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カリフォルニア州が太陽光発電エネルギー普及率50%を達成に要するエネルギー貯蔵設備に 求められる条件

出典:National Renewable Energy Laboratory (NREL) Home Page
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“Energy Storage Requirements for Achieving 50% Solar Photovoltaic Energy Penetration in California”
Paul Denholm and Robert Margolis,National Renewable Energy Laboratory
“http://www.nrel.gov/docs/fy16osti/66595.pdf
[Technical Report:NREL/TP-6A20-66595 August 2016
Prepared under Task No. TM13.1514]

== 論文要約 ==

新エネルギーの利用に関する特別措置法との組み合わせによる太陽光発電(PV)技術の急速なコスト低下が、カリフォルニア州の太陽光発電導入の増加を加速している。しかし、太陽資源の変動は、エネルギー貯蔵などのような技術を有効にしなければ、展開することができた太陽光発電量に関する不確実性を生じてしまう。
太陽光発電導入の重要な制限要因は、システムの需要と供給のバランスのために、システム運営者によって拒絶される必要のある太陽光発電エネルギーまたは削減である。
今日までカリフォルニア州の太陽光発電普及率の最も高い公開分析値は、年間のエネルギーベースで20%-約25%までの太陽光発電の普及レベルに焦点を当てている。本稿では、(再生可能な普及率66%を超える)カリフォルニアで以前の分析を超えて最大50%の太陽光発電の普及率を探索する。そして蓄電の潜在的な役割を検証する。

具体的には、許容可能なレベルまで太陽光発電の削減を維持する必要があるかもしれない蓄電量を調べる。許容可能な削減量は多くの要因に左右され、この分析では2030年の複合サイクル発電機の推定変動費用よりも追加太陽光発電の増分費用を抑える目標削減レベル、あるいはキロワット時(kWh)当たり約7セントを目指す。蓄電の役割を分析するには、グリッドの進化と様々な柔軟性オプションの展開が必要である。

蓄電を評価する前に、まず最初に増加した発電機の柔軟性、需要応答、輸出、および電気自動車の影響を考慮する。我々は、これらの手段は太陽光発電の潜在的な普及を大幅に増加させると見ている。:しかし、非常に柔軟な電源システムであっても、太陽光発電の50%普及を可能にするには追加の蓄電器が必要になる。

蓄電要件の背後にあるもう一つの重要な要素は、太陽光発電のコスト進化だ。2030年の目標年を想定すると、太陽光発電では3セント/ kWhという低コストレベルの平準化電気料金(LCOE)を達成するための妥当な方法が存在する。これにより、太陽光発電は非常に高い削減率を有し、7セント/kWhの「正味-LCOE」目標を達成することができる。正味のLCOEは、削減および貯蔵損失を考慮した後にグリッドが使用できるエネルギーのコストとして定義される。

我々は表ES-1に示すように、低、中、高の柔軟性のケースセットを確立する。最小発電レベルは、技術的・制度的特性に基づいて、熱および水力発電機からの要求発電量を表している。現在のシステム最小発電レベルの一つの推定値は約15ギガワット(GW)である。
柔軟性の向上は、(特に熱・電併給所で)長期契約を変更するだけでなく、熱発電機の毎日のサイクリングで経験を積むことによって達成されるであろう。
輸出能力の増加は、カリフォルニア周辺州と日々のリアルタイムでエネルギーを売買するための新しい仕組みを作り出すことに大きく依存する。
増加した需要対応のケースは、電力消費者の大部分にわたる使用時間またはリアルタイム価格設定の、より大きな採用に依存する。
最後に、カリフォルニア軽車両の25%を占める640万台の電気自動車の採用を検討し、これらの車両の大半が昼間の太陽光発電の使用を最大限にするために最適に充電されると想定している。

表ES-1.柔軟性シナリオの特徴

柔軟性レベル          低    中間   高
——————————————————————————————————
最小発電レベル (GW)     10     8.75    7.5

輸出容量 (GW)          2.5    5     10

需要応答有効性        0.4/22  2/10     4/21
(GW ピーク値/平均日常GWh)*

EVの普及率            5%   15%    25%
(軽車両の% )

最適に充電されたEVの率   33%   50%    75%

* これらの値は、最高の太陽光発電削減の月の間におけるピークと平均シフト可能な負荷 を表す

図ES-1は、表ES-1で定義された3つの柔軟性のシナリオについては、7セント/ kWhでの増分正味LCOEの目標を維持しながら、太陽光発電の50%の普及率を達成するために必要な蓄電量をまとめている。蓄電器は8時間の放電容量と80%の往復効率を有すると仮定されている。x軸は、太陽光発電の「基本」コスト、または縮小を仮定しないLCOEを表す。

図ES-1. 7セント/kWhの限界正味太陽光発電LCOEを達成するために必要なエネル      ギー貯蔵量

ernl_es-1modi

図ES-2に示すように、非常に低コストの太陽光発電(3セント/kWhで)と柔軟性の高い発電システムによって、エネルギー貯蔵の約19ギガワットは、7セント/kWhの限界正味の太陽光発電LCOEと共に、50%の太陽光発電の普及を可能にする、すなわちカリフォルニアのコンバインドサイクルガス発電装置の計画的変動費に匹敵する。

図ES-1は、グリッドの柔軟性を低くしたり太陽光発電コストを高めたりする場合の蓄電要件の大幅な増加を示している。柔軟性の高いケースをより詳細に検討することで、大量の太陽光発電をサポートするために必要な新しいエネルギー貯蔵容量の追加情報を得ることができる。

図ES-2は、7セント/kWh正味LCOEという太陽光発電の目標を達成するために必要とされるであろう(2020年までに構築されることが期待される蓄電を超えて)追加のストレージの量を示している。これには、40%および50%の太陽光発電普及率の両方に必要な蓄電容量が含まれている。
トップバーは、低コスト(3セント/kWh)太陽光発電という高い柔軟性のケースである。この非常に柔軟なシステムでは、蓄電器が2020年までに設置されていれば40%の太陽光発電普及を十分サポートできる。50%の太陽光発電を達成するには、2030年までに約15GWの追加蓄電容量が必要である。
また、より積極的な柔軟性の仮定の2つを変更する場合も検討する。2番目のバーは、電気自動車普及率を25%から5%に下げる(または、2030年までにカリフォルニアの130万台の電気自動車に達する)。
3つ目は、ベース太陽光発電のLCOEを5セント/kWhに増やすことでベースケースを変更する。これは、2020年までに予想される太陽光発電コストをわずかに下回るものに過ぎないと仮定している。
最後に、これらの柔軟性の低いシナリオを組み合わせたケースを示す。第4のバーに示されているように、カリフォルニアが電力網の運用の柔軟性を大幅に向上させることは可能だが、電気自動車の広範な導入や太陽光発電コストの大幅な削減を達成できない場合、太陽光発電普及率を40%にするには約10GWの、そして50%にするには約28GWの、新しい蓄電器が必要になる。

図ES-2. 7セント/kWh正味LCOEという太陽光発電の目標を達成するために必要とされ     る追加の蓄電容量

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非常に大量の太陽光発電をサポートするのに必要な蓄電器容量は、そのコストの低下によって最小コストのフレームワークに収まる可能性がある。2014年には、カリフォルニア州には約22GWの化石燃料採掘能力があり、そのうちの14GWは25年以上経っている。この能力が枯渇すると、コスト競争力のあるエネルギー貯蔵がその大部分を置き換えることができ、カリフォルニアが気候目標を達成する方向に進むにつれて太陽光発電の普及率を高めることができる。