[論文レビュー] Distributed photovoltaics provides key benefits for a highly renewable European energy system

Parisa Rahdan, Elisabeth Zeyen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Smart Grid Energy ManagementEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、181の空間ノードと2時間の時間分解能を有する高再エネ欧州エネルギーシステムをモデル化し、分散型太陽光発電（PV）の統合が、ピーク需要の低減と配電グリッド容量要件の低下に起因して、シナリオ全体で1.4–3.7%の総システムコスト削減を実現することを示している。分散型PVは自己充足性を高め、ヒートポンプや電気自動車用バッテリーなどのセクター連携技術と相乗効果をもたらす。

ABSTRACT

Distributed solar photovoltaic (PV) systems are projected to be a key contributor to future energy landscape, but are often poorly represented in energy models due to their distributed nature. They have higher costs compared to utility PV, but offer additional advantages, e.g., in terms of social acceptance. Here, we model the European power network with a high spatial resolution of 181 nodes and a 2-hourly temporal resolution. We use a simplified model of distribution and transmission networks that allows the representation of power distribution losses and differentiates between utility and distributed generation and storage. Three scenarios, including a sector-coupled scenario with heating, transport, and industry are investigated. The results show that incorporating distributed solar PV leads to total system cost reduction in all scenarios (1.4% for power sector, 1.9-3.7% for sector-coupled). The achieved cost reductions primarily stem from demand peak reduction and lower distribution capacity requirements because of self-consumption from distributed solar. This also enhances self-sufficiency for countries. The role of distributed PV is noteworthy in the sector-coupled scenario and is helped by other distributed technologies including heat pumps and electric vehicle batteries.

研究の動機と目的

• 高再エネ欧州エネルギーシステムにおける分散型太陽光発電（PV）のコスト、グリッド要件、自己充足性への影響を評価すること。
• 空間的に分散している性質と単位あたりのコストが高いため、マクロエネルギーシステムモデルにおいて分散型PVが過小評価されている問題に対処すること。
• 分散型PVが、暖房、輸送、産業を含むセクター連携システムとどのように相互作用し、支援するかを評価すること。
• 局所的発電と自己消費を通じて、配電グリッドの混雑と送電損失を低減する分散型PVの役割を定量化すること。
• ヒートポンプや家庭用バッテリーなどの他の分散型技術と、分散型PVがどのように連携し、分散型でレジリエントなエネルギーシステムを実現するかを探索すること。

提案手法

• 本研究は、181の空間ノードと2時間の時間分解能を有する高解像度エネルギーシステムモデルを用いて、ヨーロッパ電力網を表現する。
• 配電網と送電網の簡略化された表現を用い、大規模発電と分散型発電・貯蔵を区別し、配電損失を考慮する。
• 3つのシナリオをモデル化する：電力のみのシナリオと、暖房・輸送・産業を統合する2つのセクター連携シナリオ。
• 全技術の詳細なコストおよび性能パrameterを組み込み、コスト最小化の下で技術導入とシステム運用を最適化する。
• 主な技術的入力として、空間的に解像度の高い日射量、負荷プロファイル、グリッドインfraストラクチャコストを用い、逆方向潮流と電圧制約を明示的にモデル化する。
• 分散型PVの利点を評価するために、システム全体のコスト、自己消費率、国別自己充足水準を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型太陽光発電（PV）の導入が、高再エネ欧州エネルギーシステムにおける総システムコストにどのように影響を与えるか？
• RQ2 大規模発電用PVのみと比較して、分散型PVは需要ピークと配電グリッド容量要件をどの程度低減するか？
• RQ3 セクター連携エネルギーシステムにおいて、分散型PVが国別自己充足性とシステムレジリエンスに果たす貢献は何か？
• RQ4 ヒートポンプや電気自動車用バッテリーなどの分散型技術と、分散型PVがどのように連携し、システム効率とコスト削減を促進するか？
• RQ5 都市部と農村部の配電ネットワークにおいて、より高い分散型PV導入とグリッド統合コストのトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 分散型PVの統合により、電力のみのシナリオでは総システムコストが1.4%削減され、セクター連携シナリオでは1.9–3.7%削減される。
• 主なコスト削減要因は、局所的自己消費に起因する需要ピークの低減と、それに伴う配電グリッド容量要件の低減である。
• 分散型PVは、特に屋根部材の太陽光発電可能性が高く、地域需要が強い国々において、国家レベルの自己充足性を顕著に向上させる。
• セクター連携シナリオでは、分散型PVがヒートポンプや電気自動車用バッテリーと相乗効果をもたらし、全体のシステム効率を向上させ、グリッドへのストレスを軽減する。
• 大規模発電用PVよりも単位あたりのコストが高いため、分散型PVの導入はコスト面で不利に思えるが、グリッド拡張および運用コストの回避により、システム全体のコスト削減が達成される。
• モデルは、局所的発電に起因して配電グリッド損失が低減され、逆方向潮流がモデル化された制約内ですみやかに管理されていることを示している。