[论文解读] A renewable power system for an off-grid sustainable telescope fueled by solar power, batteries and green hydrogen

Isabelle Viole, Guillermo Valenzuela-Venegas+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一套用于离网状态下的阿塔卡马大型孔径亚毫米波望远镜（AtLAST）的可再生能源系统，整合了光伏发电、电池储能、绿色氢气储存以及燃料电池，以替代柴油发电机。优化后的系统实现了116美元/兆瓦时的平准化电力成本（LCOE），与仅使用柴油的基准方案相比，将望远镜的碳足迹降低了95%，展示了为偏远天文设施提供可行、低碳能源模式的潜力。

ABSTRACT

A large portion of astronomy's carbon footprint stems from fossil fuels supplying the power demand of astronomical observatories. Here, we explore various isolated low-carbon power system setups for the newly planned Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope, and compare them to a business-as-usual diesel power generated system. Technologies included in the designed systems are photovoltaics, concentrated solar power, diesel generators, batteries, and hydrogen storage. We adapt the electricity system optimization model highRES to this case study and feed it with the telescope's projected energy demand, cost assumptions for the year 2030 and site-specific capacity factors. Our results show that the lowest-cost system with LCOEs of $116/MWh majorly uses photovoltaics paired with batteries and fuel cells running on imported and on-site produced green hydrogen. Some diesel generators run for backup. This solution would reduce the telescope's power-side carbon footprint by 95% compared to the business-as-usual case.

研究动机与目标

• 为阿塔卡马大型孔径亚毫米波望远镜（AtLAST）设计一种低碳、离网的电力系统，以替代对化石燃料的依赖。
• 评估在高海拔、偏远环境下，光伏发电、聚光太阳能、电池、绿色氢气和柴油备用之间的技术经济权衡。
• 评估技术学习率和系统集中化对成本与排放的影响。
• 为偏远科学基础设施提供一种可扩展、开源的可持续电力系统模型。

提出的方法

• 对highRES能源系统优化模型进行了调整，以模拟并比较AtLAST独特能源需求特征下的100多种混合电力系统配置。
• 使用ERA5的逐时太阳辐射数据和现场特定的容量因子，包括高海拔性能的高程修正系数。
• 模型以30年生命周期内的最低平准化电力成本（LCOE）为目标进行优化，整合了初始投资（CAPEX）、运营成本（OPEX）和技术学习率。
• 通过碱性电解槽和质子交换膜（PEM）电解槽利用过剩太阳能发电制取绿色氢气，并以压缩气体（CG）储罐形式储存，供后续燃料电池使用。
• 对比了电池储能与基于氢气的混合储能系统，以评估系统的韧性与成本效率。
• 对组件成本、技术学习率和系统集中化程度进行了敏感性分析，以评估系统的鲁棒性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于具有季节性但稳定的能源需求的大型高海拔望远镜，最低成本的离网可再生能源系统配置是什么？
• RQ2 在100%可再生能源系统与包含柴油备用的系统之间，系统成本和排放如何变化？其在可靠性与LCOE之间的权衡如何？
• RQ3 与单一储能方案相比，绿色氢气和电池储能能在多大程度上减少弃电并提升系统稳定性？
• RQ4 技术学习率以及在查洪托尔高原为多台望远镜集中建设基础设施，如何影响系统经济性与排放？
• RQ5 高海拔环境对系统性能有何影响？降额系数如何影响最优技术组合？

主要发现

• 通过结合光伏发电、电池储能和通过燃料电池利用绿色氢气，最低成本系统实现了116美元/兆瓦时的LCOE，柴油备用极少。
• 与仅使用柴油的基准方案相比，该最优系统将望远镜电力侧的碳足迹降低了95%。
• 仅使用电池或仅使用氢气储存的系统，其LCOE高出1%至12%，表明混合储能可实现更高的成本效率。
• 与仅使用柴油的运行方式相比，基于光伏的系统使发电成本降低31%至42%，排放减少40%至100%。
• 现场绿色氢气生产进一步提升了可持续性，在最优配置中储存了1,048.7公斤氢气于压缩气体储罐中。
• 在查洪托尔高原为多台望远镜建设集中式供电系统，可显著降低维护和电缆成本，提升经济可行性。