[논문 리뷰] Green Hydrogen Plant: Optimal control strategies for integrated hydrogen storage and power generation with wind energy

Arjen T. Veenstra, Albert H. Schrotenboer외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 01.

Hybrid Renewable Energy Systems참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 마르코프 결정 과정(MDP)을 활용하여 풍력 에너지, 수소 저장, 전력 시장 참여를 통합한 녹색 수소 플랜트의 최적 제어 전략을 제안한다. 동적 수소 저장 및 시장 상호작용 관리가 연간 수익을 최대 51% 증가시킬 수 있음을 입증하며, 이는 4.5 MW 터빈당 연간 €126,000에 해당한다. 특히 전력 구매 협약(PPA) 및 수소 도입 협약의 전략적 지원이 이루어질 경우 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

The intermittent nature of renewable energy resources such as wind and solar causes the energy supply to be less predictable leading to possible mismatches in the power network. To this end, hydrogen production and storage can provide a solution by increasing flexibility within the system. Stored hydrogen can either be converted back to electricity or it can be used as feed-stock for industry, heating for built environment, and as fuel for vehicles. This research examines the optimal strategies for operating integrated energy systems consisting of renewable energy production and hydrogen storage. Using Markov decision process theory, we construct optimal policies for day-to-day decisions on how much energy to store as hydrogen, or buy from or sell to the electricity market, and on how much hydrogen to sell for use as gas. We pay special emphasis to practical settings, such as contractually binding power purchase agreements, varying electricity prices, different distribution channels, green hydrogen offtake agreements, and hydrogen market price uncertainties. Extensive experiments and analysis are performed in the context of Northern Netherlands where Europe's first Hydrogen Valley is being formed. Results show that substantial gains in operational revenues of up to 51\% are possible by introducing hydrogen storage units and competitive hydrogen market-prices. This amounts to a \euro 126,000 increase in revenues per turbine per year for a 4.5 MW wind turbine. Moreover, our results indicate that hydrogen offtake agreements will be crucial in keeping the energy transition on track.

연구 동기 및 목표

• 풍력 에너지, 수소 저장, 전력 시장 참여를 통합한 녹색 수소 플랜트(GHP)의 최적 운영 전략을 개발하는 것.
• 풍력 에너지의 간헐성 문제를 해결하기 위해 장기적 유연성과 수익 최적화를 위해 수소 저장을 활용하는 것.
• 전력 구매 협약(PPA), 수소 도입 협약, 시장 가격 변동성과 같은 실질적 제약 조건이 GHP 수익성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 수소 유통 경로와 계절별 저장 협약이 운영 결정 및 재무 성과에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GHP 운영자가 장기 수익성을 극대화하기 위해 PPA 및 수소 계약을 어떻게 구성할 것인지에 대한 실질적인 통찰 제공

제안 방법

• 전기 저장, 시장 거래, 수소 판매에 대한 순차적이고 확률적인 의사결정을 모델링하기 위해 GHP 운영을 마르코프 결정 과정(MDP)으로 수립.
• 불확실성 하에서 수익 극대화 정책을 도출하기 위해 역순 동적 프로그래밍을 사용하여 MDP를 최적해로 풀이.
• 실제 제약 조건을 통합: 고정된 PPA 의무, 변동 전기 가격, 수소 시장 가격 변동성, 여러 수소 유통 경로.
• 노르웨이 북부 지역의 현실적인 풍력 발전 프로파일을 모델링하기 위해 월별로 적합된 웨이불 분포를 사용한 풍속 데이터.
• 다양한 시장 및 계약 조건 하에서 시스템을 시뮬레이션: 다양한 PPA 시간 구조 및 수소 도입 협약 조건.
• 계절별 저장 및 동적 재고 관리가 비용 절감 및 수익 증대에 미치는 영향 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍력 발전과 전력 시장 참여를 통합한 수소 에너지 저장이 녹색 수소 플랜트의 운영 수익성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전기 및 수소 가격 변동성, PPA 의무, 수소 도입 협약 하에서 GHP의 최적 제어 정책은 무엇인가?
• RQ3 다양한 PPA 구조—특히 전력 공급 시점과 수량—이 식물의 장기 수익성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저효율 전환 조건 하에서 수소 도입 협약이 녹색 수소 플랜트의 재무 타당성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 계절별 수소 저장 및 동적 재고 관리는 수익 증대에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 수소 저장 및 능동적 시장 참여 도입으로 GHP 운영 수익이 최대 51% 증가하였으며, 이는 4.5 MW 풍력 터빈당 연간 €126,000에 해당한다.
• 낮은 수소 전환 효율 조건 하에서도 수소 가격이 전기 가격보다 MWh당 €11~13 높을 경우 수익성이 확보된다.
• 단일 납부 일자에 집중되는 대신 시간에 따라 분산된 PPA 전력 공급 방식이 더 높은 수익을 창출함을 보여주며, 이는 영리한 PPA 설계의 가치를 입증한다.
• 수소 도입 협약은 수익 흐름을 안정화시키고 수익성 있는 운영을 가능하게 하며, 특히 가격 변동성 상황에서 중요하다.
• 계절별 저장 협약은 저장 비용을 감소시키고 연간 수익 배분을 개선하여 장기적 저장 계획의 전략적 이점을 시사한다.
• MDP 기반 최적 제어 정책은 전기 및 수소 가격 변동성에 동적으로 대응함으로써 정적 전략보다 우수한 성능을 보이며 장기 수익 극대화를 달성한다.