[論文レビュー] FOCUS : A framework for energy system optimization from prosumer to district and city scale

Jingyu Gong, Yi Nie+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 2

ひとこと要約

FOCUS は、混合整数線形プログラミング（MILP）を用いて、個々のプロスムアから都市全体のネットワークまで、柔軟で動的なモデル化を可能にするオープンソースのマルチスケール最適化フレームワークである。多目的最適化をサポートし、セクター間の相乗効果を特定し、モジュラーで拡張可能なコンponentライブラリと時間集約法を用いて、低コストで再生可能エネルギー統合、蓄電、グリッドインfra構築の包括的計画を可能にする。

ABSTRACT

Decarbonizing the energy sector is one of the main challenges to combat the climate crisis. Cities play an important role to reach climate neutrality as more than 70% of global CO2 emissions originate from urban areas. Decarbonization of energy supply systems can be achieved through various means, including the use of renewable energy sources, improving the efficiency of technologies, the coupling of different energy sectors, and the use of flexibility considering individual prosumer behaviour. This leads to an increasingly decentralized energy system, which is challenging to operate in a robust and cost-effective way. The evaluation of technologies and subsystems can only be done from the perspective of the system in which it is embedded and it is highly dependent on their networking and application scenarios. Therefore, the design and operation of energy systems require adequate computation and evaluation tools, which offer a holistic view of all interconnected components. The currently available optimization tools have limitations, such as limited scope of technologies and sectors, high requirements on data, high computational cost, and difficulty in handling multi-objective optimization. To overcome these limitations a software framework called FOCUS for the flexible and dynamic modeling of any urban sector-coupled energy system is developed. The framework includes a library containing models for different technologies and offers a variety of parameter sets for each technology. FOCUS can handle multi-objective problems by returning Pareto-optimal fronts, which helps users to discover the trade-off between criteria and objectives. The developed tool can identify new flexibility potentials in the energy system, actively support companies in the respective field to optimize urban energy system planning solutions, and determine possible threads to the stable operation of such systems.

研究の動機と目的

• 分散型でセクター連携が進む都市エネルギーシステムの複雑化に対応するため、包括的でマルチスケールの最適化が求められる。
• 既存ツールの限界、例えば技術範囲が限定的であること、データ要求が高すぎる、多目的トレードオフを扱えないことなどを克服する。
• 統合されたフレームワーク内でプロスムア、地区、都市規模のインfraを統合することで、都市エネルギーシステムの強固で費用対効果の高い計画を可能にする。
• エネルギー計画者、開発者、政策立案者による意思決定を支援するため、エネルギー部門全体における柔軟性の潜在的余地と最適な構成を同定する。

提案手法

• プロスムアレベル、地区レベル、都市レベルの接続という3段階のボトムアップ最適化アーキテクチャを採用する。
• 時間依存のエネルギー輸送、蓄電、発電、変換をすべてのコンponentsでモデル化するために、混合整数線形プログラミング（MILP）を用いる。
• 太陽光発電、バッテリー、ヒートポンプ、水素システムなどの技術の事前定義済みパラメータセットを備えた、モジュラーで拡張可能なコンponentライブラリを統合する。
• 大規模シナリオ最適化において計算負荷を低減しながらも、正確性を保持するため、時間集約技術を適用する。
• パレート最適なフロンティアを返すことで多目的最適化を可能にし、コスト、排出量、システム安定性の間のトレードオフを評価できる。
• 電気、熱、ガスグリッド間の相互依存関係をモデル化し、第5世代の地区暖房およびマイクログリッド構成を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統一された最適化フレームワークは、プロスムア、地区、都市スケールのエネルギーシステムを効果的にモデル化できるか？
• RQ2 多目的最適化は、都市エネルギーシステムにおけるコスト、排出量、システムの柔軟性の間のトレードオフを特定する上でどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 時間集約とモジュラーコンponentモデリングは、解の正確性を損なわせることなく、計算複雑性をどのように低減できるか？
• RQ4 大規模にプロスムア、蓄電、マルチエナジーネットワークを統合すると、どのような柔軟性の潜在的余地が生じるか？
• RQ5 フレームワークは、政策や技術の変化に応じたさまざまなシナリオ下でも、将来に耐えうるセクター連携型都市エネルギーシステムの設計をどのように支援できるか？

主な発見

• FOCUS フレームワークは、ボトムアップで階層的な最適化アプローチを用いて、プロスムア、地区、都市の3スケールのエネルギーシステムを効果的にモデル化した。
• パレート最適なフロンティアを生成することで、経済的コスト、排出量、システム安定性の間のトレードオフを評価できる多目的最適化をサポートする。
• 入力時間系列の時間集約を適用することで、大規模な都市エネルギーシステムシナリオにおいても実行可能な計算時間を達成した。
• モジュラーなコンponentライブラリにより、太陽光発電、バッテリー、ヒートポンプ、水素インフラを含む多様な技術を、3つのスケールすべてで柔軟に構成可能である。
• プロスムアと中央インフラの間の相乗効果、例えば共有蓄電や最適なグリッド利用を同定し、システム効率を向上させた。
• ツールは MIT ライセンスの下でオープンソースであり、InEEd-DC プロジェクト内で活発に開発が進められており、プロスムアレベルのモデルはすでに利用可能で、地区レベルのモデルは開発中である。