[논문 리뷰] A renewable power system for an off-grid sustainable telescope fueled by solar power, batteries and green hydrogen

Isabelle Viole, Guillermo Valenzuela-Venegas외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 25.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양광, 배터리, 그린 수소 저장 및 연료 전지 기반의 재생 가능 에너지 시스템을 도입하여 디젤 발전기 대체를 위한 이산화탄소 배출이 낮은 태양열 반사율이 낮은 고도의 Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope(AtLAST)의 태양광 발전 시스템을 제안한다. 최적화된 시스템은 전기의 등가비용(LCOE)을 116달러/MWh로 확보하고, 디젤 중심 기준 대비 태양계의 탄소 배출량을 95% 감소시켜 원거리 천문학 시설에 대한 탄소 배출이 낮은 실현 가능한 모델을 입증한다.

ABSTRACT

A large portion of astronomy's carbon footprint stems from fossil fuels supplying the power demand of astronomical observatories. Here, we explore various isolated low-carbon power system setups for the newly planned Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope, and compare them to a business-as-usual diesel power generated system. Technologies included in the designed systems are photovoltaics, concentrated solar power, diesel generators, batteries, and hydrogen storage. We adapt the electricity system optimization model highRES to this case study and feed it with the telescope's projected energy demand, cost assumptions for the year 2030 and site-specific capacity factors. Our results show that the lowest-cost system with LCOEs of $116/MWh majorly uses photovoltaics paired with batteries and fuel cells running on imported and on-site produced green hydrogen. Some diesel generators run for backup. This solution would reduce the telescope's power-side carbon footprint by 95% compared to the business-as-usual case.

연구 동기 및 목표

• 고도가 높고 이산화탄소 배출이 낮은 원거리 천체망원경인 Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope(AtLAST)의 태양광 발전 시스템을 설계하여 화석 연료 의존도를 줄이기.
• 고도가 높고 원거리 조건에서 태양광, 집중 태양열, 배터리, 그린 수소, 디젤 비상 전원 간의 기술적 경제적 상호 보완성을 평가하기.
• 기술 학습률과 시스템의 집중화가 비용과 이산화탄소 배출에 미치는 영향을 평가하기.
• 원거리 과학 기반 시설용으로 확장 가능하고 오픈소스 기반의 지속 가능한 전력 시스템 모델 제공하기.

제안 방법

• 고도가 높고 에너지 수요가 특수한 AtLAST의 요구에 맞게 고도가 높은 고도에서의 성능에 맞게 조정된 highRES 에너지 시스템 최적화 모델을 사용하여 100개 이상의 하이브리드 전력 시스템 구성 요건을 시뮬레이션하고 비교하였다.
• ERA5에서 확보한 시간대별 태양 복사량 데이터와 현장 특화된 발전 능력 계수를 사용하였으며, 고도에 따른 성능 저하 요인도 포함하였다.
• 30년 수명 동안 최소 전기의 등가비용(LCOE)을 최적화하기 위해 자본지출(CAPEX), 운영유지비(OPEX), 기술 학습률을 포함한 모델을 구축하였다.
• 과잉 태양광 에너지를 이용해 알칼리성 및 PEM 전기분해기를 통해 그린 수소를 생산하고, 압축 가스(CG) 탱크에 저장하여 이후 연료 전지에서 사용하였다.
• 배터리 저장과 수소 기반 하이브리드 에너지 저장를 비교하여 시스템의 내구성과 비용 효율성을 평가하였다.
• 구성 요소 비용, 기술 학습률, 시스템 집중화에 대한 민감도 분석을 수행하여 시스템의 탄력성과 확장 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계절적이고 안정적인 에너지 수요를 가진 대규모 고도의 천체망원경에 대해, 가장 저렴한 원격 재생 가능 전력 시스템 구성은 무엇인가요?
• RQ2 100% 재생 가능 시스템과 디젤 비상 전원이 포함된 시스템 간의 시스템 비용과 이산화탄소 배출량은 어떻게 달라지며, 신뢰성과 LCOE 간의 상호 보완성은 어떠한가요?
• RQ3 단일 저장 솔루션 대비 그린 수소와 배터리 저장이 과잉 생산을 줄이고 시스템 안정성을 향상시키는 데 얼마나 기여할 수 있나요?
• RQ4 기술 학습률과 Chajnator 높이 지역의 다수 천체망원경을 위한 집중형 인프라가 시스템 경제성과 이산화탄소 배출에 미치는 영향은 어떠한가요?
• RQ5 고도 조건이 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 저하 요인은 최적의 기술 조합에 어떻게 영향을 미치나요?

주요 결과

• 최적의 시스템은 태양광, 배터리, 연료 전지 기반의 그린 수소를 조합하여 전기의 등가비용(LCOE)을 116달러/MWh로 확보하며, 디젤 비상 전원을 최소화하였다.
• 이 최적의 시스템은 디젤 중심 기준 대비 태양계의 전력 부문 탄소 배출량을 95% 감소시켰다.
• 배터리 또는 수소 저장만을 사용하는 시스템은 LCOE가 1~12% 높아져 하이브리드 저장 방식이 더 높은 비용 효율성을 제공함을 시사한다.
• 태양광 기반 시스템은 디젤 중심 운영 대비 발전 비용을 31~42% 감소시키고 이산화탄소 배출량을 40~100% 감소시켰다.
• 현장 내 그린 수소 생산을 통합함으로써 지속 가능성 수준이 향상되었으며, 최적 구성에서 1,048.7kg의 수소가 압축 가스 탱크에 저장되었다.
• Chajnator 높이 지역의 다수 천체망원경을 위한 집중형 전력 시스템은 유지보수 비용과 케이블링 비용을 크게 줄여 경제적 타당성을 향상시킬 수 있다.