[논문 리뷰] Global LCOEs of decentralized off-grid renewable energy systems

Jann Michael Weinand, Hoffmann, Maximilian외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 24.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 1990년에서 2021년까지의 161篇의 연구를 바탕으로 탈중앙집중형 온그리드 재생 가능 에너지 시스템의 전기 단위비용(LCOE)에 대한 종합적인 글로벌 리뷰를 제시한다. 2016년에서 2021년 사이에 100% 재생 가능 시스템의 LCOE가 연평균 9% 감소하여 kWh당 $0.54에서 $0.29로 감소했으며, 기존 문헌에서 LCOE 추정 오류를 유발하는 일곱 가지 핵심 원인을 규명하여 향후 기술경제 평가의 정확성과 신뢰성을 향상시킨다.

ABSTRACT

Recent global events emphasize the importance of a reliable energy supply. One way to increase energy supply security is through decentralized off-grid renewable energy systems, for which a growing number of case studies are researched. This review gives a global overview of the levelized cost of electricity (LCOE) for these autonomous energy systems, which range from 0.03 \$_{2021}/kWh to over 1.00 \$_{2021}/kWh worldwide. The average LCOEs for 100% renewable energy systems have decreased by 9% annually between 2016 and 2021 from 0.54 \$_{2021}/kWh to 0.29 \$_{2021}/kWh, presumably due to cost reductions in renewable energy and storage technologies. Furthermore, we identify and discuss seven key reasons why LCOEs are frequently overestimated or underestimated in literature, and how this can be prevented in the future. Our overview can be employed to verify findings on off-grid systems, to assess where these systems might be deployed and how costs evolve.

연구 동기 및 목표

• 탈중앙집중형 온그리드 재생 가능 에너지 시스템에 대한 현재의 글로벌 LCOE 개요를 제공하는 것.
• 기존 연구들에서 LCOE 계산 시 과대평가 또는 과소평가가 발생하는 공통 원인을 규명하고 분석하는 것.
• 신뢰할 수 있는 기준값과 방법론적 최선의 실천 방안을 제공하여 향후 연구 및 실증을 지원하는 것.
• 특히 재생 가능 및 저장 기술 비용 감소의 영향을 고려한 LCOE 추세를 평가하는 것.
• 정책 결정자와 연구자들이 100% 재생 가능 온그리드 시스템의 경제적 타당성을 평가하는 데 도움을 주는 것.

제안 방법

• Scopus 데이터베이스를 활용한 체계적 문헌 리뷰를 통해 730편의 연구를 선별한 후, 제목, 초록, 전문을 수동으로 선별하는 방식.
• 탈중앙집중형, 온그리드, 자율 에너지 시스템의 LCOE 값을 명시적으로 보고한 161편의 연구를 포함.
• 대규모 국가 수준 시스템, 개별 건물, 또는 LCOE가 $1.00/kWh를 초과하는 시스템에 관한 연구는 제외.
• 모든 비용 값을 일관성을 확보하기 위해 시간대별로 2021년 기준 달러로 인플레이션 조정.
• 재생 가능 에너지 비율(100% 재생 가능 대비 하이브리드)과 지역적 초점을 기준으로 시스템을 분류.
• 모델링 방식과 구성 요소 규모 설정 방식을 비교 분석하여 반복되는 방법론적 결함을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1990년에서 2021년 사이에 탈중앙집중형 온그리드 재생 가능 에너지 시스템의 LCOE는 전 세계적으로 어떤 범위에 있고, 추세는 어떠한가?
• RQ2 기존 문헌에서 LCOE 추정치가 자주 과대평가되거나 과소평가되는 이유는 무엇이며, 근본 원인은 무엇인가?
• RQ3 2016년에서 2021년 사이에 100% 재생 가능 온그리드 시스템의 LCOE 값은 매년 어떻게 변화했는가?
• RQ4 온그리드 LCOE 사례 연구에서 가장 많이 다뤄진 지역은 어디이며, 이는 글로벌 보급 잠재력에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 향후 LCOE 평가에서 추정 오류를 줄이고 신뢰성을 높이기 위한 방법론적 개선은 무엇이 가능한가?

주요 결과

• 탈중앙집중형 온그리드 재생 가능 에너지 시스템의 글로벌 LCOE 범위는 kWh당 $0.03에서 $0.99이며, 평균은 $0.35/kWh, 중앙값은 $0.29/kWh이다.
• 100% 재생 가능 시스템의 LCOE는 2016년에서 2021년 사이에 연평균 9% 감소하여 $0.54/kWh에서 $0.29/kWh로 하락했다.
• 화석 연료를 포함한 하이브리드 시스템은 100% 재생 가능 시스템 대비 평균적으로 24% 더 저렴하지만, 여전히 높은 재생 가능 에너지 비중을 가진다.
• 모의 시뮬레이션 모델을 사용한 연구들은 종종 구성 요소를 과도하게 규모화하여 LCOE 추정치가 과대평가되는 경향이 있다.
• 가장 흔한 연구 지역은 인도(22%), 이ран(7%), 중국(7%), 나이지리아(5%), 캐나다(4%)이다.
• LCOE 추정 오류의 일곱 가지 핵심 원인이 규명되었으며, 이는 잘못된 구성 요소 규모 설정, 할인율 적용의 일관성 부족, 시스템 손실의 부적절한 처리 등이 포함된다.