[論文レビュー] Climate change impacts on large-scale electricity system design decisions for the 21st Century

Smail Kozarcanin, Hailiang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2018

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 34被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、4つのIPCC CO2経路（RCP2.6–8.5）の下で、6つの高分解能地域気候モデルを用いて、気候変動がヨーロッパの大型電力システム設計に与える影響を調査している。気候変動は、年間気象変動や設計選択に比べて、発電量、需要、貯蔵需要といった主要なシステム指標にほとんど影響を及ぼさないことが判明した。これは、気候変動が進んでも、歴史的気象データが将来的なシステム計画に依然として頑健に有効であることを示唆している。

ABSTRACT

Efforts to reduce climate change, but also falling prices and significant technology developments currently drive an increased weather-dependent electricity production from renewable electricity sources. In light of the changing climate, it is highly relevant to investigate the extent of weather changes that directly impacts the best system design decisions for these weather-dependent technologies. Here, we use three IPCC representative CO2 concentrations pathways for the period 2006--2100 with six high-resolution climate experiments for the European domain. Climate elements are used to calculate bias adjusted 3-hourly time series of wind and solar generation, and temperature corrected demand time series for 30 European countries using state-of-the-art methodology. Weather-driven electricity system analysis methodology is then applied to compare four key metrics of highly renewable electricity systems. We find that climate change does not have a discernible impact on the key metrics of the combined electricity system dynamics, and conclude that the effect on important system design parameters can likely be ignored.

研究の動機と目的

• 気候変動がヨーロッパの高再生可能エネルギー電力システムの設計および性能に与える影響を評価すること。
• 変化する気象パターンが、30か国の風力および太陽光発電および電力需要に与える影響を評価すること。
• 気候変動が、貯蔵需要、送電線要件、再生可能エネルギー構成最適化といった主要なシステム指標を顕著に変化させるかどうかを特定すること。
• システム計画における気候変動の影響を、年間気象変動および設計選択と比較すること。
• 将来の電力システム設計において、変動型再生可能エネルギー源（VRES）への気候変動の影響を考慮する必要があるかどうかを評価すること。

提案手法

• 2006–2100年の期間、4つのRCPシナリオ（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）の下で、グローバル気候モデルによって駆動される6つの高分解能地域気候モデル（RCMs）を用いた。
• 歴史的気象データを基準として、3時間ごとの風力および太陽光発電時系列データに対してバイアス補正を実施した。
• 気温依存の需要モデルを用いて、気候に起因する暖房および冷房需要の変化を反映させるために、電力需要時系列を補正した。
• 天候駆動型電力システム分析フレームワークを用いて、30か国のヨーロッパにおける電力システムのパフォーマンスをシミュレートした。
• 異なる気候シナリオ下で、年間発電量、変動性、貯蔵需要、送電線要件の4つの主要なシステム指標を評価した。
• RCMおよびRCP間での結果を比較し、研究の整合性および結果の頑健性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるRCPシナリオ下での予測される気候変化が、ヨーロッパにおける風力および太陽光発電の可能性にどのように影響するか？
• RQ2 気候変動は、ヨーロッパの地域ごとに、特に暖房および冷房需要にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 気候に起因する再生可能エネルギー発電および需要の変化が、システム設計意思決定に与える影響は、年間気象変動と比べてどの程度か？
• RQ4 高再生可能エネルギー電力システムにおける気候変動の影響は、貯蔵需要および送電線要件といった主要なシステム指標にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 VRES性能に及ぼす気候変動の影響が、将来的な電力システム設計における気候調整計画を必要とするほど顕著であるか？

主な発見

• 気候変動は、高再生可能エネルギー電力システムの主要なシステム指標にほとんど影響を及ぼさない。風力および太陽光発電性能の変化は、年間気象変動に比べて小さい。
• 高い排出シナリオ（RCP8.5）では、平均的な風力および太陽光発電量はわずかに減少し、変動性は増加するが、これらは電力需要の変化に比べて上回らない。
• 気温上昇により、北ヨーロッパの冬の暖房需要が減少し、全体の電力需要が低下する。これは、再生可能エネルギー出力の低下を相殺し、場合によっては追加の調停可能容量の必要性を逆転させる。
• 気候変動がシステム設計パrameterに与える影響は、送電線拡張や風力・太陽光の混合最適化といった設計選択による差異よりも小さい。
• 歴史的気象データに基づくシステム設計意思決定は、VRES性能への気候変動の影響をほとんど受けることなく、依然として頑健である。
• 気候変動に起因する電力需要の変化、特に暖房および冷房需要のシフトは、特にセクター連携シナリオ下で、最適な発電所構成に間接的に影響を与える可能性がある。