[논문 리뷰] Evaluation of Energy- and Capacity-Market Revenues from Lithium-ion Battery Systems for Offshore Wind Using Advanced Battery Models

Mehdi Jafarı, Audun Botterud외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 03.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 뉴욕 전력시장에서 해상 풍력과 연계된 리튬이온 배터리 시스템의 수익 잠재력을 고도화된 배터리 모델을 사용해 평가한다. 이 모델들은 열화 및 동적 성능을 반영한다. 결과적으로 육상에 설치한 배터리가 더 높은 수익을 올리며, 열화를 忽시할 경우 수익을 최대 155% 과대평가할 수 있다. 최적화된 디스패치는 순수익을 29% 증가시키며, 손익분기 배터리 단가 범위는 $50–$95/kWh이다.

ABSTRACT

Revenue potential from offshore wind and energy storage systems for a Long Island node in the New York ISO (NYISO) is examined using advanced lithium-ion battery representations. These advanced mixed-integer-linear battery models account for the dynamic performance, as well as the degradation behavior of the batteries, which are usually not accounted for in power systems models. Multiple hybrid offshore wind and battery system designs are investigated to examine the impact of locating the battery offshore versus locating it onshore. For the examined systems, we explore different battery usable state-of-charge (SOC) windows, and corresponding dispatch of the battery to maximize energy- and capacity-market revenues. The impacts of variability of offshore wind output along with energy- and capacity-market prices are evaluated using publicly available data from 2010 to 2013. Locating the battery onshore resulted in higher revenues. For 2013, results highlight that without accurate battery representations, models can overestimate battery revenues by up to 155%, resulting primarily from degradation-related costs. Using advanced algorithms, net revenue can be increased by 29%. Results also indicate that wider useable SOC windows could lead to higher net revenues from the energy market, due to higher arbitrage opportunities that compensate for any additional degradation-tied costs in higher DODs. The added value of a MWh of energy storage varies from $2 to $3.5 per MWh of wind energy, which leads to a breakeven cost range of $50-$95 per kWh for the battery systems studied. As such, energy- and capacity-market revenues were found to be insufficient in recovering the investment costs of current battery systems for the applications considered in this analysis.

연구 동기 및 목표

• 뉴욕 전력시장에서 리튬이온 배터리 저장 시스템이 해상 풍력과 조합된 재정적 타당성을 평가하기 위해.
• 배터리 열화 및 동적 성능이 에너지 및 용량 시장에서의 수익 잠재력에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 하이브리드 풍력-배터리 시스템에서 육상 대비 해상에 배터리를 설치할 경우의 성능 비교를 위해.
• 열화 비용을 고려한 순수익을 극대화하는 최적의 충전률(SOC) 윈도우를 규명하기 위해.
• 현재 시장 조건 하에서 프로젝트의 재정적 타당성을 확보하기 위한 손익분기 배터리 단가를 설정하기 위해.

제안 방법

• 동적 성능 및 열화 거동을 반영하기 위해 고도화된 혼합정수선형 배터리 모델을 사용한다. 이는 방전 깊이(DOD) 영향을 포함한다.
• 2010–2013년 기간 동안 뉴욕 전력시장(NYISO) 공개 데이터를 활용해 풍력 출력 및 시장 가격을 기반으로 배터리 디스패치를 시뮬레이션한다.
• 배터리 위치(육상 대비 해상)와 사용 가능한 SOC 윈도우를 변화시켜 여러 하이브리드 시스템 구성 요건을 평가한다.
• 에너지 및 용량 시장에서의 수익을 계산하며, DOD 및 사이클 수에 따라 함수화된 열화 비용을 명시적으로 모델링한다.
• 순수익을 극대화하기 위해 고급 알고리즘을 사용해 최적의 디스패치 전략을 도출한다.
• SOC 윈도우 너비와 시장 가격 변동성의 순수익에 미치는 영향을 평가하기 위해 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열화를 포함한 고도화된 배터리 모델이 뉴욕 전력시장(NYISO)에서 해상 풍력-배터리 시스템의 수익 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 하이브리드 풍력-배터리 시스템에서 육상 대비 해상에 배터리를 설치할 경우의 상대적 수익 성과는 어떠한가?
• RQ3 사용 가능한 SOC 윈도우의 너비가 아르비트리지 기회와 열화 비용을 고려할 때 순수익에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 및 용량 시장에서의 현재 수익이 리튬이온 배터리 시스템의 투자 비용을 회수하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 모델링된 시장 조건 하에서 재정적 타당성을 확보하기 위한 배터리 시스템의 손익분기 단가($/kWh)는 얼마인가?

주요 결과

• 전송 및 변환 손실이 더 낮기 때문에 육상에 설치한 배터리가 해상에 설치한 경우보다 더 높은 순수익을 올린다.
• 모델에서 배터리 열화를 忽시할 경우 수익을 최대 155% 과대평가할 수 있으며, 주로 간과된 열화 비용 때문이 다.
• 고급 알고리즘을 사용한 최적의 디스패치는 단순 모델 대비 순수익을 29% 증가시킨다.
• 더 넓은 사용 가능한 SOC 윈도우는 아르비트리지 기회 증가로 인해 에너지 시장에서 더 높은 순수익을 가져오며, 이는 높아진 열화 비용을 상쇄한다.
• 에너지 저장 1MWh의 가치는 풍력 에너지 1MWh당 $2에서 $3.5 수준이며, 이는 손익분기 배터리 단가 범위가 $50–$95/kWh임을 시사한다.
• 에너지 및 용량 시장 수익만으로는 연구된 응용 분야의 현재 리튬이온 배터리 시스템의 투자 비용을 회수하기에는 부족하다.