再生可能エネルギーに基づく電力および燃料システムへの移行は困難です。太陽エネルギーと風力エネルギー、バイオマスと廃棄物を最大限に活用する生産システムを作成し、水の使用に責任を負うには、技術、その代替手段、およびそれらの限界の体系的な評価が必要です。
過去 30 年以上にわたり、バイオ燃料と再生可能エネルギーの生産のために多くの技術が開発されてきました。バイオマス処理技術の中で、第一世代のバイオ燃料は、食品と燃料の競争により敬遠されています。したがって、最も一般的なプロセスは、リグノセルロース系バイオマスを使用して、生化学的経路または熱経路を介してバイオエタノールを生成します。さらに、合成燃料や、メタノールや水素などの中間化学物質も、バイオマスからの熱経路に従って生成できます。
一方、太陽光と風力は、エネルギーミックスにおけるシェアを増やしています。太陽光については、集光型太陽光発電技術 (CSP) または太陽光発電 (PV) が、太陽光を電力に変換するために最も一般的に使用されています。風は風力タービンで使用されます。ただし、再生可能電力の供給と電力需要のミスマッチにより、新しい技術の展開に課題が生じます。
そのエネルギーをメタンやメタノールなどの化学物質または燃料の形で貯蔵する可能性は、現在のバッテリー容量の制限のため、興味深い代替手段です。これらのプロセスでは、電気分解と CO2 を介して再生可能エネルギーから水素が生成されます。 キャプチャされ、合成に再利用されます。さらに、太陽エネルギーを利用して、バイオディーゼル生産用の藻類を育てることができます。ただし、再生可能にするためには、必要なアルコールであるメタノールも持続可能な資源から入手する必要があります。電解メタノールまたはバイオマスベースのメタノールの両方を使用できます。最後に、水力発電は、さらに使用するために水をダムに汲み上げることで余剰電力を貯蔵できるもう 1 つの技術です。このような技術システムの運用には、システム内で生成されなければならない電力および/または熱エネルギーも必要です。
これまでのところ、上記の各プロセスは個別に研究されてきました。特に、バイオ燃料と電力技術は、さまざまなコミュニティによって研究されてきました。電気技術者は発電に精通していますが、バイオ燃料は化学および生物工学者の領域にありました。その結果、電力と化学品の供給ネットワークの開発は 2 つの別のエンティティとして評価され、電力を処理する際の課題は適切に対処されていません。自然がバイオマスの形で行うのと同じように、化学物質の形で電力を貯蔵できる可能性は、大きな助けになる可能性があります。あるいは、余分な電力を使って水をくみ上げることもできます。これらの原則とプロセスの統合に基づいて、需要を満たすのに役立つ第 2 のリソースを使用するための第 1 段階として、太陽エネルギーまたは風力エネルギーの変動性を緩和するために、さまざまなリソースが最近ハイブリッド プロセスに統合されています。
この作品の背後にある考え方は、全体論的な見方をすることです。私たちは、1 つまたは 2 つの技術を統合することを目指しているのではなく、地域または国全体の電力と燃料の需要を満たすために、再生可能エネルギーに基づく技術の最適な統合を決定することを目指しています。数学的最適化技術により、研究者は、特定の割り当ての天然資源を電力と燃料に変換する技術を体系的に選択できます。このアプローチは、住宅地、工業団地、郡、州、または国全体など、さまざまな規模で適用できます。
経済的、環境的、社会的問題は、使用するリソースとそれらを変換する技術を選択するための意思決定基準として使用できます。スペインの州、地域、半島地域の一連の例を使用しましたが、提案されたモデリング フレームワークは柔軟で一般的であるため、他のケースにも適用できます。追加の技術を評価することもできます。また、技術の将来の開発がそのコストに与える影響も評価できます
得られた興味深い結果は、リソースの効率的な使用に関連しています。特定の地域の電力と燃料の需要を満たす必要がある場合、変換技術の選択は、地域の入手可能性とコストに依存します。ただし、リソースの使用効率は最高ではない場合があります。たとえば、風速が十分に高くなくても、他に再生可能な資源がない場合でも、この資源は引き続き使用されます。ただし、発電コストは高くなります。より広い領域が分析に含まれると、天然資源を使用する技術の選択が変わります。
各地域のリソースがより効果的に利用され、それらの間で交換されるように、より大きな地域を考慮すると、より効率的なソリューションが実現されます。したがって、統合に向けた努力は環境にとってプラスです。もう 1 つの興味深い事実は、太陽光と風力の利用可能性の不確実性に関連する追加コストです。需要を確実に満たすには、リソースの可用性が予想を下回った場合に備えてバックアップ テクノロジが必要になるため、より大きな投資が必要になります。最後に、この研究のもう 1 つの利点は、政策を評価する能力であり、さまざまな地域をより効果的に発展させることに関連するものを含め、社会問題が考慮されたより現実的な結果を提供します。
これらの調査結果は、燃料と電力生産のための再生可能ベースのプロセスの最適な統合というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、サラマンカ大学の Mariano Martín とカーネギー メロン大学の Ignacio E. Grossmann によって行われました。
