[論文レビュー] A 2030 United States Macro Grid Unlocking Geographical Diversity to Accomplish Clean Energy Goals

Yixing Xu, Daniel H. Olsen+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、風力および太陽光の地理的多様性を活用するため、交流（AC）および高圧直流（HVDC）送電を組み合わせた全米規模の送電網拡張を提案し、費用対効果の高い脱炭素化を実現する。モデル化された2030年のマクログリッドでは、現在の計画と比較して送電コストを50%削減、システムコストを30%削減しつつ、80%のクリーン電力を達成できることを示している。

ABSTRACT

Some U.S. states have set clean energy goals and targets in an effort to decarbonize their electricity sectors. There are many reasons for such goals and targets, including the increasingly apparent effects of climate change. A handful of states (Washington, California, New York, and Virginia) are aiming for deep decarbonization by 2050 or earlier, a mere 30 years or less from today. The urgency of substantial carbon emissions reduction (50% or more by 2030) needed to avoid catastrophic climate impacts requires even more ambitious efforts than some of the original targets (e.g., a 30% renewable portfolio standard) set for between now and 2030. With the cost of solar and wind energy falling faster than expected in recent years, economics are also driving rapid expansion of clean energy investments. With this in mind, this report examines combinations of interregional AC and High-Voltage DC (HVDC) transmission upgrades and additions to evaluate the benefits of large-scale transmission expansion.

研究の動機と目的

• 2030年までに米国の野心的なクリーンエネルギー目標を達成するための、大規模な送電網拡張の役割を評価すること。
• 風力および太陽光の地理的多様性が、システムコストを低減し、グリッドの信頼性を向上させる仕組みを評価すること。
• 交流（AC）および高圧直流（HVDC）相互接続を含む、さまざまな送電網アップグレードシナリオの経済的・技術的パフォーマンスを比較すること。
• 高い再生可能エネルギー導入率を実現しつつ、信頼性および脱炭素化目標を満たすコスト効率の良い送電網投資を同定すること。
• 協働的で全国規模の送電戦略の利点を数量的に評価することで、政策立案を支援すること。

提案手法

• 時間的・空間的分解能の高い生産コストモデルを用いて、米国電力システムの運用をシミュレートする。
• すべてのバランス・オーソリティ領域にわたる、詳細な送電ネットワークのアップグレード（交流（AC）および高圧直流（HVDC）線路を含む）を統合する。
• クリーンエネルギー目標の下で、発電および送電意思決定を最適化するためのユニットコミットメントと経済的ディスpatchフレームワークを用いる。
• 地域ごとの再生可能エネルギー資源の可用性および負荷パターンの差を活用して、国境を越えた電力送受電をモデル化する。
• 複数の送電網拡張シナリオを評価し、特に国境間送電能力を最大化する「マクログリッド」構成を含む。
• 太陽光、風力、送電インfraのコストデータを適用し、システムレベルのLCOE（発電コストの平準化）および投資要件を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2030年までに80%のクリーン電力を達成するには、交流（AC）および高圧直流（HVDC）送電のアップグレードをどのように最適化すればよいか？
• RQ2 風力および太陽光の地理的多様性は、システムコストおよび送電投資ニーズをどのように低減するか？
• RQ3 地域的または段階的送電計画と比較して、全国マクログリッドのコストおよび信頼性上の利点は何か？
• RQ4 さまざまな送電網拡張シナリオは、電力の平準化コストおよび二酸化炭素排出量にどのように影響するか？
• RQ5 協働的な送電網拡張は、発電の損失をどの程度低減し、再生可能エネルギーの活用効率を向上させられるか？

主な発見

• 交流（AC）および高圧直流（HVDC）送電を拡大した全国マクログリッドは、現在の地域別計画手法と比較して、総システムコストを30%削減する。
• マクログリッドのシナリオでは、段階的拡張計画と比較して、1MWhあたりの送電投資を50%削減しつつ、2030年までに80%のクリーン電力を達成できる。
• 地理的多様性のおかげで、地域限定の導入と比較して再生可能エネルギーの損失を60%削減でき、資源の活用効率が向上する。
• 長距離の国境間送電においては、高圧直流（HVDC）線路が不可欠であり、特に風力資源が豊富なプレインズ地域や南西部から需要中心地への送電に有効である。
• マクログリッド構成により、安定したバックアップ容量の必要性が低下し、天然ガスや炭素排出が顕著なピーク負荷発電所への依存度が低下する。
• 本研究では、太陽光および風力のコスト低下が著しい中でも、送電網の拡張が、2030年の野心的な脱炭素化目標を達成する鍵であることを示している。