[論文レビュー] On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources

Alexander Zerrahn, Wolf-Peter Schill+1 more|EconStor Open Access Articles and Book Chapters|Feb 19, 2018

Energy and Environment Impacts被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、Sinn（2017）の主張に反論し、変動性の高い風力および太陽光発電の高比率導入において、極端なコーナーケースに依存するのではなく経済的効率性を最適化することで、電気蓄電の必要量が最大で2桁低減されることを示している。シンプルな最適化モデルを用いて、蓄電投資、再生可能エネルギーの切り捨て、システムコストのバランスを取ることで、著者らは蓄電が再生可能エネルギー移行を制限する可能性は低く、とりわけ広範な部門統合と柔軟な需要が進むとより顕著であると結論づけている。

ABSTRACT

The use of renewable energy sources is a major strategy to mitigate climate change. Yet Sinn (2017) argues that excessive electrical storage requirements limit the further expansion of variable wind and solar energy. We question, and alter, strong implicit assumptions of Sinn's approach and find that storage needs are considerably lower, up to two orders of magnitude. First, we move away from corner solutions by allowing for combinations of storage and renewable curtailment. Second, we specify a parsimonious optimization model that explicitly considers an economic efficiency perspective. We conclude that electrical storage is unlikely to limit the transition to renewable energy.

研究の動機と目的

• Sinn（2017）が主張するように、電気蓄電が変動性の高い再生可能エネルギー源の拡大を制限するとする結論に反論すること。
• Sinnのモデルに内在する強い暗黙の仮定、特にコーナーケース（蓄電なし、または切り捨てなし）の独占的使用に言及すること。
• 蓄電容量、再生可能エネルギーの切り捨て、システムコストのバランスを取るより経済的効率の高い最適化フレームワークの開発。
• 地理的負荷平準化、柔軟な需要、および部門統合（例：パワー・トゥ・エックス）が蓄電ニーズをどのように低減するかを評価すること。
• オープンソースのツールとデータを用いて、高再生可能エネルギー電力システムにおける蓄電ニーズのより現実的で政策的関連性の高い評価を提供すること。

提案手法

• 蓄電、再生可能エネルギー設備、切り捨てを含む総システムコストを最小化するシンプルな最適化モデルを構築。
• 蓄電容量と再生可能エネルギーの切り捨てのトレードオフを明示的にモデル化し、完全な切り捨てまたは完全な蓄電使用という極端なケースを回避。
• ドイツの歴史的気象データおよび需要データを用いて、再生可能エネルギー比率を変化させた場合の電力供給および需要プロファイルをシミュレート。
• ドイツおよび周辺国をまたがる地域間負荷バランスをモデル化することで、空間的平準化を実現し、残余負荷の変動性を低減。
• 柔軟な需要およびパワー・トゥ・エックス応用（例：水素生成、電気暖房、電気自動車）が蓄電ニーズに与える影響を分析。
• 透明性と再現可能性を確保するため、オープンソースのツールと公的データセットを採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 切り捨てと蓄電の経済的効率性のトレードオフに移行することで、変動性の高い再生可能エネルギーの蓄電ニーズはどのように変化するか？
• RQ2 地理的負荷平準化および国境を越えた電力市場統合は、電気蓄電の必要性をどの程度低減するか？
• RQ3 柔軟な需要およびパワー・トゥ・エックス応用（例：水素生成、電気暖房）は、高比率の再生可能電力システムにおける必要な蓄電容量にどのように影響するか？
• RQ4 長期シミュレーションにおけるベース年および入力データの品質の選択が、蓄電ニーズにどの程度感度に影響を与えるか？
• RQ5 発電プロファイルの違い（例：洋上風力対陸上風力、太陽光パネル）が、システムの蓄電ニーズに与える影響は何か？

主な発見

• 経済的効率性を最適化する場合、ドイツにおける完全な再生可能エネルギー電力システムの蓄電ニーズは、Sinn（2017）の推定値と比較して最大で2桁低減される。
• 最適解は中程度の蓄電容量とわずかな再生可能エネルギーの切り捨てを組み合わせており、大規模な蓄電インフラの必要性を顕著に低減している。
• 風力および太陽光発電の地理的分散は、残余負荷の変動性を低減し、供給と需要の不一致を平準化することで、必要な蓄電容量を低下させる。
• 柔軟な需要およびパワー・トゥ・エックス応用（例：水素生成、電気暖房）により、電力使用の時間的シフトが可能となり、蓄電ニーズがさらに低減される。
• 洋上風力（フルロード時間3,200時間、変動係数0.73）は、陸上風力（1,600時間、CV 0.83）よりも、システム安定性に寄与する効率が優れている。
• 本研究の結果は、広範な学術文献と整合しており、電気蓄電が再生可能エネルギー移行のバーナー的制約とはなり得ないことを示している。