[논문 리뷰] Distributed photovoltaics provides key benefits for a highly renewable European energy system

Parisa Rahdan, Elisabeth Zeyen외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 19.

Smart Grid Energy ManagementEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 181개의 공간 노드와 2시간 간격의 시간 해상도를 가진 고재생에너지 유럽 에너지 시스템을 모델링하여, 분산형 태양광(PV)을 통합함으로써 다양한 시나리오에서 총 시스템 비용이 1.4–3.7% 감소함을 입증한다. 이는 피크 수요 감소와 배전망 용량 필요성 감소로 인한 것이다. 분산형 PV는 자급률을 높이고, 히트펌프 및 전기차 배터리와 같은 섹터 커플링 기술과 상호보완적으로 작용한다.

ABSTRACT

Distributed solar photovoltaic (PV) systems are projected to be a key contributor to future energy landscape, but are often poorly represented in energy models due to their distributed nature. They have higher costs compared to utility PV, but offer additional advantages, e.g., in terms of social acceptance. Here, we model the European power network with a high spatial resolution of 181 nodes and a 2-hourly temporal resolution. We use a simplified model of distribution and transmission networks that allows the representation of power distribution losses and differentiates between utility and distributed generation and storage. Three scenarios, including a sector-coupled scenario with heating, transport, and industry are investigated. The results show that incorporating distributed solar PV leads to total system cost reduction in all scenarios (1.4% for power sector, 1.9-3.7% for sector-coupled). The achieved cost reductions primarily stem from demand peak reduction and lower distribution capacity requirements because of self-consumption from distributed solar. This also enhances self-sufficiency for countries. The role of distributed PV is noteworthy in the sector-coupled scenario and is helped by other distributed technologies including heat pumps and electric vehicle batteries.

연구 동기 및 목표

• 고재생에너지 유럽 에너지 시스템에서 분산형 태양광(PV)이 비용, 그리드 요구사항, 자급률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 분산형 PV가 공간적으로 산재해 있고 단위당 비용이 높아 매크로 에너지 시스템 모델에서 부족하게 반영되고 있는 문제를 해결하기 위해.
• 분산형 PV가 난방, 이동수단, 산업을 포함한 섹터 커플링 시스템과 어떻게 상호작용하고 지원하는지 평가하기 위해.
• 현지 발전과 자가소비를 통해 분산형 PV가 분포망 혼잡도와송전 손실을 어떻게 줄이는지 정량화하기 위해.
• 분산형 PV와 히트펌프 및 가정용 배터리와 같은 다른 분산 기술 간의 상호작용을 통해 탈중앙화되고 내성적인 에너지 시스템을 가능하게 하는 시너지 효과를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 연구는 181개의 공간 노드와 2시간 간격의 시간 해상도를 가진 고해상도 에너지 시스템 모델을 사용하여 유럽 전력망을 표현한다.
• 배전망과송전망을 단순화된 표현으로 사용하며, 유틸리티 규모와 분산형 발전 및 저장을 구분하고, 배전 손실을 고려한다.
• 세 가지 시나리오를 모델링한다: 전력 전용 시나리오와 두 가지 섹터 커플링 시나리오(난방, 이동수단, 산업 통합 포함).
• 모든 기술의 비용 및 성능 파rameter를 상세히 포함하여 비용 최소화 기준 하에 기술 배치와 시스템 운영을 최적화한다.
• 주요 기술적 입력으로는 공간적으로 분해된 일조량, 부하 프로파일, 그리드 인프라 비용을 포함하며, 역방향 전력 흐름과 전압 제약 조건을 명시적으로 모델링한다.
• 분산형 PV의 이점을 평가하기 위해 시스템 전체 비용, 자가소비 비율, 국가 수준의 자급률 수준을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산형 태양광(PV)의 통합은 고재생에너지 유럽 에너지 시스템의 총 시스템 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 유틸리티 규모의 PV만을 고려할 때와 비교해 분산형 PV는 피크 수요와 배전망 용량 요구사항을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 섹터 커플링 에너지 시스템에서 분산형 PV는 국가 자급률과 시스템 내성에 어떤 기여를 하는가?
• RQ4 히트펌프 및 전기차 배터리와 같은 분산 기술은 분산형 PV와 어떻게 상호작용하여 시스템 효율성과 비용 절감을 증진하는가?
• RQ5 도시 및 농촌 배전망에서 높은 분산형 PV 배치와 그리드 통합 비용 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 분산형 PV를 통합함으로써 전력 전용 시나리오에서는 총 시스템 비용이 1.4% 감소하고, 섹터 커플링 시나리오에서는 1.9–3.7% 감소한다.
• 주요 비용 절감 요인은 현지 자가소비로 인한 수요 피크 감소와 배전망 용량 필요성 감소이다.
• 분산형 PV는 태양광 잠재력이 높고 지역 수요가 강한 국가에서 국가 자급률을 크게 향상시킨다.
• 섹터 커플링 시나리오에서 분산형 PV는 히트펌프와 전기차 배터리와 상호보완적으로 작용하여 전체 시스템 효율성을 향상시키고 그리드 부담을 줄인다.
• 유틸리티 규모 PV보다 단위당 비용이 높지만, 그리드 확장 및 운영 비용을 회피함으로써 분산형 PV가 순 시스템 비용 절감 효과를 제공한다.
• 모델은 국지적 발전으로 인해 배전망 손실이 감소하고, 역방향 전력 흐름이 모델링된 제약 조건 내에서 효과적으로 관리됨을 보여준다.