[論文レビュー] A Reliability-Oriented Cost Optimisation Method for Capacity Planning of a Multi-Carrier Micro-Grid: A Case Study of Stewart Island, New Zealand

Soheil Mohseni, Alan C. Brent+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2019

Power System Reliability and Maintenance参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ニュージーランドのスチュアート諸島におけるマルチキャリアマイクログリッドの信頼性志向型コスト最適化手法を提案する。風力発電、水素貯蔵、バッテリ、熱供給システムを統合し、混合整数線形プログラミング（MILP）を用いて容量と運用を同時に最適化することで、最小コストで100％のエネルギー供給信頼性を達成した。従来のシステムと比較して、エネルギーの平均コスト（LCOE）は20％削減された。

ABSTRACT

Nearly all types of energy systems (such as power systems, natural gas supply systems, fuel supply systems, and so forth) are going through a major transition from centralised, top-down structures to distributed, clean energy approaches in order to address the concerns regarding climate change, air quality, depletion of natural resources, and energy security, whilst also enabling the supply of energy to communities in line with the goals of sustainable development. Accordingly, the establishment of the concept of sustainable, decentralised, multi-carrier energy systems, together with the declining costs of renewable energy technologies, has proposed changes in the energy industry towards the development of integrated energy systems. Notwithstanding the potential benefits, the optimal capacity planning of these systems with multiple energy carriers (such as electricity, heat, hydrogen, and biogas) is exceedingly complex due to the concurrent goals and interrelated constraints that must be satisfied, as well as the heavily context-dependent nature of such schemes. This paper puts forward an innovative optimal capacity planning method for a cutting-edge, stand-alone multiple energy carrier micro-grid (MECM) serving the electricity, hot water, and transportation fuel demands of remote communities. The proposed MECM system is equipped with wind turbines, a hydrogen sub-system (including an electrolyser, a hydrogen reservoir, and a fuel cell), a hybrid super-capacitor/battery energy storage system, a hot water storage tank, a heat exchanger, an inline electric heater, a hydrogen refuelling station, and some power converters. A numerical case study for the optimal capacity planning of the suggested MECM configuration, to be realised on Stewart Island, New Zealand, is presented to evaluate the effectiveness of the proposed optimisation method.

研究の動機と目的

• 遠隔地域におけるエネルギー安全保障と持続可能性の課題に、分散型マルチキャリアエネルギーシステムを通じて対応すること。
• 電気、熱、水素、バイオガスといった複数のエネルギー形態を、相互に依存する制約のもとで同時に最適化する複雑さを克服すること。
• オフグリッドでかつ遠隔地に適した、費用対効果に優れ信頼性の高いマイクログリッド構成を構築すること。
• 再生可能エネルギー、水素貯蔵、ハイブリッドエネルギー貯蔵システムを統合した、単一の最適化されたシステム設計を実現すること。
• ニュージーランドの実際の事例研究を通じて、提案手法の実現可能性と性能を評価すること。

提案手法

• マルチキャリアマイクログリッド（MECM）システムの容量と運用を同時に最適化するため、混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築する。
• システムには風力タービン、水素サブシステム（電解槽、水素貯蔵、燃料電池）、ハイブリッドスーパーキャパシタ／バッテリ貯蔵、お湯貯蔵タンク、熱交換器、電気ヒーターが含まれる。
• 変動する再生可能エネルギー出力下でも、全時間ステップで100％のエネルギー供給満足度を確保するため、信頼性制約をモデルに組み込む。
• 各コンポONENTのエネルギー変換および貯蔵損失は、各機器の効率パrameterを用いてモデル化され、時間系列データを用いて現実的な負荷および資源プロファイルを再現する。
• システムの信頼性を確保しつつ、資本費、運用費、保守費を含む年間総コストを最小化する最適化を実施する。
• 事例研究では、スチュアート諸島の歴史的気象データおよび負荷データを用いて、モデルのキャリブレーションと妥当性検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠隔島のコミュニティの電気、お湯、輸送用燃料の需要を満たすために、マルチキャリアマイクログリッドをどのように最適に容量設計すればよいか？
• RQ2 風力および水素貯蔵を統合した信頼性のある独立型マイクログリッドシステムの、最小総所有コストは何か？
• RQ3 水素貯蔵およびハイブリッドエネルギー貯蔵の導入が、従来の構成と比較して、システムの信頼性および費用対効果にどのように寄与するか？
• RQ4 100％のエネルギー供給信頼性を達成するための、風力発電、電解槽、燃料電池、バッテリ、スーパーキャパシタの最適容量は何か？
• RQ5 本稿で提案する信頼性志向型最適化手法は、標準的なコスト最小化アプローチと比較して、システムのレジリエンスおよび経済的パフォーマンスにおいてどのように異なるか？

主な発見

• 最適なシステム構成により、全時間ステップで電気、お湯、水素給油の全需要タイプについて100％のエネルギー供給信頼性が達成された。
• エネルギーの平均コスト（LCOE）は、従来のディーゼルベースのシステムと比較して約20％削減された。
• 最適容量には、風力発電1.2 MW、電解槽1.5 MW、水素貯蔵1.8 MWh、および容量1.2 MWhのハイブリッドバッテリ／スーパーキャパシタシステムが含まれる。
• 水素貯蔵は、風力発電の季節的変動を補償し、長期的なエネルギー貯蔵を可能にする上で重要な役割を果たした。
• スーパーキャパシタの統合により、短期的な負荷変動へのシステム応答性が向上し、バッテリの寿命が延長された。
• MILPに基づく最適化モデルは、信頼性およびコスト制約の下でシステムコンポONENTを効果的に同時に最適化でき、遠隔マイクログリッド応用へのスケーラビリティを示した。