[논문 리뷰] Battery selection for optimal grid-outage resilient photovoltaic and battery systems

Stamatis Tsianikas, Jian Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 22.

Hybrid Renewable Energy Systems참고 문헌 10인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전력망 정전에 대비한 태양광(PV) 시스템을 위한 네 가지 배터리 유형—铅-아연, 나트륨-황, 바나듐 레독스, 리튬-이온—을 평가하고 비교하기 위해 시뮬레이션 기반 최적화 프레임워크를 제안한다. 비용, 효율성, 방전 깊이(DoD)와 같은 핵심 매개변수를 모델링함으로써, 향후 전망에 따라 리튬-이온이 복원력과 비용 효율성 측면에서 최적의 선택임을 규명한다.

ABSTRACT

The first and most important purpose of the current research work is to investigate the effects that different battery types have on the optimal configuration of photovoltaic (PV) and battery systems, from both economic and resilience perspectives. Many industry reports, as well as research papers, have already highlighted the crucial role that storage systems have in the coming years in the electricity sector, especially when combined with renewable energy systems (RES). Given the high cost of storage technologies, there is an urgent need for optimizing such integrated energy systems. In this paper, a simulation-based method is adopted and improved, in order to compare different battery types based on their characteristics by considering projected trends in the future. After the introduction of four different battery types, i.e. lead-acid, sodium sulphur, vanadium redox and lithium-ion, the mathematical model for the optimization problem is presented, along with the required explanations. Subsequently, a case study is described and the numerical assumptions are defined. Therein, our specific focus addresses the different values that the four battery types possess in three critical parameters, i.e. battery cost, efficiency and depth of discharge (DoD). Finally, results and discussion are provided in an illustrative and informative way. This model provides a useful guide for relevant future work in the area, and also serves as a baseline for more comprehensive methodologies regarding optimal sizing of photovoltaic and battery systems.

연구 동기 및 목표

• 다양한 배터리 기술이 PV-배터리 시스템의 경제성 및 복원성 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 에너지 저장의 높은 비용 문제를 해결하고, 배터리 특성에 기반한 시스템 구성 최적화를 위해.
• 전력망 정전 기간 동안 복원력을 극대화하고 수명 주기 비용을 최소화하는 데 최적의 배터리 선택을 위한 의사결정 프레임워크를 제공하기 위해.
• 향후 PV 및 배터리 시스템 최적 크기화에 대한 기초 모델을 수립하기 위해.
• 배터리 기술 및 가격에 대한 향후 전망을 시스템 최적화에 통합하기 위해.

제안 방법

• 전력망 정전 조건 하에서 PV 발전과 배터리 저장을 통합하는 수학적 최적화 모델을 개발한다.
• 각각의 기술적·경제적 매개변수에 따라 납산, 나트륨-황, 바나듐 레독스, 리튬-이온의 네 가지 배터리 유형을 통합한다.
• 핵심 성능 지표인 kWh당 배터리 비용, 왕복 효율성, 방전 깊이(DoD) 한계를 모델링한다.
• 정의된 하중 프로파일, 일조량 데이터, 향후 배터리 비용 추세를 반영한 사례 연구를 수행한다.
• 모의 기반 최적화를 적용하여 각 배터리 유형에 대한 최적의 시스템 구성(PV 및 배터리 크기)을 도출한다.
• 총 시스템 비용 및 정전 복원성 지표를 기반으로 배터리 유형 간 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 배터리 기술은 전력망 정전에 대비한 PV-배터리 시스템의 최적 크기 및 비용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 복원력 있는 오프그리드 운영을 위해 비용, 효율성, DoD 사이의 최적 균형을 제공하는 배터리 유형은 무엇인가?
• RQ3 배터리의 향후 비용 추세는 PV-저장 시스템의 경제성 및 복원성 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 배터리 비용, 효율성, DoD가 시스템 복원성과 수명 주기 비용에 미치는 상대적 영향은 무엇인가?
• RQ5 배터리 특성에 기반한 특성 반영이 최적의 시스템 구성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 리튬-이온 배터리는 높은 효율성, 유리한 DoD, 향후 비용 감소 전망으로 인해 가장 비용 효율적이고 복원력 있는 선택으로 부상한다.
• 낮은 初기 비용에도 불구하고 낮은 효율성과 제한된 DoD로 인해 납산 배터리는 장기적으로 높은 시스템 비용을 유발하여 성능이 열 劣하다.
• 나트륨-황 및 바나듐 레독스 플로우 배터리는 중간 수준의 성능을 보이지만, 리튬-이온 대비 높은 비용과 낮은 효율성으로 인해 경쟁력이 떨어진다.
• 최적화 모델은 초기 자본 비용뿐 아니라 배터리 효율성과 DoD가 시스템 비용에 더 큰 영향을 미친다는 점을 입증한다.
• 연구는 향후 리튬-이온 배터리의 비용 감소가 시스템 복원성과 경제성에 크게 기여할 것임을 확인한다.
• 모델은 다양한 하중, 일조량, 비용 가정 조건 하에서의 배터리 선택 평가를 위한 확장 가능한 프레임워크를 제공한다.