[論文レビュー] Sizing and Profitability of Energy Storage for Prosumers in Madeira, Portugal

Md Umar Hashmi, Jonathan Cavaleiro+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 22被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、フィードインタリフがゼロでピーク電力契約がグリッド制約を引き起こすポルトガル・マデイラ島におけるピーク需要カット、エネルギーアービタージュ、自己充足のためのエネルギー貯蔵を共同最適化するフレームワークを提案する。利益/サイクル/単位容量という指標と期待される回収期間を主な指標として導入し、劣化とサイクル疲労が少ないため、小規模でゆっくりとランピングするバッテリがより高い収益性を示すことを示している。

ABSTRACT

This paper proposes a framework to select the best-suited battery for co-optimizing for peak demand shaving, energy arbitrage and increase self-sufficiency in the context of power network in Madeira, Portugal. Feed-in-tariff for electricity network in Madeira is zero, which implies consumers with excess production should locally consume the excess generation rather than wasting it. Further, the power network {operator} applies a peak power contract for consumers which imposes an upper bound on the peak power seen by the power grid interfaced by energy meter. We investigate the value of storage in Madeira, using four different types of prosumers, categorized based on the relationship between their inelastic load and renewable generation. We observe that the marginal increase in the value of storage deteriorates with increase in size and ramping capabilities. We propose the use of profit per cycle per unit of battery capacity and expected payback period as indices for selecting the best-suited storage parameters to ensure profitability. This mechanism takes into account the consumption and generation patterns, profit, storage degradation, and cycle and calendar life of the battery. We also propose the inclusion of a friction coefficient in the original co-optimization formulation to increase the value of storage by reducing the operational cycles and eliminate low returning transactions.

研究の動機と目的

• マデイラ島におけるプロシューマーのエネルギー貯蔵の収益性が低いという課題に対処し、余剰太陽光発電が補償されず、ピーク電力契約による財務的ペナルティが課される状況を想定する。
• 現実のグリッド制約とゼロフィードインタリフの下で、収益性を最大化するための最適なバッテリ容量と制御戦略を同定する。
• バッテリの劣化、サイクル寿命、カレンダーライフ、運用サイクルを考慮したパフォーマンス指標を開発し、投資意思決定を支援する。
• インラティレント負荷と再生可能エネルギー発電の比率によって定義される異なるプロシューマーの属性が、貯蔵価値と収益性に与える影響を評価する。

提案手法

• 混合整数プログラミングを用いて、エネルギーアービタージュ、自己充足、ピーク需要低減の3つを同時に最適化するフレームワークを提案する。
• サイクル寿命とディープ・オブ・ディスcharge（DoD）劣化モデルに基づき、正規化された収益性指標「単位容量あたりのサイクルごとの利益」を導入する。
• DoDofVectorアルゴリズムを用いて、DoDと充放電パターンを考慮し、非線形劣化を反映した運用サイクルを推定する。
• サイクル寿命をカレンダーライフ劣化と一致させるために、最適化に摩擦係数を組み込み、低リターン取引を減らし、過剰なサイクリングを制限する。
• マデイラ島の現実のグリッド制約を模擬するため、時間帯別料金（ToU）とピーク電力契約（PPC）ペナルティを適用する。
• 6月2019年のデータを用いて、インラティレント負荷対再生可能エネルギー発電の比率に基づき、4つのプロシューマー区分を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロフィードインタリフの下で、マデイラ島における異なるプロシューマー属性のエネルギー貯蔵の収益性はどのように変化するか？
• RQ2 バッテリ容量とランピング能力を増加させることによる、単位サイクルあたりの利益と回収期間における限界価値は何か？
• RQ3 摩擦係数を導入することで、低リターン運用をどれほど削減でき、単位サイクルあたりの収益性を向上させられるか？
• RQ4 アービタージュ、自己充足、ピークカットの共同最適化は、損益分岐点と投資利益率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マデイラ島の独自のグリッドおよび料金規則下で、最高の収益性をもたらすバッテリパラメータ（容量、Cレート）は何か？

主な発見

• 1–2kWhの小規模バッテリ（Cレート0.25C–1C）は、大容量または高速ランピングバッテリよりも、単位容量あたりのサイクルごとの利益が顕著に高い。
• 1kWhバッテリを1C-1Cで使用した場合、U2（低PV）では0.1107 €/kWh、U12（高PV）では0.1922 €/kWhの単位容量あたりサイクル利益を達成し、PVがインラティレント負荷を上回る場合に高い価値を示す。
• 容量とランピング能力が増加するにつれて、サイクル数の増加に伴い劣化が加速し、結果として単位サイクルあたりの収益性が低下する。
• 摩擦係数（例：1kWh、1C-1Cで0.796）を導入することで、サイクル数は47.38から47.44にわずかに増加したが、単位サイクルあたりの利益は0.0962から0.0962 €/kWhに上昇し、回収期間が長くなるものの財務的実現可能性が向上した。
• U8（高PV）において、1kWhバッテリを1C-1Cで使用した場合、年間収益38.17 €、月間サイクル数44.62を達成したが、5kWhバッテリを2C-2Cで使用した場合、年間収益は18.70 €に低下し、期待される回収期間は20.05年と長くなった。これは大容量システムの投資効果が低いことを示している。
• 月間サイクル数47.6が、100% DoDで4000サイクル寿命と7年間のカレンダーライフと一致しており、このサイクル数を超えるバッテリは、摩擦係数のチューニングにより収益性を向上させることができる。