یک مدل اقتصادی برای مصرف خانگی انرژی، تولید، ذخیره سازی و تکیه بر انرژی پاک

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2. مدل BENCHMARK

3. تولید انرژی با اندازه گیری و ذخیره سازی شبکه

3.1 حداقل هزینه بدون هزینه نگهداری انرژی

3.2 کم هزینه سازی(حد اقل سازی هزینه)  با هزینه ذخیره انرژی

3.3. درخواست میسوری

شکل 1: قیمت خرده فروشی برق و وابستگی مطلوب به انرژی پاک کننده 

شکل 2: نرخ باز خرید و وابستگی مطلوب به انرژی پاک کننده

شکل 3: شیب هزینه حاشیه ذخیره سازی و وابستگی به انرژی پاک بهینه

4.یافته ها و بحث

5.نتیجه گیری

مدل های اقتصادی که چارچوبی برای درک عوامل تعیین کننده مصرف انرژی خانوار و میزان وابستگی به انرژی پاکیزه هستند، به رغم تعداد روزافزون خانه های مسکونی خورشیدی، در دسترس نیستند. این مطالعه چارچوبی نظری را برای درک ارتباط بین مصرف انرژی، تولید، ذخیره سازی و وابستگی به انرژی پاک ارائه می دهد. یافته های ما نشان می دهد که (i) خانوار هایی که انرژی تولید می کنند، می توانند انرژی بیشتری از خانواده هایی که انرژی تولید نمی کنند، مصرف کنند (ii) وابستگی اقتصادی بهینه انرژی خورشیدی بستگی به قیمت های انرژی، درآمد و شیب هزینه ذخیره انرژی حاشیه ای دارد. (iii) ارتباطی بین وابستگی به انرژی پاک (یا تقاضای انرژی) و سطح کارایی فن آوری های تبدیل انرژی وجود ندارد و (iv) وقتی نرخ بازپرداخت برابر با نرخ جزئی برق است، وابستگی به انرژی تولید شده می تواند صفرباشد و تقاضای انرژی یک خانواده تولید کننده ممکن است برابر با همتای غیر تولید کننده آن باشد.

استفاده از انرژی خورشیدی در بخش مسکونی ایالات متحده، در طول دو دهه گذشته، به آرامی، اما به طور مداوم به دست آمده است. طبق EIA (2016) تولید انرژی خورشیدی به عنوان یک درصد از تمام انرژی های تجدید پذیر تولید شده در بخش مسکونی از 10 درصد در سال 1994 به 39 درصد در سال 2015 افزایش یافته است که عمدتا به دلیل استفاده از سیستم های فتوولتائیک خورشیدی (PV) نصب شده در خانه ها بوده است. تقریبا تمام ماژول های PV که در سال 2012 به بخش مسکونی منتقل شدند، سیستم های PV توزیع شده شبکه (EIA، 2012) بود. این نشان می دهد که سیستم های تولید مجتمع مسکونی معمولا به شبکه برق متصل می شوند. انتظار می رود که انرژی خورشیدی در انرژی تجدیدپذیر در بخش مسکونی در آینده افزایش یابد (EIA ایالات متحده، 2017). این مقاله یک مدل اقتصادی را برای درک تاثیر درآمد، نرخ های خرده فروشی، سیاست های اندازه گیری خالص و هزینه ذخیره سازی بر تقاضای انرژی خانوار و وابستگی بهینه آن در تولید انرژی در برابر خرید از شبکه ایجاد می کند. ما با مدل های قبلی با ترکیب تولید پراکنده و ذخیره انرژی در مدل استاندارد تقاضا برای خدمات انرژی مشارکت می کنیم. تولید انرژی های تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی یک خانواده را نه تنها مصرف کننده برق بلکه همچنین تولید کننده انرژی پاک نیزمی کند. مطالعات متعددی به یک خانوار با ظرفیت تولید انرژی به عنوان ساختار "prosemuer" در مفهوم تولید و مصرف اشاره دارد. به عنوان مثال، سان و همکاران. (2013) یک مدل اقتصادی برای انرژی های توزیع شده را ارائه می دهد؛ و مک گیل و اسمیت (2017) تجربیات عمیق از آینده در استرالیا را بیان می کنند. یکی دیگر از اصطلاحات مشابهی که در ادبیات تحقیق استفاده می شود، "prosumage" است که نشان دهنده آینده ای با ظرفیت ذخیره انرژی برای افزایش خود مصرفی است. گرین و Staffell (2017) به مطالعه خانواده های بریتانیا که از ذخیره سازی برای به حداکثر رساندن خود مصرفی انرژی تولید شده خود استفاده می کنند پرداخته است. شیل و همکاران (2017) درباره مزایا و معایب فرسایش انرژی خورشیدی در آلمان بحث می کند. IEA (2014) انواع مختلفی از prosumer را بسته به روابط آنها با شرکت های محلی مشخص می کند. برخی از prosumerها می توانند با استفاده از ترکیبی از انرژی خورشیدی، باتری های ذخیره شده و تکنولوژی های بهره وری انرژی، 100٪ نیازهای انرژی خود را به شبکه متصل کنند. با این حال، مطالعاتی نظیر IEA (2014) و Borenstein (2017) این سناریو را کمتر نشان می دهند زیرا در حال حاضر از لحاظ اقتصادی امکان پذیر نیست. نوع واقع گرایانه prosumer ها در شرایط کنونی بازار، صاحب خانه هایی هستند که برخی از تقاضای انرژی خود را از تولیدات خود برآورده می کنند، اما همچنان برخی از انرژی را از شبکه خریداری می کنند (صرف نظر از مالکیت باتری). با استفاده از اندازه گیری خالص، آنها می توانند انرژی اضافی را به شبکه ارسال کنند (Jansson، 2016). Coughlin و Cory (2009) معتقدند که دلیل اصلی برای صاحبان خانه برای نصب سیستم های خورشیدی PV این است که هزینه های مصرفی خود را با مصرف کمتر از شبکه کاهش دهند. علاوه بر این،به صورت بالقوه احتمال اعتبار سنجی خالص به عنوان یک نتیجه از تولید انرژی بیشتر از حد مورد نیاز وجود دارد. به همین ترتیب، Borenstein (2015) شواهدی را دریافت می کند که ساختار قیمت برق در سطح کالیفرنیا موجب افزایش ارزش انرژی خورشیدی برای خانوارهای مصرف کننده انرژی شده است. کاهش هزینه نصب PV خورشیدی یکی دیگر از محرک های مهم تولید انرژی توزیع شده در بخش مسکونی است. فوئل و همکاران (2016) نشان می دهند که نوسانات تنظیم شده در یک pv خورشیدی معمولی از سال 2009 تا سال 2016 به میزان 58.5 درصد کاهش یافته است. این کاهش به طور عمده ناشی از کاهش قیمت ماژول ها است. انتظار می رود کاهش هزینه های PV به دلیل نوآوری های تکنولوژیکی، بهینه سازی محصول و یادگیری با انجام این کار رو به گسترش باشد(IEA، 2014؛ Pillai، 2015). در نهایت، سیاست نظارتی مطلوب و مشوق های مالی، بسیاری از خانوارها را مجبور به نصب سیستم خورشیدی PV (Coughlin and Cory،کرده است 2009؛ Bauner and Crago، 2015). در ژوئیه 2016، 41 ایالت ایالات متحده و DC، و سه سرزمین ایالات متحده (ساموآی آمریکا، جزایر ویرجین ایالات متحده و پورتوریکو) قوانین اندازه گیری خالص دولت را توسعه داده اند (گزارش DSIRE، 2016) که مستلزم بازپرداخت شرکت های تامین کننده و یا تامین اعتبار برای برق اضافی که آنها به شبکه ارسال می کنند می باشد. با این حال، کافلین و کوری (2009) و IEA (2014) نشان می دهند که اندازه گیری های خالص توسط خود کافی نیست تا شرایط اقتصادی را برای تولید انرژی توزیع شده فراهم کند، زیرا به دلایل دیگر، کمپانی های تأمین کننده همواره نمی توانند انرژی اضافی را با نرخ جزئی خریداری کنند. علاوه بر این، IEA (2014) استدلال می کند که هر عدم انطباق بین تولید حداکثر PV و خود مصرفی بالاتر، از کاربرد PV خورشیدی در بخش مسکونی جلوگیری می کند. به عنوان مثال، اگر یک prosumer بدون ظرفیت ذخیره سازی همیشه در دوران اواسط روز از خانه دور باشد(در منزل نباشد)، زمانی که تولید بالاتر باشد، مقدار بیشتر انرژی خورشیدی همچنان به شبکه بازگردانده می شود و مصرف خود را کاهش می دهد. این نشان می دهد که ذخیره سازی انرژی مقرون به صرفه یکی دیگر از عواملی است که می تواند در محل تولید پراکنده مورد کاربرد قرار گیرد(Cunha and Ferreira، 2014؛ Grantham et al.، 2017). به دلیل ناسازگاری بین مصرف انرژی و تولید، خانوارها ممکن است مجبور به تکیه بر ترکیبی از اندازه گیری خالص و ذخیره انرژی باشند. ذخیره سازی انرژی اجازه می دهد که خانوار بتواند از اوج تولید خود در زمان های دیگر مانند بعد از ظهر استفاده کند، در حالیکه اندازه گیری خالص اجازه می دهد که خانوار هر گونه تولید بیش از حد را به شرکت تأمین کننده برای جبران برخی از خسارات بدهد (Perez et al.، 2004). مطالعه توسط Provost (2014) شواهدی را برای کاهش هزینه های ذخیره انرژی به دست می آورد، که اجازه می دهد خانوارهای مسکونی انرژی مصرف شده خود را با کمترین نیاز به فروش بیش از حد انرژی به مصرف برسانند. انتظار می رود چنین سامانه های ذخیره سازی انرژی برای کاهش انرژی و حفاظت در برابر قطع برق کارآمد باشد (Ton et al.، 2008؛ آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر، 2014). ذخیره انرژی برای PVs های مسکونی وابسته به شبکه، توانایی 100 خانوار را برای مصرف بیشتر از انرژی پاک افزایش می دهد و به طور طبیعی مقدار بازگشتی به شبکه را کاهش می دهد (Grantham et al.، 2017). برنامه های ذخیره سازی انرژی به سیستم های PV متصل به شبکه های مسکونی سریع پیشرفت می کنند. با این حال، هیچ مدل اقتصادی وجود ندارد که چارچوبی برای درک سطح مطلوب اقتصادی مصرف انرژی و میزان وابستگی به انرژی پاک را برای خانوارهای با توانایی تولید و ذخیره انرژی فراهم کند (Timmons et al.، 2014؛ Heal، 2009). سهم این مطالعه در تقاطع دو شاخه از ادبیات موجود در مورد نسل دوم تولید انرژی خورشیدی مسکونی است: مطالعاتی که تقاضای خانوارها برای خدمات انرژی را بررسی می کند و مطالعاتی که محرک های اقتصادی برای تصویب PV خورشیدی را بررسی می کنند. مطالعاتی مانند هانت و رایان (2014) و سانستاد (بدون تاریخ) مدل های مورد استفاده برای بررسی مصرف انرژی خانوار را اتخاذ می کنند؛ گورتین و همکاران (2003) شواهدی را نشان می دهد که تقاضا برای خدمات انرژی مسکونی تحت تاثیر قیمت ها و درآمد است. هیچ یک از این مطالعات امکان تولید انرژی و ذخیره سازی توسط خانوار را نشان نمی دهد. خانوارهایی که دارای قابلیت تولید و ذخیره سازی هستند (به عنوان مثال، PV ها و باتری ها)، متغیرهای انتخابی اضافی و سایر پارامترهای مرتبط در تصمیم گیری های انرژی خود را در مقایسه با همتایان وابسته به شبکه خود دارند. چنین اطلاعات اضافی می تواند رفتار مصرف انرژی خود را تغییر دهد و ویژگی های دیگری را تولید کند. Borenstein (2017) و Borenstein and Davis (2015) ویژگی هایی را بررسی می کنند که بیشتر به خانواده ها امکان می دهد که PV PV را دریافت کنند. آنها دریافتند که خانوارهای با درآمد بیشتر و بیشترین مصرف کنندگان برق احتمال بیشتری برای استفاده از PV خورشیدی دارند. مطالعات دیگر به نقش مشوق های دولتی و کاهش قیمت PVS اشاره می کند (Coughlin and Cory، 2009؛ Fu et al 2016). پس از اتخاذ این تصمیمات خانوارها مشخص نیست که چگونه این موارد (مثلا درآمد بالاتر، تقاضای بالاتر) و سایر متغیرها بر میزان مصرف انرژی تولید شده، ذخیره شده و فروش شده توسط خانوار تاثیر می گذارد. هدف این مطالعه ارائه چارچوب اقتصادی بسیار مورد نیاز برای درک ارتباط بین مصرف انرژی، تولید انرژی، ذخیره سازی و تکیه بر انرژی پاکیزه است. ما یک مدل بهینه سازی هزینه و حداکثر سازی سود را معرفی می کنیم که می تواند برای درک تاثیر درآمد خانوار، ساختارهای نرخ (قیمت خرده فروشی برق و قیمت پیش خرید) و هزینه ذخیره سازی بر تقاضای انرژی، توان مصرفی بالاتر درصد تولید انرژی و انرژی فرستاده شده به شبکه موثر می باشد. در بخش 2 ما یک مدل معیار مصرف انرژی برای خانوارهایی که انرژی تولید نمی کنند ارائه می دهیم. در بخش 3 ما خانه تولید انرژی (به عنوان مثال انرژی خورشیدی توزیع شده) را معرفی می کنیم و آن را به صورت زیر تحلیل می کنیم که در آن ذخیره انرژی آزاد است و زمانی که ذخیره انرژی شامل برخی هزینه ها می شود، فرض واقعی تر است. بخش 4 در مورد نتایج و پیامدهای اصلی با ارائه یک روش برای اعتبارسنجی مدل بحث می کند. بخش 5 با طرح پرسش برای کار آتی نتیجه گیری می کند.