[论文解读] Distributed photovoltaics provides key benefits for a highly renewable European energy system

Parisa Rahdan, Elisabeth Zeyen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Smart Grid Energy ManagementEngineering被引用 3

一句话总结

本研究采用181个空间节点和2小时时间分辨率的高分辨率欧洲能源系统模型，表明分布式光伏（PV）的整合使各类情景下的总系统成本降低1.4%–3.7%，主要得益于负荷峰值降低和配电网容量需求减少。分布式光伏提升了自给自足能力，并与热泵和电动汽车电池等跨部门耦合技术形成互补。

ABSTRACT

Distributed solar photovoltaic (PV) systems are projected to be a key contributor to future energy landscape, but are often poorly represented in energy models due to their distributed nature. They have higher costs compared to utility PV, but offer additional advantages, e.g., in terms of social acceptance. Here, we model the European power network with a high spatial resolution of 181 nodes and a 2-hourly temporal resolution. We use a simplified model of distribution and transmission networks that allows the representation of power distribution losses and differentiates between utility and distributed generation and storage. Three scenarios, including a sector-coupled scenario with heating, transport, and industry are investigated. The results show that incorporating distributed solar PV leads to total system cost reduction in all scenarios (1.4% for power sector, 1.9-3.7% for sector-coupled). The achieved cost reductions primarily stem from demand peak reduction and lower distribution capacity requirements because of self-consumption from distributed solar. This also enhances self-sufficiency for countries. The role of distributed PV is noteworthy in the sector-coupled scenario and is helped by other distributed technologies including heat pumps and electric vehicle batteries.

研究动机与目标

• 评估分布式光伏（PV）对高度可再生欧洲能源系统中成本、电网需求和自给自足能力的影响。
• 解决由于分布式光伏空间分布广泛且单位成本较高，导致其在宏观能源系统模型中代表性不足的问题。
• 评估分布式光伏如何与涉及供暖、交通和工业的跨部门耦合系统相互作用并提供支持。
• 量化分布式光伏通过本地发电和自用电能，在减少配电网阻塞和输电损耗方面的作用。
• 探索分布式光伏与其他分布式技术（如热泵和家用电池）之间的协同效应，以实现去中心化、更具韧性的能源系统。

提出的方法

• 本研究采用181个空间节点和2小时时间分辨率的高分辨率能源系统模型，以表征欧洲电力网络。
• 使用简化的配电网与输电网络表示方法，区分集中式与分布式发电及储能，并考虑配电网损耗。
• 建模三种情景：仅电力情景和两种集成供暖、交通与工业的跨部门耦合情景。
• 在成本最小化目标下优化技术部署与系统运行，整合所有技术的详细成本与性能参数。
• 关键技术输入包括空间分辨的太阳辐射数据、负荷曲线以及电网基础设施成本，明确建模了反向潮流与电压约束。
• 通过评估系统总成本、自用电率与国家自给自足水平，衡量分布式光伏的效益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高度可再生的欧洲能源系统中，分布式光伏的引入如何影响总系统成本？
• RQ2 与仅采用集中式光伏相比，分布式光伏在多大程度上降低了负荷峰值与配电网容量需求？
• RQ3 在跨部门耦合能源系统中，分布式光伏对国家自给自足与系统韧性有何贡献？
• RQ4 热泵与电动汽车电池等分布式技术如何与分布式光伏协同作用，以提升系统效率并降低系统成本？
• RQ5 在城市与农村配电网中，更高比例的分布式光伏部署与电网集成成本之间存在何种权衡？

主要发现

• 在仅电力情景中，引入分布式光伏使总系统成本降低1.4%；在跨部门耦合情景中，成本降低幅度为1.9%–3.7%。
• 主要成本降低源于本地自用电能带来的负荷峰值下降，以及由此减少的配电网容量需求。
• 分布式光伏显著提升了国家自给自足水平，尤其在屋顶光伏潜力高且本地需求强劲的国家。
• 在跨部门耦合情景中，分布式光伏与热泵及电动汽车电池产生协同效应，提升整体系统效率并减轻电网压力。
• 尽管单位千瓦成本高于集中式光伏，但分布式光伏通过避免电网扩容与运行成本，实现了净系统成本节约。
• 模型显示，由于本地发电，配电网损耗降低，且在模型约束范围内，反向潮流得到有效管理。