[論文レビュー] A renewable power system for an off-grid sustainable telescope fueled by solar power, batteries and green hydrogen

Isabelle Viole, Guillermo Valenzuela-Venegas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、オフグリッドのアタカマ大型アパーチャー準ミリ波望遠鏡（AtLAST）のための再生可能エネルギー電源システムを提案する。太陽光発電、バッテリー、グリーン水素貯蔵、燃料電池を統合し、ディーゼル発電機に代わるものである。最適化されたシステムは、発電コストの均等化コスト（LCOE）を116ドル/MWhに達し、ディーゼルのみのベースラインと比較して、望遠鏡の炭素フットプリントを95％削減する。これは、遠隔地の天文学施設に向けた実現可能で低炭素のモデルを示している。

ABSTRACT

A large portion of astronomy's carbon footprint stems from fossil fuels supplying the power demand of astronomical observatories. Here, we explore various isolated low-carbon power system setups for the newly planned Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope, and compare them to a business-as-usual diesel power generated system. Technologies included in the designed systems are photovoltaics, concentrated solar power, diesel generators, batteries, and hydrogen storage. We adapt the electricity system optimization model highRES to this case study and feed it with the telescope's projected energy demand, cost assumptions for the year 2030 and site-specific capacity factors. Our results show that the lowest-cost system with LCOEs of $116/MWh majorly uses photovoltaics paired with batteries and fuel cells running on imported and on-site produced green hydrogen. Some diesel generators run for backup. This solution would reduce the telescope's power-side carbon footprint by 95% compared to the business-as-usual case.

研究の動機と目的

• アタカマ大型アパーチャー準ミリ波望遠鏡（AtLAST）の低炭素でオフグリッドの電源システムを設計し、化石燃料依存を排除すること。
• 高高度で遠隔地の環境下における、太陽光発電、集中型太陽光発電、バッテリー、グリーン水素、ディーゼルバックアップの間の技術的経済的トレードオフを評価すること。
• 技術学習率とシステムの集中化がコストと排出ガスに与える影響を評価すること。
• 遠隔科学的インfraストラクチャ向けにスケーラブルでオープンソースの持続可能な電源システムモデルを提供すること。

提案手法

• 高精度なエネルギー最適化モデル（highRES）を改変し、AtLASTの独自のエネルギー需要プロファイルに適合する100以上のハイブリッド電源システム構成をシミュレート・比較した。
• 高精度な時間分解の日射量データ（ERA5）と現地に特化した容量係数を用い、高高度での性能低下を反映するための高度依存補正を適用した。
• 30年間のライフタイムにわたる最小の発電コストの均等化コスト（LCOE）を最適化し、初期投資（CAPEX）、運用保守費（OPEX）、技術学習率を組み込んだ。
• 余剰の太陽光発電を用いてアルカリ型およびPEM電解槽でグリーン水素を生成し、圧縮ガス（CG）タンクに貯蔵し、後続で燃料電池で利用する。
• バッテリー貯蔵と水素ベースのハイブリッドエネルギー貯蔵を比較し、システムのレジリエンスとコスト効率を評価した。
• 部品コスト、技術学習率、システムの集中化に関する感度分析を実施し、システムの頑健性とスケーラビリティを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 季節的ではあるが安定したエネルギー需要を示す大型で高高度の望遠鏡に対して、最もコスト効率の良いオフグリッド再生可能電源システムの構成は何か？
• RQ2 100％再生可能電源システムとディーゼルバックアップを含むシステムとの間で、コストと排出ガスはどのように変化するのか？信頼性とLCOEのトレードオフは何か？
• RQ3 グリーン水素とバッテリー貯蔵は、単一貯蔵ソリューションと比較して、どれほど過剰発電を低減し、システム安定性を向上させられるか？
• RQ4 技術学習率とシャンタナトル台地に複数の望遠鏡を統合する集中型インfraストラクチャが、システム経済と排出ガスに与える影響は何か？
• RQ5 高高度の環境がシステム性能に与える影響は何か？また、補正係数が最適な技術ミックスにどのように影響するか？

主な発見

• 最小コストのシステムは、太陽光発電、バッテリー、燃料電池によるグリーン水素を組み合わせ、ディーゼルバックアップを最小限に抑え、LCOEを116ドル/MWhに達成した。
• この最適化されたシステムは、ディーゼルのみのビジネス・アス・ユアブル（BAU）シナリオと比較して、望遠鏡の電源側炭素フットプリントを95％削減した。
• バッテリーのみまたは水素貯蔵のみのシステムは、LCOEが1～12％高くなる結果となり、ハイブリッド貯蔵がより優れたコスト効率を示した。
• 太陽光発電ベースのシステムは、ディーゼルのみの運用と比較して、発電コストを31～42％削減し、排出ガスを40～100％削減した。
• 現場でのグリーン水素生産の導入により、さらなる持続可能性が実現され、最適化された構成では1,048.7 kgのH2が圧縮ガスタンクに貯蔵された。
• シャンタナトル台地に複数の望遠鏡を統合する集中型電源システムは、保守コストとケーブルコストを顕著に削減でき、経済的実現可能性を向上させる。