpp = (H − R)/0.5。 この場合、ヒートポンプで置換されたガスから Gpp が差し引かれ、正味の量が図 6 で「ヒートポンプに使用された」とマークされます。H が R より小さい場合、Gpp は負になります。これは、少なくとも一部がヒートポンプに使用されたことを意味します。の R は、ガス火力発電所の出力を削減することでガスを代替します。 その量は、図 6 では「ガス発電所の負荷時間の削減」としてラベル付けされています。ガス火力発電所の出力の削減に使用できる量よりも多くの R が利用可能な場合、この残りの電力は「その他の用途」としてラベル付けされます。図5では「ヒートポンプへの利用」と「ガス発電所の負荷時間削減」の合計を示しています。 最後に、図 5 の「ヒートポンプなし」とラベル付けされた列は、H = 0 での計算です。モデリング結果は表 S7 にリストされています。

投資額や価格は計算しません。 ただし、暖房回路にわずかな変更を加えるだけでヒートポンプの設置にモデルを限定することで、民間投資は最小限に抑えられます。

すべての入力および出力データは、本文と補足のいずれかに記載されています。 さらに、https://doi.org/10.5281/zenodo.7559161 から Excel ファイルとして入手できます。 方程式は「方法」セクションと補足に記載されています。 2017 年から 2020 年までのドイツの電力システムのデータは、参考文献から著者が利用できるようになりました。 23 は非営利目的で使用できますが、一般には公開されていません (これらのデータは https://www.agora-energiewende.de でリクエストしてください)。

2017 年から 2020 年までのドイツの電力システムのデータは公開されていないため、元のコードを公開することはできませんが、「方法」セクションと補足に記載されている式が含まれています。

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私たちは、ドイツの電力網からのデータを惜しみなく提供してくれた Agora Energiewende チームに感謝します。 ヒートポンプ設置に関するデータを惜しみなく提供していただいたドイツヒートポンプ協会と、ヒートポンプのCOP性能に関するデータを提供してくださったドレスデン応用科学大学のハイコ・ヴェルディン教授に感謝いたします。 この論文の弱点を改善してくれた 3 人の査読者に感謝します。

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ピエトロ・P・アルターマット、イェンス・クラウゼン、ハイコ・ブレンデル、クリスチャン・ブライヤー、クリストフ・ゲルハルツ、クラウディア・ケンフェルト＆アーバン・ウェーバー

グローバル太陽光発電シミュレーション グループ、ジュネーブ 1、スイス

ピエトロ・P・アルテルマット

ボーダーステップイノベーションと持続可能性研究所、ベルリン、ドイツ

イェンス・クラウセン

テュービンゲン大学、ゲシュヴィスター ショルプラッツ、テュービンゲン、ドイツ

ハイコ・ブレンデル

LUT大学、ラッペーンランタ、フィンランド

クリスチャン・ブライヤー

ドイツ経済研究所 (DIW) ベルリン、ベルリン、ドイツ

クラウディア・ケンフェルト

ビンゲン応用科学大学、ビンゲン・アム・ライン、ドイツ

アーバン・ウェーバー

オックスフォード大学材料学部、オックスフォード、英国

マシュー・ライト

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PPA はモデルを開発し、計算を実行しました。 JC は、熱転移と技術導入に関する専門知識を提供して貢献しました。 HB はインタビューを実施し、社会科学と一般的な定量的研究の専門知識を提供しました。 CB はエネルギー転換における専門知識を活かしてモデル開発に貢献しました。 CK はガス システムに関する専門知識を活かして貢献しました。 UW と CG は、エネルギー システムと建物に関する専門知識を活かして貢献しました。 MW は概念化を支援し、モデルを検証しました。 論文の最初の草稿は PPA によって書かれ、他のすべての著者が専門知識を活かしたセクションを追加しました。

ピエトロ P. アルターマットへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Communications Earth & Environmental は、この研究の査読に貢献してくれた Richard Lowes、Manfred Fischedick、Brage Rugstad Knudsen に感謝します。 主な取り扱い編集者: Alessandro Rubino と Joe Aslin。 査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Altermatt、PP、Clausen、J.、Brendel、H. 他。 ガスボイラーをヒートポンプに置き換えることは、ドイツのガス消費量を削減する最も早い方法です。 Commun Earth Environ 4, 56 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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受信日: 2022 年 6 月 14 日

受理日: 2023 年 2 月 15 日

公開日: 2023 年 3 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00715-7

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