[論文レビュー] Flexible nuclear power and fluctuating renewables? -- A techno-economic analysis for decarbonized energy systems

Leonard Göke, Alexander Wimmers+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2023

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、詳細なエネルギーシステムモデルを用いた技術的・経済的分析を通じて、欧州の脱炭素化電力システムにおける原子力発電の役割を評価している。運用可能性と高いエネルギー潜在力を持つが、楽観的なコスト仮定（4,000ユーロ/kWの即時建設コスト、10年未塔の建設期間）のもとでも、原子力発電のコスト効率の良い割合はわずか10%程度にとどまり、電網の柔軟性、蓄電、柔軟な需要が、変動性の高い風力・太陽光発電の統合においてより効率的な代替手段であることが判明した。

ABSTRACT

Many governments are considering constructing new nuclear power plants to support the decarbonization of the energy system. On the one hand, dispatchable nuclear plants can complement fluctuating generation from wind and PV. On the other hand, escalating construction costs and times raise economic concerns. In this paper, we extensively review construction costs and times. On this basis, we apply a detailed multi-vector energy model to analyze the cost-efficient share of nuclear power in fully decarbonized energy systems, i.e., energy systems that do not utilize any fossil fuels. Our analysis finds that even if, reversing the historical trend, overnight construction costs of nuclear half to 4,000 US-$2018 per kW and construction times remain below ten years, the cost-efficient share of nuclear power in European electricity generation is only around 10%. The analysis still omits the social costs of nuclear power, such as the risk of accidents or waste management. Nuclear plants must operate inflexibly and at capacity factors close to 90% to recover their investment costs, implying that operational flexibility-even if technically possible-is not economically viable. As a result, grid infrastructure, flexible demand in multi-energy systems, and storage are more efficient options for integrating fluctuating wind and photovoltaic generation.

研究の動機と目的

• 現実的なコストおよび建設期間の仮定のもと、脱炭素化エネルギーシステムにおける原子力発電の経済的効率を評価すること。
• 欧州における変動性の高い風力・太陽光発電と効果的に併用できるか、原子力発電の経済的適性を評価すること。
• 送電網の相互接続、蓄電、柔軟な需要といった代替の柔軟性対策と比較して、原子力発電を評価すること。
• コスト最小化と脱炭素化を満たすエネルギーシステムにおける原子力発電の最適な割合を特定すること。

提案手法

• 欧州全域の高風力・太陽光パネル比率を想定した脱炭素化電力システムを、包括的なエネルギーシステムモデルを用いてシミュレーションした。
• OECD諸国の予想および実際の建設コストをもとに、原子力発電の電力単位コスト（LCOE）を算出した。
• 主なすべての柔軟性対策をモデルに組み込んだ：送電網の国境を越えた接続、柔軟な需要（例：電解水素生成装置、電気自動車）、蓄電（合成燃料による季節蓄電を含む）。
• 建設コスト（4,000ユーロ/kW）および建設期間（10年未塔）の感度分析を実施し、コスト効率を評価した。
• 輸送、暖房、産業部門の最終エネルギー需要を満たすことを前提に、システムコストを最小化するようにエネルギーシステムを最適化した。
• 社会的コスト（例：廃棄物管理、事故リスク）は分析から除外したが、コスト評価において原子力発電に有利な立場をとった。

Figure 2: Overview of model structure

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な建設コストおよび建設期間の仮定のもと、脱炭素化された欧州電力システムにおける原子力発電のコスト効率の良い割合はどの程度か？
• RQ2 変動性の高い風力・太陽光発電の統合において、送電網相互接続、蓄電、柔軟な需要といった他の柔軟性対策と比較して、原子力発電は経済的にどの程度優位か？
• RQ3 原子力発電は、脱炭素化された暖房、輸送、産業部門における増加する電力需要をどの程度満たせるか？
• RQ4 高い資本コストと長期の建設期間は、再生可能エネルギーおよび蓄電と比較して、新規原子力発電所の経済的実現可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 楽観的な仮定（4,000ユーロ/kWの即時建設コスト、10年未塔の建設期間）のもとでも、欧州電力系統における原子力発電のコスト効率の良い割合はわずか10%程度にとどまる。
• 投資コストを回収するには、原子力発電所が90%に近い利用率で運転する必要があるため、柔軟性に欠け、運用が不活性化されがちである。
• 電網インfra、柔軟な需要（例：電解水素生成装置、電気自動車）、蓄電技術は、変動性の高い風力・太陽光発電に起因する残余負荷を管理するうえで、原子力発電よりもコスト効率に優れている。
• モデルの結果、高比率の原子力発電（例：52%）を導入したシステムでは、残余需要を満たすために、より多くの熱電力発電が必要となるのに対し、原子力発電を含まないシステムでは、需要応答と蓄電によって供給をバランスさせる。
• 柔軟な需要と国境を越えた送電の統合により、熱電力バックアップの必要性が低下し、全体のシステムコストも低減されるため、原子力発電よりも優れた柔軟性ソリューションとなる。
• 好都合なコスト仮定のもとでも、原子力発電は脱炭素化のための最も経済的効率の良い選択肢ではなく、特に蓄電および需要側のソリューションと比較すると顕著である。

Figure 3: Technologies for electricity supply