[論文レビュー] Integrated investment, retrofit and abandonment energy system planning with multi-timescale uncertainty using stabilised adaptive Benders decomposition

Hongyu Zhang, Ignacio E. Grossmann+4 more|Edinburgh Research Explorer (University of Edinburgh)|Mar 17, 2023

Global Energy and Sustainability Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、短期的および長期的不確実性下でのエネルギー制度における投資、リノベーション、廃棄計画を統合する、マルチホライゾン確率的混合整数線形計画法であるREORIENTモデルを提案する。大規模問題を効率的に解くために、強化された安定化適応Benders分解を採用し、従来のモデルと比較して北シース地域の投資コストを24%削減するとともに、解法時間を最大6.8倍に高速化した。

ABSTRACT

We propose the REORIENT (REnewable resOuRce Investment for the ENergy Transition) model for energy systems planning with the following novelties: (1) integrating capacity expansion, retrofit and abandonment planning, and (2) using multi-horizon stochastic mixed-integer linear programming with multi-timescale uncertainty. We apply the model to the European energy system considering: (a) investment in new hydrogen infrastructures, (b) capacity expansion of the European power system, (c) retrofitting oil and gas infrastructures in the North Sea region for hydrogen production and distribution, and abandoning existing infrastructures, and (d) long-term uncertainty in oil and gas prices and short-term uncertainty in time series parameters. We utilise the structure of multi-horizon stochastic programming and propose a stabilised adaptive Benders decomposition to solve the model efficiently. We first conduct a sensitivity analysis on retrofitting costs of oil and gas infrastructures. We then compare the REORIENT model with a conventional investment planning model regarding costs and investment decisions. Finally, the computational performance of the algorithm is presented. The results show that: (1) when the retrofitting cost is below 20% of the cost of building new ones, retrofitting is economical for most of the existing pipelines, (2) platform clusters keep producing oil due to the massive profit, and the clusters are abandoned in the last investment stage, (3) compared with a traditional investment planning model, the REORIENT model yields 24% lower investment cost in the North Sea region, and (4) the enhanced Benders algorithm is up to 6.8 times faster than the level method stabilised adaptive Benders.

研究の動機と目的

• エネルギー制度における能力拡大、インfraストラクチャーのリノベーション、廃棄を同時に取り扱う統合的計画フレームワークの開発。
• エネルギー制度計画における短期的変動（例：時系列のエネルギー需要および発電）と長期的不確実性（例：石油・ガス価格）の両方をモデル化すること。
• エネルギー移行計画に生じる大規模な確率的混合整数計画問題における計算効率の向上。
• 北シース地域における既存の石油・ガスインフラを水素利用にリノベートする経済的妥当性の評価。
• 提案モデルの性能およびコスト結果を、従来の投資のみを対象とする計画モデルと比較すること。

提案手法

• 複数の時間段階にわたり、投資、リノベーション、廃棄意思決定を表現するマルチホライゾン確率的混合整数線形計画法（MIP）を定式化する。
• 短期的不確実性を時系列パラメータ（例：風力・太陽光発電）を用いて統合し、長期的不確実性を確率的石油・ガス価格を用いて統合する。
• 適応的オракルとレベルセット管理を用いる安定化適応Benders分解アルゴリズムを適用し、収束を加速する。
• プログレッシブヘッジインspiredの安定化技術を採用し、動的収束許容誤差とラインサーチ戦略を用いて、双対上限の更新を改善する。
• マスタープロブレムは投資およびリノベーション意思決定を最適化し、サブプロブレムはシナリオ固有の条件下でのシステムの実現可能性および最適性を評価する。
• シナリオ分解戦略を採用し、カットプレーン（Cutting Plane）サブプロブレムを用いて、最適性および実現可能性カットを反復的に用いてマスタープロブレムを精緻化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リノベーションコストが新設コストの20%未満である場合、北シースの既存パイプラインの多くにおいて、リノベーションは経済的に有利である条件は何か？
• RQ2 廃棄意思決定を計画プロセスに統合することで、北シースエネルギー制度全体のシステムコストおよび投資トレジェクトリがどのように変化するか？
• RQ3 長期価格不確実性と短期運用変動を組み込むことで、エネルギー制度投資計画のロバストネスはどの程度向上するか？
• RQ4 この問題クラスにおいて、強化されたBenders分解アルゴリズムは、標準的Benders分解と比較して性能および収束速度でどのように優れているか？
• RQ5 異なるコストおよび価格シナリオ下で、プラットフォームクラスタの行動（継続的石油生産または早期廃棄）にどのような影響があるか？

主な発見

• リノベーションコストが新設コストの20%未満である限り、北シースの大多数の既存パイプラインにおいてリノベーションが経済的に有利である。
• 石油生産プラットフォームクラスタは、高い収益性のため計画ホライゾンの大部分にわたり稼働を継続し、最終的な投資段階でのみ廃棄される。
• REORIENTモデルは、従来の投資のみを対象とする計画モデルと比較して、北シース地域の総投資コストを24%削減した。
• 強化されたBenders分解アルゴリズムは、基準となるBenders実装と比較して最大6.8倍の高速化を達成し、計算スケーラビリティを顕著に向上させた。
• リノベーションおよび廃棄意思決定の統合により、よりコスト効率的で運用に柔軟性のあるエネルギー移行パスウェイが実現した。
• 本モデルは、多タイムスケール不確実性下でも安定した収束と高品質な解を示し、多様なシナリオセットにおいて強固な性能を発揮した。