[論文レビュー] Optimal Storage and Solar Capacity of a Residential Household under Net Metering and Time-of-Use Pricing

K. Victor Sam Moses Babu, Pratyush Chakraborty+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Smart Grid Energy Management被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、時刻ごとの使用料（ToU）料金を適用するネットメーターイング制度下で、住宅用太陽光発電（PV）およびバッテリーストレージの容量を共同最適化するための分析フレームワークを提案する。米国オースティンの実データを用いて、最適なストレージ容量（36.96 kWh）および太陽光発電容量（最大5 kWp）を導出し、初期投資コストを含めた場合に25.56％のコスト削減を達成するとともに、最適な太陽光発電投資を組み合わせると最大41.7％の削減が可能であることを示している。

ABSTRACT

Incentive programs and ongoing reduction in costs are driving joint installation of solar PV panels and storage systems in residential households. There is a need for optimal investment decisions to reduce the electricity consumption costs of the households further. In this paper, we first develop analytical expression of storage investment decision and then of solar investment decision for a household which is under net metering billing mechanism with time of use pricing condition. Using real data of a residential household in Austin, TX, USA, we study how the investment decisions would provide benefit for a period of one year. Results show significant profit when using storage devices and solar panels optimally for the system. It is important to note that though our approach can help significantly to take investment decisions, the solution will still be sub-optimal for somebody who needs optimal investment jointly on both storage and solar systems.

研究の動機と目的

• ネットメーターイングと時刻ごとの使用料（ToU）料金制度下における住宅用バッテリーストレージ容量の最適化を目的とする。
• 最適なストレージと組み合わせた場合に、太陽光発電容量の変化が電気料金削減に与える影響を分析することを目的とする。
• 実際の負荷および日射量データを用いた場合の、太陽光発電およびストレージの共同投資によるコスト削減を評価することを目的とする。
• ストレージと太陽光発電を別々に最適化する場合の非最適な結果を特定することを目的とする。

提案手法

• 最適なストレージ容量の決定のため、日ごとのピーク負荷の累積分布をモデル化するためにカーネル密度推定を用いる。
• 期待されるエネルギーフローとToU料金差益に基づいて、最適なストレージ容量 $B^0$ の解析的表現を導出する。
• オースティン（テキサス州、2016年）の月次負荷および日射量データを用いて、太陽光発電容量（最大5 kWp）の変動に伴うコスト削減を評価する。
• 初期投資コストを含む年間総コストを計算し、ストレージおよび太陽光発電投資の有無を比較する。
• 366日分の段階的シミュレーションを実施し、さまざまな構成における月次電気料金を算出する。
• 期待されるエネルギーフローと価格差益を用いて、ストレージおよび太陽光発電の最適投資閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットメーターイングとToU料金制度下における住宅用バッテリーストレージの最適容量は何か？
• RQ2 最適なストレージと組み合わせた場合、太陽光発電容量を変化させるとコスト削減にどのように影響するか？
• RQ3 初期投資コストを含めた太陽光発電およびストレージの共同最適化によって達成可能な総コスト削減はどの程度か？
• RQ4 ストレージと太陽光発電を逐次最適化する場合と共同最適化する場合とを比較した場合、コスト効率にどのような差が生じるか？
• RQ5 ピーク負荷分布が最適なストレージ容量の決定に与える影響は何か？

主な発見

• 最適なバッテリーストレージ容量は、日ごとのピーク負荷分布の96.5百分位数に基づき、36.96 kWh である。
• 最適なストレージを導入した場合、年間電気料金が25.56％削減され、初期投資コストを含めて1,027.99ドルの節約が達成される。
• 太陽光発電容量が0.5 kWずつ増加するごとに（最大5 kWpまで）、追加で134ドルの節約が得られ、5 kWpで合計2,363.82ドルの節約が達成される。
• 年間総コストは、太陽光発電およびストレージなしの場合の4,021.49ドルから、最適なストレージと30 kWpの太陽光発電を導入した場合に1,657.67ドルに低下する（ただし、30 kWpは一般的な屋根面積を超過する）。
• 太陽光発電とストレージの共同最適化は、逐次最適化よりも優れた結果をもたらす。例えば、30 kWpの太陽光発電を導入した場合、24.4 kWhのストレージでコストは1,612.78ドルに低下し、36.96 kWhのストレージを用いた1,657.67ドルよりも低くなる。
• 両方の技術を共同で最適化する場合、本手法は最適解に到達しないサブオプティマルな解を提供しており、より改善された共同最適化モデルの開発の余地がある。