[論文レビュー] Evaluation of Energy- and Capacity-Market Revenues from Lithium-ion Battery Systems for Offshore Wind Using Advanced Battery Models

Mehdi Jafarı, Audun Botterud+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2020

Advanced Battery Technologies Research参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、劣化および動的性能を捉える高度なバッテリーモデルを用いて、ニューヨークの電力市場における洋上風力発電とリチウイオン電池システムを併用した際の収益可能性を評価している。結果として、陸上に設置されたバッテリーシステムがより高い収益を上げることが判明し、劣化を無視すると最大155％の収益過大評価が生じる。最適化されたディスpatchにより、純収益は29％増加し、バッテリーコストの損益分岐点は1kWhあたり50～95ドルの範囲である。

ABSTRACT

Revenue potential from offshore wind and energy storage systems for a Long Island node in the New York ISO (NYISO) is examined using advanced lithium-ion battery representations. These advanced mixed-integer-linear battery models account for the dynamic performance, as well as the degradation behavior of the batteries, which are usually not accounted for in power systems models. Multiple hybrid offshore wind and battery system designs are investigated to examine the impact of locating the battery offshore versus locating it onshore. For the examined systems, we explore different battery usable state-of-charge (SOC) windows, and corresponding dispatch of the battery to maximize energy- and capacity-market revenues. The impacts of variability of offshore wind output along with energy- and capacity-market prices are evaluated using publicly available data from 2010 to 2013. Locating the battery onshore resulted in higher revenues. For 2013, results highlight that without accurate battery representations, models can overestimate battery revenues by up to 155%, resulting primarily from degradation-related costs. Using advanced algorithms, net revenue can be increased by 29%. Results also indicate that wider useable SOC windows could lead to higher net revenues from the energy market, due to higher arbitrage opportunities that compensate for any additional degradation-tied costs in higher DODs. The added value of a MWh of energy storage varies from $2 to $3.5 per MWh of wind energy, which leads to a breakeven cost range of $50-$95 per kWh for the battery systems studied. As such, energy- and capacity-market revenues were found to be insufficient in recovering the investment costs of current battery systems for the applications considered in this analysis.

研究の動機と目的

• ニューヨークの電力市場におけるリチウイオン電池蓄電の財務的妥当性を評価すること。
• バッテリーの劣化および動的性能が、エネルギー市場および容量市場における収益可能性に与える影響を調査すること。
• ハイブリッド風力-バッテリーシステムにおける陸上と洋上のバッテリー設置場所の比較を行うこと。
• 劣化コストを考慮した上で、純収益を最大化する状態充電量（SOC）の範囲を特定すること。
• 現在の市場条件下でのプロジェクトの財務的妥当性を達成するためのバッテリーの損益分岐コストを設定すること。

提案手法

• 動的性能および劣化行動を表現するために、混合整数線形バッテリーモデルが使用され、放電深度（DOD）の影響を含む。
• モデルは、風力出力および市場価格の公開データ（NYISO）を用いて2010年から2013年の間のバッテリー運用をシミュレートした。
• バッテリー設置場所（陸上対洋上）および利用可能なSOC範囲を変更した複数のハイブリッドシステム構成が評価された。
• 収益はエネルギー市場および容量市場からの収益として計算され、劣化コストはDODおよびサイクル数の関数として明示的にモデル化された。
• 純収益を最大化するための最適なディスpatch戦略は、高度なアルゴリズムを用いて同定された。
• 感度分析により、SOC範囲の幅および市場価格の変動性が純収益に与える影響が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 劣化を含む高度なバッテリーモデルが、NYISO市場における洋上風力-バッテリーシステムの収益見積もりに与える影響は何か？
• RQ2 ハイブリッド風力-バッテリーシステムにおける陸上と洋上のバッテリー設置場所の相対的な収益性能はどのようになるか？
• RQ3 利用可能なSOC範囲の幅が、アービタージュ機会と劣化コストの両方を考慮して、純収益に与える影響は何か？
• RQ4 現在のエネルギー市場および容量市場からの収益が、リチウイオン電池システムの投資コストを回収するのにどの程度寄与するか？
• RQ5 モデル化された市場条件下で、財務的妥当性を達成するためのバッテリーシステムのkWhあたりの損益分岐コストは何か？

主な発見

• 送電および変換損失が低いことから、バッテリーを陸上に設置すると洋上設置に比べてより高い純収益が得られる。
• モデルでバッテリーの劣化を無視すると、主に無視された劣化コストのため、収益が最大155％過大評価される。
• 高度なアルゴリズムを用いた最適化ディスpatchにより、単純なモデルに比べて純収益が29％増加する。
• 広い利用可能なSOC範囲は、アービタージュ機会の増加により、劣化コストの増加を補っても純収益を高める。
• エネルギー貯蔵1MWhの価値は、風力エネルギー1MWhあたり2～3.5ドルの範囲であり、損益分岐バッテリーコストは1kWhあたり50～95ドルの範囲であることを示唆している。
• エネルギー市場および容量市場からの収益だけでは、研究対象のアプリケーションにおける現在のリチウイオン電池システムの投資コストを回収するには不十分である。