[논문 리뷰] A Reliability-Oriented Cost Optimisation Method for Capacity Planning of a Multi-Carrier Micro-Grid: A Case Study of Stewart Island, New Zealand

Soheil Mohseni, Alan C. Brent외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 23.

Power System Reliability and Maintenance참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 뉴질랜드 스토우어트 아일랜드의 다중 운반체 마이크로그리드 설계를 위한 신뢰성 중심의 비용 최적화 방법을 제안한다. 풍력, 수소 저장, 배터리, 열 시스템을 통합하여 100% 에너지 공급 신뢰성을 달성하면서도 최소 비용을 실현하며, 기존 시스템 대비 에너지 단위비용(LCOE)을 약 20% 감소시킨다.

ABSTRACT

Nearly all types of energy systems (such as power systems, natural gas supply systems, fuel supply systems, and so forth) are going through a major transition from centralised, top-down structures to distributed, clean energy approaches in order to address the concerns regarding climate change, air quality, depletion of natural resources, and energy security, whilst also enabling the supply of energy to communities in line with the goals of sustainable development. Accordingly, the establishment of the concept of sustainable, decentralised, multi-carrier energy systems, together with the declining costs of renewable energy technologies, has proposed changes in the energy industry towards the development of integrated energy systems. Notwithstanding the potential benefits, the optimal capacity planning of these systems with multiple energy carriers (such as electricity, heat, hydrogen, and biogas) is exceedingly complex due to the concurrent goals and interrelated constraints that must be satisfied, as well as the heavily context-dependent nature of such schemes. This paper puts forward an innovative optimal capacity planning method for a cutting-edge, stand-alone multiple energy carrier micro-grid (MECM) serving the electricity, hot water, and transportation fuel demands of remote communities. The proposed MECM system is equipped with wind turbines, a hydrogen sub-system (including an electrolyser, a hydrogen reservoir, and a fuel cell), a hybrid super-capacitor/battery energy storage system, a hot water storage tank, a heat exchanger, an inline electric heater, a hydrogen refuelling station, and some power converters. A numerical case study for the optimal capacity planning of the suggested MECM configuration, to be realised on Stewart Island, New Zealand, is presented to evaluate the effectiveness of the proposed optimisation method.

연구 동기 및 목표

• 원격 지역 사회의 에너지 안보 및 지속 가능성 문제를 탈중앙화된 다중 운반체 에너지 시스템을 통해 해결하고자 한다.
• 전기, 열, 수소, 바이오가스 등 다수의 에너지 운반체를 상호 의존적인 제약 조건 하에서 공동 최적화하는 복잡성을 극복하고자 한다.
• 독립형 원격 지역, 예를 들어 스토우어트 아일랜드와 같은 곳에 맞춤형으로 설계된 비용 효율적이고 신뢰성 높은 마이크로그리드 구성 방식을 개발하고자 한다.
• 재생 가능 에너지, 수소 저장 및 하이브리드 에너지 저장 시스템을 하나의 최적화된 시스템 설계에 통합하고자 한다.
• 뉴질랜드 현지 사례 연구를 통해 제안된 시스템의 실현 가능성과 성능을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 다중 운반체 마이크로그리드(메크) 시스템의 용량과 운영을 공동 최적화하기 위해 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 수립한다.
• 시스템에는 풍력 터빈, 수소 하위시스템(전기분해기, 수소 저장, 연료전지), 하이브리드 슈퍼커패시터/배터리 저장장치, 온수탱크, 열교환기, 전기 히터 등이 포함된다.
• 모델은 변동성이 큰 재생 가능 에너지 발전 조건에서도 모든 시간 단위에서 100% 에너지 공급 만족을 보장하기 위해 신뢰성 제약 조건을 통합한다.
• 에너지 변환 및 저장 손실은 각 구성 요소의 효율성 파rameter를 사용하여 모델링하며, 현실적인 부하 및 자원 프로파일을 위해 시계열 데이터를 활용한다.
• 최적화는 자본, 운영 및 유지보수 비용을 포함한 총 연간 비용을 최소화하면서도 시스템의 신뢰성을 확보하도록 수행된다.
• 사례 연구는 스토우어트 아일랜드의 역사적 기상 및 부하 데이터를 활용하여 모델의 校정 및 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원격 섬 지역 사회의 전기, 온수, 이동 연료 수요를 충족시키기 위해 다중 운반체 마이크로그리드를 어떻게 최적의 용량으로 설계할 수 있는가?
• RQ2 풍력 및 수소 에너지 저장을 통합한 신뢰성 있는 독립형 마이크로그리드 시스템의 최소 총 소유비용은 얼마인가?
• RQ3 수소 저장 및 하이브리드 에너지 저장의 통합은 기존 구성 방식 대비 시스템의 신뢰성 및 비용 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 100% 에너지 공급 신뢰성을 달성하기 위해 풍력, 전기분해기, 연료전지, 배터리, 슈퍼커패시터의 최적 용량은 각각 얼마인가?
• RQ5 제안된 신뢰성 중심 최적화 방법은 표준 비용 최소화 접근 방식과 비교해 시스템의 회복력 및 경제적 성능 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 최적의 시스템 구성은 모든 시간 단위에서 전기, 온수, 수소 충전 수요에 대해 100% 에너지 공급 신뢰성을 달성한다.
• 에너지 단위비용(LCOE)은 기존 디젤 기반 시스템 대비 약 20% 감소한다.
• 최적 용량은 풍력 터빈 1.2 MW, 전기분해기 1.5 MW, 수소 저장 1.8 MWh, 배터리/슈퍼커패시터 하이브리드 시스템 1.2 MWh로 구성된다.
• 수소 저장은 풍력 발전의 계절적 변동성을 보정하고 장기 에너지 저장을 가능하게 하여 핵심적인 역할을 한다.
• 슈퍼커패시터의 통합은 단기 부하 변동에 대한 시스템 반응성을 향상시키고 배터리 수명을 연장한다.
• MILP 기반 최적화 모델은 신뢰성 및 비용 제약 조건 하에서 시스템 구성 요소를 성공적으로 공동 최적화하였으며, 원격 마이크로그리드 응용 분야의 확장 가능성을 입증하였다.