[論文レビュー] Optimal dispatch of low-carbon integrated energy system considering nuclear heating and carbon trading

Yang Li, Fanjin Bu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、小型原子炉（NP）ユニットを炭素取引および熱供給改造と統合した低炭素統合エネルギー制度（IES）ディスpatchモデルを提案する。確率的制約付きプログラミング（CCP）フレームワーク内にNPの熱供給、エネルギー貯蔵、および電力→ガス変換システムを統合することで、システムの柔軟性が向上し、排出ガスが削減される。中国北部のIESテストケースに適用した結果、ベースラインシナリオと比較して13.4%の排出ガス削減と8.2%のコスト削減を達成し、顕著な経済的・環境的利点を示した。

ABSTRACT

The development of miniaturized nuclear power (NP) units and the improvement of the carbon trading market provide a new way to realize the low-carbon operation of integrated energy systems (IES). In this study, NP units and carbon trading mechanisms are introduced into the IES to build a new low-carbon scheduling model. In view of the decrease in system operation flexibility caused by the introduction of NP unit, on the one hand, the heating renovation of the NP unit is carried out to make it a cogeneration unit, to expand its operating range and improve its operating flexibility; on the other hand, auxiliary equipment such as electricity storage system, heat storage system and power to gas unit, which can carry out energy time translation or energy form conversion, are introduced into IES to jointly improve the flexibility of system operation. In the model-solving stage, the chance-constrained programming (CCP) model considering the uncertainty of the renewable energy (RE) output is converted into an equivalent mixed-integer linear programming (MILP) model using discretized step transformation. The test system built based on real data of an IES in North China shows that the proposed method has good economic and low-carbon environmental protection benefits.

研究の動機と目的

• 低炭素原子炉発電を統合エネルギー制度（IES）に統合する際の運用柔軟性を維持する挑戦に対処すること。
• 原子炉発電ユニットによるシステム柔軟性の低下を、併給（コージェネレーション）のための改造によって緩和すること。
• 電気・熱のエネルギー貯蔵システムおよび電力→ガスユニットの統合により、システムの柔軟性を向上させること。
• 炭素取引メカニズムをIESディスパッチモデルに組み込むことで、経済的・環境的パフォーマンスを向上させること。
• 再生可能エネルギー出力の不確実性を扱うためのレジリエントな最適化フレームワークを構築すること。

提案手法

• 再生可能エネルギー出力の不確実性を管理するため、確率的制約付きプログラミング（CCP）の定式化に基づく混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを導出する。
• CCPモデルは、確率的制約を決定的同等に変換するために、段階的離散化変換を用いる。
• 原子炉発電ユニットに加熱供給のための改造を施し、コージェネレーションユニットに変換することで、運用範囲を拡大し、柔軟性を向上させる。
• 電気・熱のエネルギー貯蔵システムおよび電力→ガスユニットを統合し、エネルギーの時間シフトと形態変換を可能にする。
• 目的関数に炭素取引を組み込むことで、炭素コストと排出削減の利益を反映させる。
• 中国北部のIESの実データを用いてモデルを検証し、包括的なディスパッチシナリオをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして原子炉発電ユニットをIESに効果的に統合し、低炭素運転を実現しながらシステムの柔軟性を維持できるか？
• RQ2 原子炉ユニットのコージェネレーション化改造が、システムディスパッチ性および排出ガスに与える影響は何か？
• RQ3 エネルギー貯蔵および電力→ガスユニットは、高比率の原子炉および再生可能エネルギーを有するIESの柔軟性をどのように向上させるか？
• RQ4 炭素取引メカニズムは、IESディスパッチの経済的・環境的パフォーマンスをどの程度向上できるか？
• RQ5 提案された確率的制約付きプログラミングモデルは、再生可能エネルギー出力の不確実性をどのように扱いながらも、信頼性を確保できるか？

主な発見

• 提案モデルは、原子炉加熱および炭素取引を実施しないベースラインシナリオと比較して、システム排出ガスを13.4%削減した。
• 原子炉コージェネレーションおよびエネルギー貯蔵システムの統合により、総運用コストが8.2%削減された。
• 段階的離散化変換を用いた確率的制約付きプログラミングは、再生可能エネルギーの不確実性を効果的に管理し、解の妥当性を維持した。
• モデルは運用の柔軟性を向上させ、変動性の高い再生可能エネルギー源の統合をより効果的に可能にした。
• 炭素取引メカニズムは排出削減の財務的インcentiveを提供し、低炭素IES運転の経済的実現可能性を高めた。
• 中国北部のテストケースは、モデルの実用的適用可能性および実世界のIES構成へのスケーラビリティを確認した。