[論文レビュー] PyPSA-ZA: Investment and operation co-optimization of integrating wind and solar in South Africa at high spatial and temporal detail

Jonas Hörsch, Joanne R Calitz|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 8

ひとこと要約

PyPSA-ZA は、南アフリカの電力システムにおける投資と運用の共同最適化を可能にするオープンソースで高分解能の技術的経済的モデルを提示する。風力および太陽光発電を27の地域にわたり時分解能で統合し、70%の再生可能エネルギー統合が、柔軟なガス発電と拡大された送電網経路を用いることで費用最適化可能であり、コストはたった20%増加でCO₂排出量の95%削減を達成する。

ABSTRACT

South Africa is in the fortunate position of having access to high-quality wind and solar resources promising energy production costs well below the ones projected for future installations of thermal generation; yet the feasibility of a low carbon energy system is still under scrutiny. This study introduces a spatially and temporally resolved techno-economic model co-optimising generation and transmission capacity investments and operation. 27 supply regions in South Africa are equipped with a year of time-series in hourly resolution based on the IRP2016 base-case assumptions. Eight different scenarios representing different restrictions on renewable generation and mitigation efforts of GHG emissions are evaluated and discussed. 70% of energy from renewable sources were found to be cost-optimally integrated using flexible gas generation and the expansion of several transmission corridors. A 95% CO${}_2$ reduction leads to a moderate 20% cost increase. The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future South African energy system, primarily based on renewable wind and solar resources.

研究の動機と目的

• 高分解能の空間的・時間的モデルを用いて、南アフリカの電力システムにおける深刻な脱炭素化の実現可能性と費用対効果を評価すること。
• 柔軟なガス発電、バッテリーストレージ、送電網拡張が、高比率の再生可能エネルギー導入を可能にする役割を評価すること。
• CO₂削減目標の異なるシナリオや再生可能エネルギー導入の制約を想定した場合の、システムコストと技術選択の違いを比較すること。
• 自由に入手可能なデータに基づく透明性の高いオープンソースモデルを提供し、ステークホルダー主導のエネルギー政策意思決定を支援すること。
• 現在の国家エネルギー計画が、石炭および原子力の拡張を推進しているが、経済的・環境的に劣っていることを示し、それらの計画を挑戦すること。

提案手法

• モデルは、総年間システムコスト（投資および運用費用を含む）を最小化する線形計画問題を解くためにPyPSAフレームワークを用いる。
• 27地域と8,760時間にわたる発電および貯蔵容量（G_n,s）、送電容量（F_ℓ）、および時系列のディスpatch（g_n,s,t）を最適化する。
• 電力潮流は線形化された直流潮流方程式でモデル化され、接続行列とノードバランス方程式を用いてネットワーク制約を満たす。
• 再生可能エネルギー発電は、過去の気象および負荷データから得られる時間変動型の利用可能量（ĝ_n,s,t）によって制約される。
• 貯蔵ユニットは、充電・放電効率、初期エネルギー量、および流出損失を組み込んだエネルギー収支方程式でモデル化される。
• 循環的エネルギー状態（e_n,s,0 = e_n,s,T）が強制され、従来型発電機のランプレート制限も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2040年の南アフリカの電力需要を満たすにあたり、風力、太陽光、ガス、貯蔵、送電網インfraストラクチャーの最適なコスト混合は何か？ その際、高い再生可能エネルギー統合が実現可能であるか？
• RQ2 CO₂削減目標の引き上げが、南アフリカ電力システムのシステムコストと技術選択に与える影響は何か？
• RQ3 送電網拡張と柔軟な発電が、追加の貯蔵や化石燃料発電容量の必要性をどれほど低減できるか？
• RQ4 石炭および原子力の拡張を推進する現在の国家エネルギー計画は、再生可能エネルギー中心のシナリオと比較して、経済的・環境的にどの程度劣っているか？
• RQ5 北西部の風力・太陽光資源をヨハネスブルグ近郊の負荷センターにコスト効率よく統合するために、どの主要な送電経路が重要となるか？

主な発見

• 70%の再生可能エネルギー割合が、柔軟なガス発電、バッテリーストレージ、およびターゲットされた送電網拡張により費用最適化可能であることが判明した。
• 95%のCO₂削減シナリオでは、ベースケースに比べ総システムコストがたった20%増加にとどまり、深刻な脱炭素化が中程度のコスト増で実現可能であることが示された。
• EAST LONDONからPINETOWN、およびNAMAQUALAND/KIMBERLEYから南アフリカ中部東部への送電経路が、コスト効率の高い再生可能エネルギー統合に不可欠である。
• 新規に10 GWの石炭および原子力発電所を建設することを強制すると、コストはR600–630/MWhに上昇し、低炭素シナリオと比較して15–16倍のCO₂排出量が生じる。
• モデルは、現在の国家エネルギー計画が経済的に非効率であることを示しており、同様またはより高いコストで著しく高い排出量を生じさせている。
• モデルのオープンソース性と自由に入手可能なデータへの依存により、南アフリカおよび周辺地域における透明性の高い、共同作業が可能な、再現可能なエネルギー制度分析が可能になった。