[논문 리뷰] Integrated Investment and Operational Planning for Sugarcane-Based Biofuels and Bioelectricity under Market Uncertainty

Carolina Monteiro, Bruno Fanzeres외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 가격 및 원료 불확실성 하에서 설탕사탕수수 바이오매스 시설의 투자 및 운영 의사결정을 통합하는 두 단계 확률 최적화 모델을 개발하고 오픈 소스 구현(OptBio)을 제공한다.

ABSTRACT

Sugarcane biomass is a strategic resource for the energy transition, particularly in Brazil, where it underpins electricity and ethanol production. Investment planning is challenged by diverse production pathways, price volatility, and feedstock variability. This work develops a two-stage stochastic optimization model integrating investment and operational decisions for sugarcane facilities. The model aims to support robust planning for diversified biomass plants, aiding the sector's decarbonization. The first stage defines capacity expansion under economies of scale through a power-law cost function. The second stage defines operational decisions under price and feedstock uncertainty, modeled via scenarios and Conditional Value-at-Risk. \answer{From an investor's perspective, the objective is to minimize risk-adjusted net costs. In addition to its methodological contributions, this work also provides an open-source implementation of the proposed capacity expansion planning framework, referred to as extit{OptBio}.} A Brazilian case study shows risk-neutral strategies favor sugar/ethanol but are vulnerable, whereas risk-averse strategies promote diversification. Sensitivity analyses indicate biomethane and hydrogen may become viable with favorable prices, while biochar boost productivity and profitability.

연구 동기 및 목표

• 사탕수수 바이오매스 시설의 가격 및 가용성 불확실성에 따른 투자 비용과 위험 조정 운영 비용의 균형.
• 용량 확장 시 비선형 규모의 경제를 자본 지출에서 포착.
• 사탕수수 유래의 다양한 제품 및 공정을 기본 산출물인 설탕 및 에탄올을 넘어 광범위하게 표현.
• 재현성과 더 넓은 적용을 가능하게 하는 오픈 소스 용량 확장 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• capsulated 전력-법칙(cost function)으로 규모의 경제를 사용하는 1단계에서 용량 확장을 선택하는 2단계 확률 프로그래밍을 형식화한다.
• 2단계 단계는 용량과 시나리오 실현을 바탕으로 연간 운용을 최적화하고, 입력의 단가와 판매 제품의 수익으로 순 costs를 최소화한다.
• 가격과 제품 가용성에 대한 시나리오 세트를 사용해 불확실성을 표현하고, 기대 비용과 꼬리 위험을 혼합하는 리스크를 측정하기 위해 CVaR을 사용한다.
• 해석 가능한 해를 얻기 위해 규모의 경제 관계를 이진변수를 사용한 분할 선형근사로 표현한다.
• 2단계 문제를 표준 솔버에 적합한 등가 시나리오 기반 MILP로 재정형화한다.
• SQLite에 저장된 데이터와 함께 OptBio라는 이름의 오픈 소스 Julia/JuMP 구현을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가격 및 원료 불확실성에 직면했을 때 사탕수수 바이오매스 시설의 용량은 어떻게 확장되어야 하는가?
• RQ2 CVaR 기반 리스크 선호를 도입하는 것이 투자 및 운용 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 리스크 고려 시 어떤 생산 경로(예: 바이오가스, 수소, 바이오차)가 매력적으로 변하는가?
• RQ4 CAPEX의 비선형 규모의 경제를 계산 가능한 최적화 모델에서 어떻게 정확하게 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 리스크 중립 전략은 설탕/에탄올 쪽으로 편향되는 경향이 있지만 가격 변동에 취약하다.
• 리스크 회피 전략은 다각화를 촉진하고 리스크-수익 균형을 개선한다.
• 바이오가스화와 수소는 우호적인 가격에서 타당해질 수 있다.
• 바이오차는 생산성과 수익성을 높일 수 있고, 폐기물-에너지 경로는 추가 수익원을 제공한다.
• 오픈 소스 OptBio 구현은 재현성과 프레임워크의 보다 넓은 활용을 가능하게 한다.