[論文レビュー] The effect of inhomogeneous carbon prices on the cost-optimal design of a simplified European power system

Markus Schlott, Fabian Hofmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、GDP一人当たりに基づく地域差のある炭素価格が、簡略化されたヨーロッパ電力システムのコスト最適設計に与える影響を調査する。線形最適化モデルを用いて、非均一な炭素価格が深刻な炭素漏れを引き起こし、東ヨーロッパおよびバルト諸国で低炭素価格のため石炭発電が存続することにより、EU全体の脱炭素化目標が損なわれる可能性があると判明した。

ABSTRACT

Carbon prices are one of the most prominent methods to reduce global greenhouse gas emissions and have been adopted by several countries around the world. However, regionally different carbon prices can lead to carbon leakage. We investigate a simplified European power system where carbon prices are varied with respect to GDP per capita and find that inhomogeneous carbon prices lead to significant carbon leakage due to coal-fired generation remaining a major source of power in Eastern Europe.

研究の動機と目的

• 地域差のある炭素価格がヨーロッパ電力システムのコスト最適構成に与える影響を分析すること。
• GDP一人当たりに応じて炭素価格が設定された場合、炭素漏れが生じるかどうかを評価すること。
• 非均一な炭素価格が長期的なEU脱炭素化目標を損なうかどうかを評価すること。
• 地域間の経済格差と全体的な排出削減の間のトレードオフを明らかにすること。
• ヨーロッパエネルギー移行における統一炭素価格の政策的含意を同定すること。

提案手法

• GDP一人当たりに基づいて11の集約ノードに分類された地域を想定した、簡略化されたヨーロッパ電力システムをモデル化する。
• 炭素価格をGDP一人当たりの関数として定式化し、µCO2(GDP) = α¯µGDP / (ḠDP) + ¯µ − ¯µα というパラメータ化された式を用い、非負の価格を保証する。
• ノード別電力バランスおよび発電制限を満たす制約のもとで、総システムコスト（資本費および周辺発電コストを含む）を最小化する線形最適化モデルを適用する。
• 風力、太陽光発電、石炭、OCGT、バッテリーストレージ、水力の各種技術を含み、1年間の時間分解（1時間ごと）のディスpatchを実施する。
• 送電線路制約はノード間の接続行列（インシデント行列）を用いてモデル化され、電力潮流はネットワークトポロジーに従う。
• 分布パrameter α を変化させることで感度分析を実施し、炭素価格の非均一性の度合いを制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GDP一人当たりに基づく地域差のある炭素価格は、ヨーロッパにおける発電技術のコスト最適組み合わせにどのように影響を与えるか？
• RQ2 非均一な炭素価格は、特に低価格地域における継続的石炭発電によって、どの程度炭素漏れを引き起こすか？
• RQ3 炭素価格の差異化は、全体のシステムコストおよび再生可能エネルギー導入にどのような影響を与えるか？
• RQ4 送電制約および相関する再生可能エネルギーの供給は、低炭素価格地域における再生可能エネルギー導入の効率にどのように影響するか？
• RQ5 地域差のある炭素価格制度は、依然としてEU全体の脱炭素化目標を達成可能か？

主な発見

• GDP一人当たりに基づく非均一な炭素価格は深刻な炭素漏れを引き起こし、東ヨーロッパおよびバルト諸国では石炭発電が依然として主要な電源として残存する。
• α = 2の場合、炭素価格は地域9～11（東ヨーロッパおよびバルト諸国）でゼロに低下するが、スカンジナビアやアルプス地域などの裕福な地域では150 MU/トンを上回る。
• 南東ヨーロッパ（地域11）では太陽光発電の条件が良好であるにもかかわらず、高非均一性（α = 2）の下では送電制約と相関する供給のため、太陽光発電の導入が消失する。
• 地域11におけるMWhあたりのシステムコストは、α = 0の0.801 MU/MWhからα = 2の1.35 MU/MWhに上昇し、価格非均一性下での再生可能エネルギー統合の非効率性が示された。
• 全体のシステムコストは、価格非均一性の増加に伴い単調に増加しないことが判明し、高価格地域での排出削減効果と低価格地域での排出増加・非効率性の相反する効果が見られた。
• 非均一な価格下での西部ヨーロッパから東部ヨーロッパへの炭素漏れは、長期的なEU脱炭素化目標達成に深刻なリスクをもたらすと示唆された。