[論文レビュー] Battery selection for optimal grid-outage resilient photovoltaic and battery systems

Stamatis Tsianikas, Jian Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Hybrid Renewable Energy Systems参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、グリッド停電に強い太陽光発電（PV）システムのための、4種類のバッテリータイプ—鉛蓄電池、ナトリウム・セルフイオン電池、バナジウムルイド電池、リチウムイオン電池—を評価・比較するためのシミュレーションベースの最適化フレームワークを提案する。コスト、効率、ディスチャージ深度（DoD）といった主要パラメータをモデル化することで、将来の予測トレンドを踏まえた場合、リチウムイオン電池が耐障害性とコスト効率の両面で最適な選択であることが同定された。

ABSTRACT

The first and most important purpose of the current research work is to investigate the effects that different battery types have on the optimal configuration of photovoltaic (PV) and battery systems, from both economic and resilience perspectives. Many industry reports, as well as research papers, have already highlighted the crucial role that storage systems have in the coming years in the electricity sector, especially when combined with renewable energy systems (RES). Given the high cost of storage technologies, there is an urgent need for optimizing such integrated energy systems. In this paper, a simulation-based method is adopted and improved, in order to compare different battery types based on their characteristics by considering projected trends in the future. After the introduction of four different battery types, i.e. lead-acid, sodium sulphur, vanadium redox and lithium-ion, the mathematical model for the optimization problem is presented, along with the required explanations. Subsequently, a case study is described and the numerical assumptions are defined. Therein, our specific focus addresses the different values that the four battery types possess in three critical parameters, i.e. battery cost, efficiency and depth of discharge (DoD). Finally, results and discussion are provided in an illustrative and informative way. This model provides a useful guide for relevant future work in the area, and also serves as a baseline for more comprehensive methodologies regarding optimal sizing of photovoltaic and battery systems.

研究の動機と目的

• 異なるバッテリーテクノロジーがPV-バッテリー系統の経済的パフォーマンスおよび耐障害性に与える影響を評価すること。
• エネルギー貯蔵の高コストを是正するため、バッテリー固有の特性に基づいたシステム構成の最適化を行うこと。
• グリッド停電時の耐障害性を最大化するとともにライフサイクルコストを最小化するバッテリー選定の意思決定フレームワークを提供すること。
• 将来的な研究におけるPVおよびバッテリー系統の最適サイズ決定のためのベースラインモデルを確立すること。
• バッテリー技術および価格の将来予測トレンドをシステム最適化に統合すること。

提案手法

• グリッド停電状態下でのPV発電とバッテリー貯蔵を統合する数学的最適化モデルを構築する。
• 技術的・経済的パrameterの差異を踏まえ、鉛蓄電池、ナトリウム・セルフイオン電池、バナジウムルイド電池、リチウムイオン電池の4種類のバッテリーを組み込む。
• 主なパフォーマンス指標として、kWhあたりのバッテリー費用、往復効率、ディスチャージ深度（DoD）の上限をモデル化する。
• 定義された負荷プロファイル、日射量データ、将来のバッテリー費用トレンドを想定した事例研究を実施する。
• シミュレーションベースの最適化を用いて、各バッテリータイプごとの最適なシステム構成（PVおよびバッテリー容量）を特定する。
• 全システムコストおよび停電耐性指標に基づき、バッテリータイプ間での結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるバッテリーテクノロジーは、グリッド停電に強いPV-バッテリー系統の最適なサイズとコストにどのように影響を与えるか？
• RQ2 耐障害性のオフグリッド運用において、コスト、効率、DoDのバランスが最も良いバッテリータイプはどれか？
• RQ3 バッテリーの将来の費用トレンドは、PV-貯蔵システムの経済的パフォーマンスおよび耐障害性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 バッテリー費用、効率、DoDが、システムの耐障害性およびライフサイクルコストに与える相対的影響は何か？
• RQ5 バッテリー固有の特性を組み込むことで、最適なシステム構成にどのような影響が生じるか？

主な発見

• リチウムイオン電池は、高い効率、好ましいDoD、および予想されるコスト低下を背景に、最もコスト効率が良く、耐障害性に優れた選択肢として浮き彫りになった。
• 初期費用が低いにもかかわらず、鉛蓄電池は低効率および限られたDoDのため、長期的なシステムコストが高くなるため、性能が著しく劣る。
• ナトリウム・セルフイオン電池およびバナジウムルイド電池は中程度のパフォーマンスを示すが、リチウムイオン電池に比べてコストが高く、効率が低いことから、競争力に欠ける。
• 最適化モデルは、初期資本コストのみでなく、バッテリー効率およびDoDがシステムコストに与える影響がより顕著であることを示している。
• 本研究は、将来的なリチウムイオン電池のコスト削減が、システムの耐障害性および経済的実現可能性を顕著に向上させることを確認した。
• 本モデルは、負荷、太陽放射、コストの仮定が変化する状況下でも、バッテリー選定を評価するスケーラブルなフレームワークを提供する。