[論文レビュー] Sustained cost declines in solar PV and battery storage needed to eliminate coal generation in India

Aniruddh Mohan, Shayak Sengupta+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2021

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 40被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、インドのカーナタク州、グジャラート州、タミルナドゥ州における石炭発電の置き換えを目的として、最小コストのハイブリッド太陽光発電（PV）およびリチウムイオン電池蓄電システムをモデル化している。6%の年間コスト低下が太陽光発電および蓄電池に継続的に見込まれる状況、かつ低コストの資金調達および太陽光発電コストが250米ドル/kW未満であることが、2040年までに石炭を段階的に廃止するために不可欠であると判明した。また、100%ではなく99%の石炭発電時間の置き換えにおいて、ハイブリッドシステムは40%のコスト削減が可能であることが示された。

ABSTRACT

Unabated coal power in India must be phased out by mid-century to achieve global climate targets under the Paris Agreement. Here we estimate the costs of hybrid power plants - lithium-ion battery storage with wind and solar PV - to replace coal generation. We design least cost mixes of these technologies to supply stylized baseload and load-following generation profiles in three Indian states - Karnataka, Gujarat, and Tamil Nadu. Our analysis shows that availability of low cost capital, solar PV capital costs of at least $250/kW, and battery storage capacity costs at least 50% cheaper than current levels will be required to phase out existing coal power plants. Phaseout by 2040 requires a 6% annual decline in the cost of hybrid systems over the next two decades. We find that replacing coal generation with hybrid systems 99% of the hours over multiple decades is roughly 40% cheaper than 100% replacement, indicating a key role for other low cost grid flexibility mechanisms to help hasten coal phaseout. Solar PV is more suited to pairing with short duration storage than wind power. Overall, our results describe the challenging technological and policy advances needed to achieve the temperature goals of the Paris Agreement.

研究の動機と目的

• インドの3州における石炭発電の代替を目的としたハイブリッド太陽光発電および蓄電池システムのコスト競争力の評価。
• 2040年までに石炭発電を段階的に廃止するために必要な太陽光発電および蓄電池のコスト推移の特定。
• グリッドの柔軟性メカニズムが石炭発電の置き換えコストに与える影響の評価。
• インドの文脈において、短時間蓄電に適した太陽光発電と風力発電の相対的適合性の比較。
• パリ協定に基づくインドの電力部門の脱炭素化に向けた政策的ベンチマークの提供。

提案手法

• 24時間365日運転を想定するベースロードおよび柔軟な石炭発電プロファイルを満たすために、最小コストの太陽光発電、風力、および4時間蓄電の組み合わせを特定する最適化モデルを構築。
• カーナタク州、グジャラート州、タミルナドゥ州の20年分の時間分解風速および日射量データを用いて、発電出力のシミュレーションを実施。
• エネルギー収支、バッテリーソースオブチージェス（SOC）制約、往復効率（75%）および容量制限を満たすコスト最小化問題を定式化。
• 実際のネット負荷データに基づき、100 MWのベースロード（24時間365日）および再生可能エネルギーの可用性に応じて変動する柔軟なプロファイルを、モデルの妥当性検証のための基準として設定。
• 1時間あたりの充電および放電を総容量の25%以内に制限することで、現実的なサイクリング制限を反映。
• バッテリーの耐用年数、効率、蓄電時間（4時間、6時間、8時間、10時間）に関する感度分析を実施。また、バソダ・ファウンデーションのデータベースに収録された実際の石炭発電所のデータを用いて、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インドの既存の石炭発電所と同等のコスト競争力を持つハイブリッドシステムを実現するには、太陽光発電および蓄電池のコストがどの程度のペースで低下する必要があるか？
• RQ2 100%の石炭発電時間の置き換えと比較して、99%の置き換えにおいてハイブリッドシステムのレベル化コスト（LCOE）はどのように異なるか？
• RQ3 インドの州において、短時間蓄電に適した再生可能エネルギー源として、太陽光発電と風力発電のどちらがより適しているか？
• RQ4 グリッドの柔軟性メカニズムは、石炭発電の廃止に伴うコスト削減にどの程度寄与できるか？
• RQ5 資本コスト（WACC）およびシステム耐用年数に関する仮定は、ハイブリッドシステムのコスト競争力にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 2040年までにハイブリッドシステムを石炭発電と同等のコスト競争力にし、石炭発電の段階的廃止を可能にするには、太陽光発電および蓄電池の両方で年間6%のコスト低下が不可欠である。
• 100%ではなく99%の石炭発電時間の置き換えにおいてハイブリッドシステムが約40%安くなることから、グリッドの柔軟性メカニズムの重要性が示された。
• 太陽光発電は風力発電に比べて予測可能性が高く、コストも低いことから、短時間蓄電と組み合わせるのに適しており、ハイブリッドシステムにおいて支配的である。
• WACCが2.5%の場合、ハイブリッドシステムのLCOEは10～14米ドル/kWhの範囲にあり、現在の石炭発電の限界コスト（約3.0米ドル/kWh）の3～4倍に上る。
• 現在のシステムコストでは、持続的なコスト低下がなければ石炭発電とコスト競争力を持てない。石炭発電の限界コストに追いつくには、ハイブリッドシステムコストを60%削減する必要がある。
• 本研究で用いられた柔軟な石炭発電プロファイルは、カーナタク州の実際のネット負荷データと整合的であり、モデルの妥当性が裏付けられた。