[論文レビュー] Intersecting near-optimal spaces: European power systems with more resilience to weather variability

Aleksander Grochowicz, Koen van Greevenbroek+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、41年間の気象データを用いた近似的に最適な実行可能領域の交差を用いて、耐障害性のあるヨーロッパ電力システム設計を特定する幾何的手法を提案する。PyPSA-Eurを3時間ごとの解像度で使用し、コスト最適化より50%以上低い排出量を維持するとともに、陸上風力および太陽光の優先的導入により高いレジリエンスを実現する投資ポートフォリオを同定する。近似的に最適な領域の近似により、並列かつスケーラブルな最適化を可能にする。

ABSTRACT

We suggest a new methodology for designing robust energy systems. For this, we investigate so-called near-optimal solutions to energy system optimisation models; solutions whose objective values deviate only marginally from the optimum. Using a refined method for obtaining explicit geometric descriptions of these near-optimal feasible spaces, we find designs that are as robust as possible to perturbations. This contributes to the ongoing debate on how to define and work with robustness in energy systems modelling. We apply our methods in an investigation using multiple decades of weather data. For the first time, we run a capacity expansion model of the European power system (one node per country) with a 3-hourly temporal resolution with 41 years of weather data. While an optimisation with 41 weather years is at the limits of computational feasibility, we use the near-optimal feasible spaces of single years to gain an understanding of the design space over the full time period. Specifically, we intersect all near-optimal feasible spaces for the individual years in order to get designs that are likely to be feasible over the entire time period. We find significant potential for investment flexibility, and verify the feasibility of these designs by simulating the resulting dispatch problem with four decades of weather data. They are characterised by a shift towards more onshore wind and solar power, while emitting up to 50% less $CO_2$ than a cost-optimal solution over that period. Our work builds on recent developments in the field, including techniques such as Modelling to Generate Alternatives and Modelling All Alternatives, and provides new insights into the geometry of near-optimal feasible spaces and the importance of multi-decade weather variability for energy systems design. We also provide an effective way of working with a multi-decade time frame in a highly parallelised manner.

研究の動機と目的

• 年間気象変動に対するコスト最適化エネルギーシステム設計の脆さに対処すること。
• 入力の摂動に対して耐性を持つ、体系的で幾何学的な手法を用いて、耐障害性のあるエネルギーシステム構成を同定すること。
• エネルギーシステムモデリングにおける数十年にわたる時間スケールで、スケーラブルかつ並列化された最適化を可能にすること。
• 近的最適な実行可能領域を交差させることで、多様な気象条件下で実現可能な設計が得られることを示すこと。
• 政策立案者や研究者が耐障害的で低炭素なエネルギー移行を探索できる、オープンソースで柔軟に適応可能なツールを提供すること。

提案手法

• 各気象年ごとに、洗練された幾何的手法を用いて近的最適な実行可能領域を近似する。
• 41の別々の気象年から得た近的最適な実行可能領域を交差させ、すべての条件下で有効な解を同定する。
• 交差領域の内部に位置する解を、投資の変動に対する感受性が最小限となるように、耐障害性の高い候補として選択する。
• 歴史的ERA5気象データを用いた、3時間ごとの1国1ノードの拡張モデルをPyPSA-Eurで使用する。
• 変数を総投資コストに集約することで次元削減を実現し、スケーラブルな計算を可能にする。
• 最終候補設計を用いて40年間の運用シミュレーションを実施し、耐障害性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーシステム設計の近的最適な実行可能領域は、異なる気象年間でどのように変化するか？
• RQ2 近的最適な領域の交差が、年間気象変動に対して耐障害性のある設計をどの程度得られるか？
• RQ3 長期的なヨーロッパ電力システム計画において、コスト、排出量、耐障害性の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ4 近的最適な実行可能領域を、計算的に実行可能で並列化可能な方法で近似・交差させることは可能か？
• RQ5 投資のシフトが、この幾何的アプローチによって同定されたシステム設計の耐障害性にどのように影響するか？

主な発見

• 41年間の気象データにおける近的最適な実行可能領域の交差により、年間気象変動に対して耐障害性があり、長期にわたり高い実行可能性を示すシステム設計が得られる。
• 本手法により同定された耐障害性のある設計は、41年間の期間にわたりコスト最適化解よりもCO2排出量が50%以上削減されている。
• 最も耐障害性の高い解は、陸上風力および太陽光発電を優先的に導入しており、化石燃料や集中型発電から脱却している。
• 投資が最大34億ユーロまでシフトしても、候補となる耐障害性のある設計は依然として実行可能であり、高い柔軟性とレジリエンスを示している。
• 幾何的アプローチにより、近的最適な領域の近似を実施することで、並列かつスケーラブルな計算が可能となり、数十年にわたるモデリングが現実可能になった。
• オープンソースの実装が提供されており、再現性を確保するための事前処理済みのPyPSAネットワークおよび気象データも提供されている。