[论文解读] PyPSA-ZA: Investment and operation co-optimization of integrating wind and solar in South Africa at high spatial and temporal detail

Jonas Hörsch, Joanne R Calitz|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Integrated Energy Systems Optimization被引用 8

一句话总结

PyPSA-ZA 提供了一个开源的、高分辨率的技术经济模型，协同优化南非电力系统的投资与运行，将风能和太阳能整合至27个区域，时间分辨率为小时级。研究发现，通过灵活的燃气发电和扩展的输电走廊，70%可再生能源的整合在成本上是最优的，实现95%的二氧化碳减排，仅带来20%的成本增加。

ABSTRACT

South Africa is in the fortunate position of having access to high-quality wind and solar resources promising energy production costs well below the ones projected for future installations of thermal generation; yet the feasibility of a low carbon energy system is still under scrutiny. This study introduces a spatially and temporally resolved techno-economic model co-optimising generation and transmission capacity investments and operation. 27 supply regions in South Africa are equipped with a year of time-series in hourly resolution based on the IRP2016 base-case assumptions. Eight different scenarios representing different restrictions on renewable generation and mitigation efforts of GHG emissions are evaluated and discussed. 70% of energy from renewable sources were found to be cost-optimally integrated using flexible gas generation and the expansion of several transmission corridors. A 95% CO${}_2$ reduction leads to a moderate 20% cost increase. The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future South African energy system, primarily based on renewable wind and solar resources.

研究动机与目标

• 通过高分辨率的空间与时间建模，评估南非电力系统深度脱碳的可行性与成本效益。
• 评估灵活燃气发电、电池储能和输电扩展在实现高比例可再生能源渗透中的作用。
• 比较不同二氧化碳减排目标及可再生能源部署限制下的各种情景。
• 提供一个基于免费公开数据的透明、开源模型，用于利益相关方驱动的能源系统规划。
• 通过实证表明，煤电与核电扩张在经济与环境上均非最优，从而挑战当前的国家能源规划。

提出的方法

• 该模型采用 PyPSA 框架求解线性规划问题，以最小化总年系统成本，包括投资与运营成本。
• 在27个区域和8,760小时的时间范围内，优化发电与储能容量（G_n,s）、输电容量（F_ℓ）以及每小时的调度（g_n,s,t）。
• 通过线性化的直流潮流方程对电力流进行建模，利用关联矩阵和节点平衡方程确保网络约束得到满足。
• 可再生能源发电受随时间变化的可用性（ĝ_n,s,t）约束，其数据源自历史气象与负荷数据。
• 储能单元通过包含充电/放电效率、初始储能水平和损耗的储能平衡方程进行建模。
• 模型强制要求储能周期结束时的能量水平与初始值一致（e_n,s,0 = e_n,s,T），并为常规发电机组设置了爬坡率限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 为满足南非2040年电力需求并实现高比例可再生能源渗透，实现成本最优的风能、太阳能、燃气、储能及输电基础设施组合应如何配置？
• RQ2 提高二氧化碳减排目标如何影响南非电力系统的系统成本与技术选择？
• RQ3 输电扩展与灵活发电在多大程度上可减少对额外储能和化石燃料容量的需求？
• RQ4 当前国家能源规划中偏好煤电与核电的方案，与基于可再生能源的方案相比，在经济与环境方面有何差异？
• RQ5 哪些关键输电走廊能够实现从西北部偏远风能与太阳能资源区到约翰内斯堡附近负荷中心的低成本整合？

主要发现

• 70%可再生能源在电力结构中的占比在成本上是最优的，通过灵活燃气发电、电池储能和有针对性的输电扩展实现。
• 在实现95%二氧化碳减排的情景下，总系统成本仅比基准情景增加20%，表明在适度成本增加下可实现高度脱碳。
• 从 EAST LONDON 到 PINETOWN，以及从 NAMAQUALAND/KIMBERLEY 到南非中部东部的输电走廊，是实现可再生能源低成本整合的关键。
• 强制建设10吉瓦的新煤电与核电容量将使成本上升至600–630 R/MWh，且二氧化碳排放量比低碳情景高出15–16倍。
• 该模型表明，当前国家能源规划在经济上效率低下，因其导致显著更高的排放量，而成本却相当或更高。
• 该模型的开源特性及其基于免费公开数据的依赖，使得南非及整个地区能够实现透明、协作与可复现的能源系统分析。