[論文レビュー] The Value of Flexibility in a Carbon Neutral Power System

Elena Raycheva, Jared Garrison+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、炭素中立のスイス電力システムにおける柔軟性の価値を評価するために、時間分解能が1時間の集中型発電拡張計画モデルを提案する。このモデルは、柔軟な発電、需要シフト、国境を越えたインポートを統合している。結果として、ガスタービンと需要シフトを組み合わせることでシステムコストが最小化され、再生可能エネルギーおよび従来型の設備投資の必要性が低減される。これは、需要管理がコスト効率の良い脱炭素化を実現する鍵であることを示している。

ABSTRACT

In this paper, we use a formulation of the generation expansion planning problem with hourly temporal resolution, to investigate the impact of the availability of different sources of flexibility on a carbon-neutral central European power system (with a focus on Switzerland) for the year 2040. We assess the role of flexible generation, load shifting and imports on the investment and operation of existing and newly built units. Our results show that including load shifting as part of the optimization could reduce the need for investments in both RES and conventional technologies. The combination of newly built flexible generators (gas turbines) and load shifting increases the flexibility of the simulated power system and results in the overall lowest system costs. The reduction of cross-border transmission capacity between Switzerland and its neighbors has a significant impact on the domestic operation and investments but could also affect the surrounding countries.

研究の動機と目的

• 炭素中立の電力システムにおける、異なる柔軟性ソース（柔軟な発電、需要シフト、インポート）が設備投資および運用意思決定に与える影響を評価すること。
• 需要シフトが再生可能エネルギーおよび従来型発電設備の必要な投資をどの程度削減できるかを調査すること。
• スイスにおける国内システム運用および設備投資に与える、国境を越えた送電容量の影響を分析すること。
• 炭素中立の目標下でガス価格が上昇する場合の設備投資意思決定への感受性を評価すること。
• 2040年までに低炭素電力システムを達成するための、最もコスト効率の良い柔軟性リソースの組み合わせを特定すること。

提案手法

• 時間分解能が1時間の集中型、決定論的、単一年度の発電拡張計画モデルを用いて、設備投資と運用意思決定を同時に最適化する。
• 熱電単位（ランプ制限を含む）、水力発電、バッテリーストレージ、風力、太陽光パネル、および柔軟な需要負荷の詳細な表現を含む。
• 国境を越えた送電制約は明示的にモデル化され、隣接国は集約された発電ポートフォリオと潮流で表現される。
• 最適化は、設備投資、変動運用、燃料、排出、および需要供給不能コストを含む、総システムコストの最小化を目的とする。
• 需要シフトは、特定のノードにおける制御可能な電力注入としてモデル化され、過度または同時に上行・下行のシフトに対してコストペナルティが課される。
• モデルは、Nexus-eプラットフォーム内でのCentIvモジュールを用いて実装され、送電網表現にDC潮流制約が組み込まれている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 需要シフトを発電拡張計画モデルに統合することで、再生可能エネルギー源および従来型発電技術への必要な設備投資にどのような影響を与えるか？
• RQ2 柔軟なガスタービンと需要シフトの併用が、炭素中立の電力システムにおけるシステムコストおよび設備投資意思決定に与える統合的影響は何か？
• RQ3 国境を越えた送電容量が低下すると、スイスの電力システムにおける国内設備投資および運用意思決定にどのような影響を与えるか？
• RQ4 2040年の炭素中立シナリオ下でガス価格の変化に伴う設備投資意思決定への感受性はどの程度か？
• RQ5 インポートとエクスポートは、スイス電力システムの柔軟性およびコスト構造にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 最適化に需要シフトを組み込むことで、再生可能エネルギー源および従来型技術への設備投資ニーズが低減し、全体のシステムコストが低下する。
• 新設のガスタービン（合成ガスまたはCCSを備えたもの）と需要シフトの組み合わせが、最も低い総システムコストを実現し、最もコスト効率の良い柔軟性戦略である。
• ガス価格が25％上昇すると、PV設備容量が60％増加する。これは、太陽光導入が燃料価格変化に非常に感受性が高いことを示している。
• ガス価格が100％上昇しても、ガス発電設備の建設は依然として経済的に妥当であり、柔軟な発電の継続的需要がシステムに存在することを裏付けている。
• 国境を越えた送電容量が減少すると、需要供給不能が著しく増加し、システムコストが上昇する。これはスイスおよび周辺国に影響を与える。
• 感度分析から、ガスタービン設備投資は燃料価格に敏感であり、極端な価格上昇下では容量がほぼ10倍減少することが示された。