[논문 리뷰] Cost-Optimal Power-to-Methanol: Flexible Operation or Intermediate Storage?

Simone Mucci, Alexander Mitsos외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 25.

Hybrid Renewable Energy Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전기로 메탄올 공장의 설계 및 스케줄링 최적화를 통합하여 메탄올 생산 원가를 최소화하기 위해 배터리 및 수소 저장을 고려하였다. 결과적으로 전체 공장의 유연한 운영, 특히 메탄올 합성 단위에서 중간 수준의 유연성 확보가 원가 절감에 크게 기여하며, 전기 요금이 높고 변동성이 클 경우 수소 저장이 배터리 저장보다 더 큰 경제적 이점을 제공하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The synthesis of methanol from captured carbon dioxide and green hydrogen could be a promising replacement for the current fossil-based production. The major energy input and cost driver for such a process is the electricity for hydrogen production. Time-variable electricity cost or availability thus motivates flexible operation. However, it is unclear if each unit of the process should be operated flexibly, and if storage of electricity or hydrogen reduces the methanol production cost. To answer these questions, we modeled a Power-to-Methanol plant with batteries and hydrogen storage. Using this model, we solved a combined design and scheduling optimization problem, which provides the optimal size of the units of the plant and their optimal (quasi-stationary) operation. The annualized cost of methanol was minimized for a grid-connected and a stand-alone case study. The optimization results confirm that storage, especially hydrogen storage, is particularly beneficial when the electricity price is high and highly fluctuating. Irrespective of the presence of storage, the whole Power-to-Methanol plant should be operated flexibly: even moderate flexibility of the methanol synthesis unit significantly reduces the production cost.

연구 동기 및 목표

• Power-to-Methanol 공장에서의 유연한 운영 또는 중간 저장(배터리 또는 수소)이 메탄올 생산 원가를 감소시키는지 여부를 규명하는 것.
• 메탄올 생산 원가를 최소화하는 데 있어 배터리 저장과 수소 저장 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 특히 저장이 존재할 경우 메탄올 합성 단위의 유연성 수준을 다양하게 조절했을 때의 경제적 영향을 평가하는 것.
• 전기 요금 프로파일과 재생 에너지 수급 변동성이 최적의 공장 설계 및 운영 방식에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실제 전력망 및 독립형 운영 조건에서 Power-to-Methanol 시스템에 대한 통합적이고 종합적인 설계 및 스케줄링 최적화 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• GAMS에서 혼합정수비선형계획(MINLP) 문제를 수립하여 공장 설계(단위 크기 조정)와 운영 스케줄링을 동시에 최적화하였다.
• 질량 및 에너지 수지 기반으로 전기분해, 메탄올 합성, 배터리 저장, 수소 저장의 세부 성능 모델을 통합하였다.
• 비凸성 문제에도 불구하고 높은 해의 질을 확보하기 위해 BARON 전역 최적화기로 단일 스케줄링 시나리오의 MINLP 문제를 해결하였다.
• 다양한 전기 요금 및 재생 에너지 수급 프로파일을 고려한 전력망 연결형 및 독립형 구성에 대한 사례 연구를 수행하였다.
• 다양한 유연성 수준(예: 1시간당 10% 이내의 램프 속도)이 원가 및 설계 결정에 미치는 영향을 평가하였다.
• 시간 분할 기법을 적용하여 전기 요금 및 공급 가능성을 시간에 따라 변화시키는 특성을 반영함으로써 동적 스케줄링 최적화를 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연한 운영이 일정한 운영 조건에 비해 Power-to-Methanol 공장의 메탄올 생산 원가를 낮추는가?
• RQ2 변동성이 큰 전기 요금 하에서 배터리 저장과 수소 저장은 메탄올 생산 원가 절감에 어떻게 비교되는가?
• RQ3 저장이 가능할 경우 메탄올 합성 단위에서 필요한 최적의 유연성 수준은 무엇인가?
• RQ4 어떤 전기 요금 및 에너지 수급 프로파일에서 수소 저장이 배터리 저장보다 더 경제적으로 유리한가?
• RQ5 전력망 연결형과 독립형 운영 모드 간의 설계 및 스케줄링 결정은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 모든 시나리오에서 전체 Power-to-Methanol 공장의 유연한 운영이 중간 저장이 존재하더라도 메탄올 생산 원가를 크게 절감한다.
• 메탄올 합성 단위에서 중간 수준의 유연성(예: 1시간당 램프 속도 ≤10%)만으로도 상당한 원가 절감 효과를 얻을 수 있으며, 이 수준을 초월하면 수익 감소 효과가 둔화된다.
• 수소 저장이 전기분해와 메탄올 합성 간의 시간적 분리를 가능하게 하여 메탄올 단위의 크기를 줄일 수 있기 때문에, 배터리 저장보다 더 큰 원가 절감 효과를 제공한다.
• 고전압 및 변동성이 큰 전기 요금 조건에서는 배터리 및 수소 저장의 조합이 메탄올 원가를 최소화하며, 이 중 수소 저장이 주요 기여 요소로 작용한다.
• 독립형 구성에서는 메탄올 단위가 유연하게 운영되든 일정 부하로 운영되든 간에 저장 장치가 필수적이며 널리 활용된다.
• 최적의 공장 설계가 전기 요금 및 재생 에너지 수급 프로파일에 매우 민감하게 반응하므로, 정확한 설계를 위해서는 장기적 시계열 또는 다기능 최적화가 필요하다.