[论文解读] Renewable Energy Targets and Unintended Storage Cycling: Implications for Energy Modeling

Martin Kittel, Wolf-Peter Schill|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 77被引用 23

一句话总结

本文识别出一种在能源系统模型中出现的‘非预期储能循环’建模缺陷：为避免过剩可再生能源发电被弃用，模型中同时出现储能的充电与放电行为，从而扭曲了最优调度与投资决策。作者表明，当可再生能源目标未考虑储能损耗时，此类缺陷便会产生，并建议将此类损耗完全纳入约束条件，以防止成本最小化模型出现失真。

ABSTRACT

To decarbonize the economy, many governments have set targets for the use of renewable energy sources. These are often formulated as relative shares of electricity demand or supply. Implementing respective constraints in energy models is a surprisingly delicate issue. They may cause a modeling artifact of excessive electricity storage use. We introduce this phenomenon as 'unintended storage cycling', which can be detected in case of simultaneous storage charging and discharging. In this paper, we provide an analytical representation of different approaches for implementing minimum renewable share constraints in models, and show how these may lead to unintended storage cycling. Using a parsimonious optimization model, we quantify related distortions of optimal dispatch and investment decisions as well as market prices, and identify important drivers of the phenomenon. Finally, we provide recommendations on how to avoid the distorting effects of unintended storage cycling in energy modeling.

研究动机与目标

• 识别并分析在具有约束性可再生能源目标的成本优化能源系统模型中，此前未被记录的建模缺陷——非预期储能循环。
• 研究在可再生能源份额约束中对储能损耗处理不充分，如何导致人为储能循环以及调度与投资决策的扭曲。
• 通过分析与数值模拟，提供不同约束公式化对模型结果影响的实证证据，尤其关注储能行为与市场价格的影响。
• 为建模者提供可操作建议，通过在可再生能源约束中完全纳入储能损耗，以避免该缺陷。

提出的方法

• 构建一个分析框架，用于建模最低可再生能源份额约束对储能运行的影响，重点分析长期均衡下储能的最优性条件。
• 使用简洁的电力部门优化模型，模拟在不同约束公式化下的调度与投资决策。
• 引入并形式化‘非预期储能循环’的概念：当可再生能源目标未完全考虑储能损耗时，成本最小化行为驱动储能同时充电与放电。
• 通过德国电力部门参数化下的数值模拟，量化最优调度、储能及其他技术投资以及市场价格的失真程度。
• 比较不同约束公式化，包括排除、部分包含或完全包含储能损耗于可再生能源目标中的情况。
• 提出解决方案：要求可再生能源发电在约束中完全覆盖储能损耗，以消除该缺陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，具有最低可再生能源份额约束的能源系统模型中会出现非预期储能循环？
• RQ2 不同可再生能源目标的公式化方式——特别是是否包含储能损耗——如何影响最优调度与投资决策？
• RQ3 非预期储能循环对电力部门模型中市场价格与技术部署的定量影响是什么？
• RQ4 约束中对损耗核算不完整在多大程度上导致次优模型结果，以及如何纠正？
• RQ5 在不扭曲整体模型结果的前提下，防止非预期储能循环的最有效且具有政策相关性的方法是什么？

主要发现

• 当可再生能源约束未考虑储能转换损耗时，非预期储能循环便会出现，表现为作为避免弃电的成本最小化替代方案，储能同时进行充电与放电。
• 该缺陷扭曲了最优调度与投资决策，导致储能使用过度，且即使可再生能源容量未增加，也人为降低可再生能源弃电率。
• 在可再生能源约束中完全包含储能损耗是防止非预期储能循环的必要且充分条件，确保可再生能源发电覆盖全部损耗。
• 数值模拟表明，该缺陷可能显著扭曲建模的市场价格，并导致技术部署次优，尤其在高比例可再生能源情景下更为明显。
• 该现象不仅限于储能，当可再生能源目标在区域层面应用时，也可能通过非预期输电损耗而发生。
• 作者建议调整报告与目标设定实践，以反映对损耗的全面覆盖，或在适当情况下采用碳定价等替代约束以缓解该缺陷。