[논문 리뷰] Impact of high renewable penetration scenarios on system reliability: two case studies in the Kingdom of Saudi Arabia

Markus Groissböck, Alexandre Gusmão|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 12.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 사우디 아라비아의 고율 재생 가능 에너지 통합을 두 지역 사례 연구를 통해 평가하며, 태양광(PV)과 풍력이 각각 피크 수요의 80% 이상, 55% 이상을 공급할 수 있음을 입증한다. 이는 신뢰성에 영향을 주지 않으며, 변동성 문제에 대한 우려보다는 규모의 경제와 재생 가능 에너지 비용 감소에 의해 이끌리는 시스템 경제성 덕분이다. 비효율적 사용(curtailment)은 재생 가능 에너지가 피크 수요의 30–40%를 초과할 경우에만 발생한다.

ABSTRACT

Renewable energy sources (RES) are close to grid parity compared with conventional generation. Therefore, it is important to consider proper costs to assess the economics instead of technological aspects only. While some scholars are in the opinion that RES only adds complexity - as RES production is volatile and stochastic - others share the opinion that RES has value in terms of energy savings, as well as capacity savings, and contributes to the reliability of an energy system. Instead of analyzing the losses as a result of adding RES, it should be focused on the overall system economics, as this is more important than if more or less electricity is lost for whatever reason. Economy of Scale (EoS) can have significant impact on project evaluation, and therefore should be considered in medium- and long-term planning exercises. As a result of not limiting RES to minimize losses within the system, the most economic systems show penetration for photovoltaic of above 80 percent, and for Wind of above 55 percent, on peak demand for both locations. This shows that significant energy out of RES is not used during the winter, as the demand is less than 50 percent of summer RES, adding value to the system, as RES saves fuel and increases system reliability by decreasing the required electricity from conventional generation. Dependent on the location, between 30 and 40 percent of peak demand on renewable technologies are required before curtailing takes place. It looks like the concept of Effective Load Carrying Capacity (ELCC) is not that important anymore, as prices for RES came down significantly within the last decades. The RES quality still plays an important role but is getting less important as RES costs are decreasing further. It is expected that also average RES quality site will be more economic in several years.

연구 동기 및 목표

• 사우디 아라비아에서 고율 재생 가능 에너지 통합이 전력 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 재생 가능 에너지 자원이 과도한 비효율적 사용 없이 피크 수요를 신뢰성 있게 충족시킬 수 있는지 평가하기 위해.
• 규모의 경제와 감소하는 재생 가능 에너지 기술 비용이 시스템 경제성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 재생 가능 에너지 비용 감소에 따라 그 중요성이 줄어드는 효과적 하중 수용 능력(ELCC)의 전통적 의존도를 도전하기 위해.
• 다양한 지역적 맥락에서 비효율적 사용이 필요해지는 최적의 재생 가능 에너지 통합 수준을 결정하기 위해.

제안 방법

• 사우디 아라비아 내 서로 다른 지리적 위치에 두 개의 사례 연구를 수행하여 지역 간 재생 가능 에너지 잠재력의 차이를 평가하기 위해.
• 다양한 수요 프로파일, 특히 여름과 겨울 수요를 비교하여 태양광(PV)과 풍력 에너지의 고통합 시나리오를 모델링하기 위해.
• 재생 가능 에너지 발전이 피크 수요를 중대한 비효율적 사용 없이 충족시킬 수 있는지 평가하기 위해 시스템 신뢰성 지표를 사용하기 위해.
• 규모의 경제와 기술 비용 감소를 강조하여 재생 가능 에너지 배치의 경제적 영향을 평가하기 위해.
• 비효율적 사용이 시작되는 지점을 분석하여 재생 가능 에너지 용량이 수요를 초과할 때의 임계점을 특정하기 위해(피크 수요의 30–40%).
• 저비용 재생 가능 에너지가 포함된 현대 시스템에서 효과적 하중 수용 능력(ELCC)의 관련성을 평가하여, 과거와 비교해 그 중요성이 줄어들었다는 결론을 내리기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비효율적 사용이 필요해지기 전에 사우디 아라비아에서 태양광과 풍력의 통합 수준은 어느 정도까지 도달할 수 있는가?
• RQ2 계절 수요 패턴의 변화가 다양한 조건에서 재생 가능 에너지 통합이 시스템 신뢰성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 규모의 경제와 감소하는 재생 가능 에너지 기술 비용이 고율 재생 가능 에너지 시스템의 경제성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 저비용, 고통합 재생 가능 에너지가 포함된 시스템에서 전통적인 효과적 하중 수용 능력(ELCC) 지표는 여전히 유의미한가?
• RQ5 연료 절감과 기존 발전 방식에 대한 의존도 감소 측면에서 시스템은 재생 가능 에너지로부터 어떤 이점을 얻는가?

주요 결과

• 두 사례 연구 지역 모두에서 피크 수요의 80%를 초과하는 태양광 통합이 신뢰성 문제 없이 달성 가능하다.
• 두 사례 연구 지역 모두에서 고통합 시나리오 하에서 풍력 에너지의 통합 비율이 피크 수요의 55%를 초과하는 것은 실현 가능하다.
• 비효율적 사용은 재생 가능 에너지 용량이 피크 수요의 30–40%를 초과할 경우에만 발생하며, 이는 변동성 발전에 대한 높은 시스템 내성(내구성)을 시사한다.
• 겨울 기간에는 수요가 낮아 재생 가능 에너지의 많은 부분이 사용되지 않지만, 이는 화석 연료 사용 감소로 인해 가치가 있다.
• 재생 가능 에너지 기술 비용이 크게 감소함에 따라 효과적 하중 수용 능력(ELCC)의 개념은 점점 더 중요성이 줄어들고 있다.
• 규모의 경제와 감소하는 재생 가능 에너지 비용은 전통적인 신뢰성 지표인 ELCC보다 시스템 계획에 더 큰 영향을 미친다.