[논문 리뷰] Early Insights into System Impacts of Smart Local Energy Systems

Marko Aunedi, T.C. Green|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 19.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 투자 최적화 전체 시스템 모델을 사용하여 스마트 현지 에너지 시스템(SLES)이 수요 측면의 유연성 향상과 해상 풍력의 더 넓은 배치를 가능하게 하여 전체 전력 시스템 비용을 어떻게 줄이는지 분석한다. 2040년까지 25 gCO2/kWh 목표를 설정하고 SLES의 점유율이 50%에 이를 경우 연간 87억 파운드의 절감 효과가 발생하며, 풍력 발전 비용이 하락하지 않더라도 여전히 상당한 절감 효과를 유지한다. 이는 일부 비-SLES 수요 반응(DSR) 도입이 이루어진 상황에서도 마찬가지다.

ABSTRACT

A whole-system, investment-optimising model has been used to examine the change in total cost of meeting demand for electricity when Smart Local Energy Systems (SLES) are deployed. Our assumption is that SLES, alongside their other features, enhance the flexibility of electricity consumption through demand-side response (DSR) and facilitate use of local energy storage. We find that with the flexibility of SLES present, variable renewables such as offshore wind can displace firm but more expensive low-carbon sources such as CCS. Considering a 100 gCO2/kWh emissions target in 2030, a 10% penetration of SLES could reduce total costs by £1.2bn/year relative to no SLES, while at higher penetration of 50% SLES, savings increase twofold to £2.8bn/year. Under a more stringent emissions limit of 25 gCO2/kWh in 2040, the savings rise to £2.9bn/year for 10% SLES uptake and rise threefold to £8.7bn/year at 50% uptake. These results hold for costs of enabling DSR of less than £100/kW and it is not until an unlikely £5,000/kW that the savings are nullified. The savings from substituting wind for CCS remain substantial even if the anticipated reduction of cost of wind in 2040 does not materialise. Cost savings from the flexibility provided by SLES are affected by realisation of domestic DSR through other means. A 20% uptake level of non-SLES DSR in 2040 still allows SLES to create cost savings of £6.8bn/year at 50% penetration (a 20% fall from £8.7bn/year).

연구 동기 및 목표

• 스마트 현지 에너지 시스템(SLES)을 영국 전력 시스템에 도입했을 때의 전체 시스템 비용 영향을 평가하는 것.
• SLES가 수요 측면 반응(DSR)과 지역 에너지 저장을 통해 어떻게 시스템의 유연성을 향상시키는지 평가하는 것.
• 해상 풍력과 같은 변동형 재생 가능 에너지원으로 탄소 집약도가 높은 안정형 저탄소 기술(예: CCS)을 대체함으로써 발생하는 비용 절감 효과를 정량화하는 것.
• DSR 비용 가정과 다양한 DSR 도입 수준에 따른 절감 효과의 민감도를 분석하는 것.

제안 방법

• 투자 최적화 전체 시스템 모델을 활용하여 다양한 SLES 점유율 수준과 온실가스 배출 목표 하에서 전력 시스템 운영을 시뮬레이션한다.
• 모델은 2030~2040년 기간 동안 발전, 저장 및 수요 반응의 비용 최소화 배치를 평가한다.
• SLES는 수요 측면 반응의 유연성 제공과 변동형 재생 가능 에너지의 통합 증진을 위한 지역 에너지 저장 지원을 모델링한다.
• 다양한 온실가스 제약 조건과 DSR 비용 가정 하에서 기준선(비-SLES 포함) 대비 비용 절감 효과를 계산한다.
• 10% 및 50%의 SLES 점유율 시나리오를 포함하며, DSR 비용이 최대 £5,000/kW까지 민감도 분석을 수행한다.
• 비-SLES 수요 반응의 확산(예: 20%)을 고려하여 SLES 비용 절감 효과의 탄력성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SLES가 해상 풍력의 더 넓은 배치를 가능하게 함으로써 전체 전력 시스템 비용을 얼마나 줄이는가?
• RQ2 2030년 100 gCO2/kWh 목표와 2040년 25 gCO2/kWh 목표 간의 다른 온실가스 배출 목표에서 SLES의 비용 절감 효과는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 SLES에서 수요 반응(DSR)을 가능하게 하는 데 드는 비용에 따라 비용 절감 효과는 얼마나 민감하게 변하는가?
• RQ4 비-SLES 수요 반응이 대규모로 도입될 경우 절감 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 예상되는 해상 풍력 비용 감소가 현실화되지 않을 경우 SLES는 여전히 상당한 절감 효과를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 2040년 25 gCO2/kWh 온실가스 목표를 설정하고 SLES 점유율이 50%에 이를 경우 연간 시스템 비용 절감 효과가 87억 파운드에 이른다.
• 동일한 2040년 목표 하에서 SLES 점유율이 10%일 경우 연간 절감 효과는 29억 파운드에 이른다.
• 풍력 발전 비용이 예상대로 하락하지 않더라도 SLES는 더 비싼 CCS 설비를 대체함으로써 상당한 비용 절감 효과를 달성한다.
• SLES 점유율이 50%일 경우 비-SLES 수요 반응이 20% 수준으로 확산되더라도 연간 68억 파운드의 절감 효과가 유지된다.
• DSR 구현 비용이 £5,000/kW에 이르는 비현실적으로 높은 경우에만 절감 효과가 소멸된다.
• 향후 해상 풍력 비용 감소에 대해 보수적인 가정을 해도 CCS를 해상 풍력으로 대체함으로써 발생하는 절감 효과는 여전히 상당하다.