[论文解读] 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 22

一句话总结

本研究建模了印度卡纳塔克邦、古吉拉特邦和泰米尔纳德邦的最低成本混合太阳能光伏（PV）与锂离子电池储能系统，以替代燃煤发电。研究发现，若太阳能光伏和电池储能成本每年持续下降6%，且资本成本低廉、太阳能光伏成本低于250美元/千瓦，则到2040年可实现燃煤发电的淘汰；当替代99%而非100%的燃煤发电小时数时，混合系统可实现40%的成本节约。

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.

研究动机与目标

• 评估在印度三个邦中，混合太阳能光伏与电池储能系统在替代燃煤发电方面的成本竞争力。
• 识别为实现2040年前燃煤发电淘汰，太阳能光伏与电池储能所需的成本演变路径。
• 评估电网灵活性机制在降低燃煤发电替代成本方面的作用。
• 比较太阳能光伏与风能在印度背景下与短时储能电池配对的相对适用性。
• 为印度电力部门在《巴黎协定》框架下的脱碳化进程提供具有政策参考价值的基准。

提出的方法

• 开发了一个优化模型，以确定满足简化的基荷和灵活燃煤发电负荷曲线的最低成本太阳能光伏、风能与4小时锂离子电池储能组合。
• 使用卡纳塔克邦、古吉拉特邦和泰米尔纳德邦20年小时级风能与太阳能资源数据，模拟发电输出。
• 建立一个成本最小化问题，受能量平衡、电池荷电状态约束、往返效率（75%）和容量限制的约束。
• 将目标发电负荷曲线设定为100兆瓦基荷（全天候运行）和随可再生能源可用性变化的灵活负荷曲线，基于真实净负荷数据进行验证。
• 将电池每小时的充放电限制在总容量的25%以内，以反映实际运行循环限制。
• 对电池寿命、效率和储能时长（4小时、6小时、8小时、10小时）进行敏感性分析，并使用瓦苏达基金会数据库中的真实燃煤电厂数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 印度混合系统与现有燃煤电厂实现成本竞争力，太阳能光伏与电池储能需满足何种成本演变路径？
• RQ2 当替代99%而非100%的燃煤发电小时数时，混合系统的平准化成本如何比较？
• RQ3 在印度各邦背景下，哪种可再生能源——太阳能光伏还是风能——更适于与短时储能电池配对？
• RQ4 电网灵活性机制在多大程度上可降低燃煤发电淘汰的成本？
• RQ5 资本成本（WACC）和系统寿命的假设如何影响混合系统的成本竞争力？

主要发现

• 太阳能光伏与电池储能成本每年需持续下降6%，才能使混合系统在成本上与燃煤电厂具有竞争力，并实现2040年前淘汰燃煤发电。
• 替代99%燃煤发电小时数的混合系统比替代100%的系统便宜约40%，表明电网灵活性机制具有关键作用。
• 太阳能光伏在混合系统中占主导地位，因其可预测性更高且成本更低，相较于风能更适于与短时储能配对。
• 在2.5%的WACC下，混合系统平准化成本（LCOE）为10至14美元/千瓦时，是当前燃煤边际成本（约3.0美元/千瓦时）的3至4倍。
• 在缺乏持续成本下降的情况下，当前系统成本尚不具备与燃煤发电的竞争力；混合系统成本需降低60%才能与燃煤发电的边际成本持平。
• 模型中使用的简化的灵活燃煤负荷曲线所产生的结果与卡纳塔克邦真实净负荷数据一致，验证了模型的稳健性。