[論文レビュー] What can transmission do for a fully renewable Europe?

Sarah Becker, Rolando A. Rodríguez+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2014

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ヨーロッパ全域における変動性再生可能エネルギー（VRES）の発電と電力需要の不一致を、高圧送電によってどのように軽減できるかを調査している。気象駆動型のモデルと直流潮流送電フレームワークを用いて、完全に再生可能エネルギーに依存するヨーロッパにおいて、送電がバランスエネルギーの必要量を最大40％まで削減できることを明らかにした。この効果の90％は、現在の送電容量を4倍に拡大することで達成可能である。送電の位置と負荷の大きさが、各国の輸入／輸出の潜在能力を左右する主な要因である。

ABSTRACT

Our research is centred around the question how to best integrate the variable renewable energy sources (VRES), wind power and solar photovoltaics, into the European electricity grid. The future electricity supply will be based to a large extend on these fluctuating resources. We have conducted a study, extrapolating national historical and targeted wind and solar power penetrations in Europe up to 100% VRES (R.A. Rodriguez et al, Renewable Energy 63, p. 467, Mar 2014 and S. Becker et al, Energy 64, p. 404, Jan 2014). A high share of VRES means large fluctuations in the generation, causing overproduction and deficits. One way to reduce such mismatches is power transmission spatially smoothing out the fluctuations. This has the potential to reduce the remaining shortages by sharing the surplus production of others. We find that shortages can at maximum be reduced by 40% in the hypothetical case of unlimited transmission capacities across all of Europe. A more realistic extension of the transmission grid, roughly quadrupling today's installation, turns out to be sufficient to harvest 90% of this potential benefit. Finally, the import and export of single countries is investigated. We conclude that a country's load size as well as its position in the network are the determining factors for its import/export opportunities.

研究の動機と目的

• ヨーロッパにおける変動性再生可能エネルギー（VRES）の発電と負荷の不一致を低減するための送電技術的潜在能力を評価すること。
• 送電容量の拡大が、各国の電力輸入・輸出の機会に与える影響を評価すること。
• 空間的スムージングの利点を最大化するために、ヨーロッパ送電網の効率的な強化戦略を特定すること。
• 異なる送電シナリオ下での不一致分布の時間的変化を検討すること。

提案手法

• 8年間の毎時の歴史的気象データを用いた風力および太陽光PV発電の気象駆動型モデリングを、国別に集計して実施。
• 発電および負荷データを共通の平均に正規化し、ロジスティックフィッティングを用いて100％VRESシナリオへの外挿を可能にする。
• 国ごとの風力／太陽光比率とスケーリング要因を組み込んだ式を用いて、再生可能エネルギー発電と負荷の不一致を定義。
• 一般化された直流潮流モデルを適用し、ヨーロッパ諸国間の電力交換をシミュレートすることで、発電変動の空間的スムージングを実現。
• 現在の送電容量と、容量拡大による90％の効果に相当する仮想的なシナリオの2通りの状況下で、送電の利点をシミュレーション。
• 定量的容量補間法を用いて、国別および地域別にバランスエネルギーの利点を最大化するように効率的なグリッド強化を誘導。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に再生可能エネルギーに依存するヨーロッパにおいて、送電は変動性再生可能エネルギー発電と電力需要の間の総エネルギー不一致をどの程度軽減できるか？
• RQ2 各国の負荷の大きさと送電網内での地理的位置は、その国が余剰再生可能電力を輸出できる能力にどのように影響するか？
• RQ3 空間的スムージングの利点を最大化するために、ヨーロッパ送電網を効果的に強化する最適な戦略は何か？
• RQ4 異なる送電容量シナリオ下で、不一致イベントの分布は時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 送電は、とくに極端な不足や過剰といった大規模な不一致イベントをどの程度緩和できるか？

主な発見

• 完全に再生可能エネルギーに依存するヨーロッパにおいて、送電はバランスエネルギーの総必要量を最大40％まで削減可能であり、主に不一致イベントの大部分をスムージングすることで実現される。
• 現実的かつ実現可能な送電容量の拡大（現在の4倍程度）によって、送電による最大効果の90％を達成できる。
• 残りの60％のバランスエネルギーは送電のみでは補えないため、貯蔵技術や需要側管理などの追加的措置が不可欠である。
• ドイツのような負荷が大きな国は、デンマークのような小国よりも送電の恩恵をあまり受けていない。これは、自国の需要に比べて輸出可能量が少ないためである。
• 地理的位置が貿易可能性に顕著な影響を与える。スペインのような国は、デンマークのような中央または北ヨーロッパ諸国に比べて送電拡大の恩恵をあまり受けていない。
• 送電は中程度の不一致イベントに対して最も効果的であるが、大規模な過剰や不足のイベントはほとんど影響を受けない。これは、空間的スムージングだけでは極端な不均衡を解消できないことを示唆している。