[論文レビュー] Optimal sizing of solar photovoltaic and lithium battery storage to reduce grid electricity reliance in buildings

Han Kun Ren, Malcolm McCulloch+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

Smart Grid Energy Management被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、オックスフォード（英国）の建物における太陽光発電（PV）およびリチウイオン電池貯蔵システムの最適な容量を、グリッド電力への依存度と電力のレベル化コスト（LCOE）を最小限に抑えるために、ハイブリッド的・反復的アプローチを提案する。結果として、太陽光発電はすでに経済的に実現可能であるが、リチウム電池貯蔵は依然として高価である。価格低下が続くものの、システムの柔軟性とコスト制約のため、グリッド依存は依然として継続する。

ABSTRACT

In alignment with the Paris Agreement, the city of Oxford in the UK aims to become carbon neutral by 2040. Renewable energy help achieve this target by reducing the reliance on carbon-intensive grid electricity. This research seeks to optimally size solar photovoltaic and lithium battery storage systems, reducing Oxford's grid electricity reliance in buildings. The analysis starts with modeling the electricity demand. The model uses Elexon electricity settlement profiles, and assembles them into the demand profile according to the quantity and types of buildings in Oxford. Then, solar generation is modeled using Pfenninger and Staffell's method. Solar photovoltaic and lithium storage systems are sized using a hybridized analytical and iterative method. First, the method calculates the solar system size search range, then iterates through the range. At each solar size, the method calculates and iterates through the storage system size search range. Within each iteration, the renewable system is simulated using demand and generation data with a simplified system set-up and the conventional operation strategy. The method outputs combinations of solar system capacity, storage system capacity, and grid electricity import. Each combination's levelized cost of electricity is calculated, and the lowest cost combination is the optimal sizing. Solar and storage system costs are projected from 2019 to 2100, and the optimal sizing is calculated for each year. The result shows that solar photovoltaic is economically competitive, but lithium storage cost is still too high. As solar and storage prices continue to drop, they will take up greater portions of the energy system. However, there will always be a need for the grid, as it provides flexibility and can meet demands that are too costly for solar and storage

研究の動機と目的

• オックスフォードの建物におけるグリッド電力への依存度を低減し、都市の2040年カーボンニュートラル目標を支援すること。
• 都市部の建物エネルギー・システムにおける太陽光発電および電池貯蔵の統合に伴う経済的・技術的課題を解決すること。
• 時間経過に伴う電力のレベル化コスト（LCOE）を最小限に抑えるための太陽光発電および電池貯蔵容量の最適な組み合わせを特定すること。
• 太陽光および貯蔵のコスト動向が変化する中で、2019年から2100年までの最適なシステム容量を予測すること。
• 太陽光および貯蔵を大規模に導入した場合に、グリッドがエネルギー需要を満たす長期的役割を評価すること。

提案手法

• オックスフォードの建物タイプと数量に基づいて集計されたElexon決済データを用いて、建物別電力需要プロファイルを構築する。
• PfenningerとStaffellの手法を用いて、太陽光発電の発電量を、時間単位の日射量と出力のシミュレーションでモデル化する。
• ハイブリッド的・反復的アプローチを採用：まず太陽光発電容量の探索範囲を定義し、次に各太陽光容量に対して、貯蔵容量の範囲を反復的に走査する。
• 各システム構成について、簡素化された運用ルールと、歴史的需要および発電データを用いてグリッド電力の輸入量をシミュレートする。
• 各構成における電力のレベル化コスト（LCOE）を計算し、最適な組み合わせを特定する。
• 2019年から2100年までの太陽光および電池のコストを予測し、長期的な経済的実現可能性と最適容量のトレンドを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オックスフォードの建物において、グリッド電力への依存度を最小限に抑えるために、太陽光発電およびリチウムイオン電池貯蔵の最適な容量の組み合わせは何か？
• RQ2 時間経過に伴い、異なる太陽光および貯蔵システム容量において、電力のレベル化コスト（LCOE）はどのように変化するか？
• RQ3 太陽光発電および電池貯蔵が都市部の建物において広範に導入可能になる経済的実現のメドはいつごろか？
• RQ4 太陽光および貯蔵システムがグリッド電力の必要性をどれほど低減できるか、長期的にはグリッドが果たす役割は何か？
• RQ5 太陽光および電池技術のコスト低下が予測される中で、2100年までの最適なシステム容量にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 太陽光発電システムは、オックスフォードの建物におけるグリッド電力への依存度低減において、すでに経済的に競争力がある。
• リチウムイオン電池貯蔵は、価格低下が予想されても、大規模な導入においては依然としてコスト競争力に欠ける。
• 太陽光および貯蔵のコストが継続的に低下する中で、エネルギー・ミックスにおけるその割合は時間の経過とともに著しく増加すると予想される。
• 高い太陽光および貯蔵の導入が進んでも、システムの柔軟性を提供し、高コストの需要ピークを満たすという点で、グリッドの存在は依然として不可欠である。
• 太陽光および貯蔵システムの最適容量は時間経過とともに変化し、技術価格の変化に応じて、最もコスト効率の良い構成が変化する。
• ハイブリッド的・反復的アプローチにより、2019年から2100年までの各年度における最低LCOEの構成を的確に同定でき、動的コスト条件下での長期的計画が可能になった。