[論文レビュー] The Value of Distributed Energy Resources for Heterogeneous Residential Consumers

Siddharth Patel, Rasouli, Mohammad+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Smart Grid Energy Management参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、カリフォルニア州北地域の実際の時間別スマートメーター記録を用いて、住宅用の分散型エネルギー資源（DER）—特に屋根設置太陽光発電およびバッテリーストレージ—の価値を、多様な住宅世帯に対して定量的に評価している。家庭の行動様式によって節約額が大きく異なることが示され、世帯間の連携によりコストが10–15%削減可能であり、予測精度の向上による追加的価値は限定的である。また、連携サービスの導入率が35–55%に達すると、その有効性が低下し始める閾値が存在することが明らかになった。

ABSTRACT

The presence of behind-the-meter rooftop photovoltaics and storage in the residential sector is poised to increase significantly. Here we quantify in detail the value of these technologies to consumers and service providers. We characterize the heterogeneity in household electricity cost savings under time-varying prices due to consumption behavior differences. Different pricing policies significantly alter how households fare with respect to one another. Furthermore, household savings in absolute terms are not strongly correlated with savings normalized by PV and storage system size. We characterize the financial value of improved forecasting capabilities for a household, finding that it is a relatively small fraction of a household's cost savings. Coordination services that combine the resources available at all households can reduce costs by an additional 10% to 15% of the original total cost. Surprisingly, coordination service providers will not encourage adoption beyond 35-55% within a group. We present a simple model that explains the value of coordination and its relationship to the pricing of distribution services.

研究の動機と目的

• 実際の電力料金体系下における、住宅用屋根設置太陽光発電およびバッテリーストレージの財務的価値を評価すること。
• 家庭の消費行動の多様性が、DER導入による電気料金節約に与える影響を数量的に評価すること。
• 複数世帯にまたがるDERを統合する連携サービスの価値を評価すること。
• 家庭におけるDER運用における、予測精度向上の追加的価値を推定すること。
• 連携サービスの有効性が低下し始める導入率の閾値を特定すること。

提案手法

• カリフォルニア州北地域の時間別住宅用電力消費データを大規模に活用し、各世帯に対して1kWh/kWpのネットゼロPVおよびストレージシステムをモデル化する。
• 時間別料金（TOU）および動的料金の下で、コスト最小化行動を仮定し、線形プログラミングモデルを用いて毎日のエネルギーコスト削減を最適化する。
• 世帯間のストレージを統合する連携サービスをモデル化し、グループ全体を1つの実体として扱い、共有の発電およびストレージを用いて総コストを最小化する。
• 正規分布に従う誤差を変動係数（CV）でスケーリングした予測誤差モデルを導入し、予測精度向上の価値を評価する。
• VCA（連携優位性の価値）、VCI（連携情報の価値）の3つの主要指標を計算し、前向き、逆方向、ランダムな導入パターンを比較する。
• 集計世帯のネット需要を $\textbf{n}_G = \textbf{l}_G - \eta_I \textbf{e}_G$ で定式化する。ここで $\eta_I$ はインバーター効率である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 家庭の消費行動の多様性は、屋根設置太陽光発電およびストレージ導入の財務的価値にどのように影響を与えるか？
• RQ2 複数世帯にまたがるDERの連携によって、どの程度の追加的コスト削減が達成可能か？
• RQ3 DER運用の文脈において、予測精度の向上が個々の家庭に与える追加的価値はどの程度か？
• RQ4 連携サービスの価値が低下し始める導入率の水準は何か？
• RQ5 時間変動型料金（例：TOU、動的料金）の違いが、世帯間での節約額の分配にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 家庭の電気料金節約額は、消費パターンの違いにより大きく異なるが、システム容量と強い相関関係は見られない。
• 世帯間のDER連携により、個別最適化と比較して総電力コストが10–15%削減される。
• 家庭における予測精度向上の価値は比較的小さく、総節約額に占める寄与はわずかである。
• 連携サービス提供者は、グループ内での導入率が35–55%を超えると、さらなる導入促進のインcentiveを失うことが示され、飽和点が存在する。
• 連携の価値は、時間変動型料金下で顕著であり、導入パターンおよび共有メカニズムに依存する。
• 導入順序（前向き、逆方向、ランダム）が連携の価値に顕著な影響を与え、前向き導入が最も高いVCAをもたらす。