可再生能源产能与能源存储技术的综合投资优化决策及应用研究

Integrating the renewable technology with batteries for energy storage plays a pivotal role in reducing the consumption of energy from fossil fuels and thus minimizing its impact on the environment. This project studies a firm’s infrequent and irreversible strategic capacity investment in a portfolio of technologies that are used to meet stochastic demand. The technologies have different initial investments and operating costs, and the operating costs follow different stochastic processes that may be correlated with each other, with demand and with a spot market price for sourcing the capacity. In addition, the yield of the more sustainable technology such as wind or solar is also stochastic and may have a positive or negative correlation with demand and possibly the spot market price. This project will provide a framework for evaluating the trade-offs of investing in sustainable technologies. In addition, this project is the first to provide an analytical framework for assessing battery investment and replacement decisions for energy shifting. The yield uncertainty from the renewable technologies implies that the excess energy after fulfilling the demand can be stored in the battery for later use when the energy generated by renewable resources is insufficient. We develop a model to characterize the empirical relationships among battery capacity, depth of discharge, and useful life. The model will allow us to find the optimal battery capacity and replacement timing under constant and stochastic demands for energy shifting.

近些年来可再生能源技术与电池储能设备的应用与整合对节约能源和环境保护都起着非常重要的作用。首先，本课题将研究一个企业对多种可再生能源技术和传统能源技术的战略层面的组合投资问题。不同能源技术的产能存在初始投资和运营成本方面的差别，并且这些运营成本可能是随机的，相互关联的，并受到随机能源需求以及现货市场的能源价格的影响。可再生能源技术（如风能或太阳能）的生产效率也具有随机性。本课题研究投资多种可再生能源技术和传统能源技术的模型及最优策略。第二，本课题是第一个基于实际数据、对复杂的电池储能设备及其容量衰减建立分析模型的研究。可再生能源的产出具有不确定性，而电池储能设备可以通过充放电缓解这一不确定性带来的不足。本课题刻画了电池的储能能力、充放电程度、电池使用寿命三者之间的关系。我们前期研究发现电池的模式可以归纳为两类。 给定不同的模式及能源需求，我们将提出电池储能设备的最优投资、使用及更换策略。

本项目研究主要集中于可持续运营管理理论和机制设计基础理论的研究。前者利用运筹学等方法，为企业绿色能源技术提供投资决策模型。后者专注基础经济理论的研究，在信息不对称条件下分析如何激励企业、个人提高绩效。为推广绿色运营实践、农业扶贫计划等提供理论基础。..在可持续运营管理理论研究方面，着重分析可再生能源与传统能源技术的投资组合策略，以及投资储能设备对提高可再生能源技术的利用率的影响。包括“十三五”生态环境保护规划和可再生能源发展“十三五”规划在内的政策促使投资可再生能源技术(如利用风能、太阳能等)的产能成为很多企业战略性产能投资中的决策。这部分研究为企业提供了在不确定条件下（能源价格、需求等波动等条件下）量化的投资决策模型。（详见研究成果一）..在机制设计基础理论研究方面，主要研究基于不对称信息和有限责任情境下的契约设计理论。这部分工作的主要贡献是为这个难于求解的经典的激励机制设计问题提供了一个相对容易的求解方法，特别是为一些常见于企业运营中、但不能用已有文献中方法求解的契约制定问题提供了解决方案并刻画了最优契约的结构（详见研究成果二）..此外，项目负责人的一些研究隶属于前两个研究方向的交叉领域，包括以促进可持续商业实践为目标的“绿色”激励政策的设计和评估，特别是在提高农民种植收益方面的应用。（详见研究成果三）