[논문 리뷰] Climate change impacts on large-scale electricity system design decisions for the 21st Century

Smail Kozarcanin, Hailiang Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 02.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 34인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 네 가지 IPCC CO2 경로(RCP2.6–8.5) 하에 여섯 개인 고해상도 지역 기후 모델을 사용하여 기후 변화가 유럽의 대규모 전력 시스템 설계에 어떤 영향을 미치는지 조사한다. 기후 변화가 연간 기상 변동성과 설계 선택에 비해 핵심 시스템 지표(발전, 수요, 저장 필요성 등)에 미치는 영향은 미미하다는 것을 발견하였으며, 이는 기후 변화가 있더라도 과거 기상 데이터가 향후 시스템 계획에 여전히 타당하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Efforts to reduce climate change, but also falling prices and significant technology developments currently drive an increased weather-dependent electricity production from renewable electricity sources. In light of the changing climate, it is highly relevant to investigate the extent of weather changes that directly impacts the best system design decisions for these weather-dependent technologies. Here, we use three IPCC representative CO2 concentrations pathways for the period 2006--2100 with six high-resolution climate experiments for the European domain. Climate elements are used to calculate bias adjusted 3-hourly time series of wind and solar generation, and temperature corrected demand time series for 30 European countries using state-of-the-art methodology. Weather-driven electricity system analysis methodology is then applied to compare four key metrics of highly renewable electricity systems. We find that climate change does not have a discernible impact on the key metrics of the combined electricity system dynamics, and conclude that the effect on important system design parameters can likely be ignored.

연구 동기 및 목표

• 기후 변화가 유럽의 고재생에너지 전력 시스템의 설계 및 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기후 패턴 변화가 30개 유럽 국가의 바람과 태양광 발전 및 전력 수요에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기후 변화가 저장 필요성, 전력송신 요구사항, 재생에너지 조합 최적화와 같은 핵심 시스템 지표에 크게 영향을 미치는지 판단하기 위해.
• 기후 변화가 시스템 계획에서 연간 기상 변동성과 설계 선택에 비해 미치는 영향을 비교하기 위해.
• 미래 전력 시스템 설계가 변동성 있는 재생에너지 자원(VRES)에 대한 기후 변화 영향을 고려해야 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 2006–2100년 동안 네 가지 RCP 시나리오(RCP2.6, RCP4.5, RCP8.5) 하에 글로벌 기후 모델에 의해 구동되는 여섯 개인 고해상도 지역 기후 모델(RCM)을 사용하였다.
• 역사적 기상 데이터를 기준으로 3시간 간격의 바람 및 태양광 발전 시계열에 편향 보정을 적용하였다.
• 기후에 따른 난방 및 냉방 수요 변화를 반영하기 위해 온도 의존 수요 모델을 사용하여 전력 수요 시계열을 보정하였다.
• 기상 기반 전력 시스템 분 析 프레임워크를 사용하여 30개 유럽 국가의 전력 시스템 성능을 시뮬레이션 하였다.
• 다양한 기후 시나리오 하에서 연간 발전, 변동성, 저장 필요성, 전력송신 요구사항과 같은 네 가지 핵심 시스템 지표를 평가하였다.
• RCM 및 RCP 간 결과를 비교하여 모델 일관성과 연구 결과의 탄력성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 RCP 시나리오 하에서 기후 변화가 유럽의 바람과 태양광 발전 잠재력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기후 변화가 유럽 지역 전반의 전력 수요 패턴, 특히 난방 및 냉방 수요에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 기후 변화에 의한 재생에너지 발전 및 수요 변화가 시스템 설계 결정에 영향을 미치는 데 있어 연간 기상 변동성과 비교하여 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 기후 변화가 고재생에너지 유럽 전력 시스템에서 저장 필요성 및 전력송신 요구사항과 같은 핵심 시스템 지표에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기후 변화가 VRES 성능에 미치는 영향이 충분히 크기 때문에 향후 전력 시스템 설계에서 기후 보정 계획이 필요할 정도인가?

주요 결과

• 기후 변화는 고재생에너지 유럽 전력 시스템의 핵심 시스템 지표에 미미한 영향을 미치며, 바람과 태양광 발전 성능 변화는 연간 기상 변동성에 비해 작다.
• 고배출 시나리오(RCP8.5)에서 평균 바람 및 태양광 발전은 약간 감소하고 변동성이 증가하지만, 이는 전력 수요 변화에 의해 상쇄된다.
• 기온 상승으로 북유럽의 겨울 난방 수요가 감소하여 전체 전력 수요가 감소하며, 이는 재생에너지 수출 감소를 상쇄하고 오히려 추가적인 조절 가능 발전 능력 필요성을 뒤집을 수 있다.
• 기후 변화가 시스템 설계 파ameters에 미치는 영향은 전력송신 확장 또는 바람-태양광 조합 최적화와 같은 설계 선택에 의한 차이보다 작다.
• 과거 기상 데이터를 기반으로 한 시스템 설계 결정은 기후 변화가 VRES 성능에 미치는 영향에도 불구하고 탄력적이고 대부분 영향을 받지 않는다.
• 기후 변화로 인한 전력 수요 변화—특히 난방 및 냉방 수요의 이동—은 특히 시스템 통합 시나리오에서 최적의 발전기 조합에 간접적인 영향을 줄 수 있다.