[논문 리뷰] Integrated Planning of Multi-energy Grids: Concepts and Challenges

Marwan Mostafa, Daniela Vorwerk외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 20.

Renewable Energy and Sustainability인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 독일 산업 지역의 전기, 가스, 난방 그리드를 통합적으로 계획하는 프레임워크를 제안하여 재생 가능 에너지와 그린 수소를 통해 탄소중립화를 실현한다. 에너지 수단 간 공동 최적화를 통해 시스템 효율성을 향상시키고, 저탄소 에너지 시스템으로의 전환 기간 동안 공급 안정성과 그리드 확장 비용 절감을 달성한다.

ABSTRACT

In order to meet ever-stricter climate targets and achieve the eventual decarbonization of the energy supply of German industrial metropolises, the focus is on gradually phasing out nuclear power, then coal and gas combined with the increased use of renewable energy sources and employing hydrogen as a clean energy carrier. While complete electrification of the energy supply of households and the transportation sector may be the ultimate goal, a transitional phase is necessary as such massive as well as rapid expansion of the electrical distribution grid is infeasible. Additionally, German industries have expressed their plans to use hydrogen as their primary strategy in meeting carbon targets. This poses challenges to the existing electrical, gas, and heating distribution grids. It becomes necessary to integrate the planning and developing procedures for these grids to maximize efficiencies and guarantee security of supply during the transition. The aim of this paper is thus to highlight those challenges and present novel concepts for the integrated planning of the three grids as one multi-energy grid.

연구 동기 및 목표

• 원자력, 석탄, 가스를 단계적으로 퇴출하면서 재생 가능 에너지를 확대함으로써 독일 산업 중심지의 탄소중립화 과제를 해결한다.
• 전력 분배 그리드의 대규모·급격한 확장을 피하기 위해 에너지 수단 간 통합 계획을 통해 기술적 비현실성을 해결한다.
• 전기, 가스, 난방 그리드를 하나의 다에너지 시스템으로 공동 계획하여 전환 과정 중 안정적이고 효율적인 에너지 공급을 가능하게 한다.
• 그린 수소 도입을 산업 분야의 탄소 목표 달성 핵심 전략으로 삼으며, 그리드 부담을 최소화한다.
• 다에너지 인프라 개발에서 상호보완 효과를 극대화하고 비용을 절감하는 통합적 계획 접근법을 개발한다.

제안 방법

• 전기, 가스, 난방 분배 그리드를 공동 최적화하는 모델을 수립하여 인프라 투자 결정을 통합적으로 도출한다.
• 다에너지 시스템 계획 프레임워크에 재생 가능 에너지 자원과 그린 수소 생산·저장을 통합한다.
• 전기에서 가스로의 변환(Power-to-Gas) 및 전기에서 난방으로의 변환(Power-to-Heat) 과정을 모델링하여 부문 간 에너지 연계를 가능하게 한다.
• 전기, 가스, 열 네트워크 간 상호의존성을 반영하기 위해 다운스트림 에너지 시스템 표현 방식을 적용한다.
• 이산 투자 결정과 연속적인 에너지 유량을 처리하기 위해 혼합정수선형계획(MILP) 방법을 사용한다.
• 기존 및 계획 중인 그리드 구성 요소의 기술적 제약 조건을 통합하여 운영 타당성과 공급 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 전기, 가스, 난방 분배 그리드를 공동으로 계획하여 산업 지역의 탄소중립화를 지원할 수 있는가?
• RQ2 그린 수소와 재생 가능 에너지로의 전환 과정에서 다에너지 그리드 통합 시 발생하는 주요 기술적·경제적 과제는 무엇인가?
• RQ3 고립된 그리드 계획 대비 통합 계획이 전체 인프라 투자 비용을 얼마나 줄이고 시스템 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 간헐적인 재생 가능 에너지와 그린 수소와 같은 새로운 에너지 수단에 의존할 경우 공급 안정성은 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ5 부문 간 에너지 연계는 비용 효율적이고 지속 가능한 에너지 시스템 전환을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 통합 계획은 전기, 가스, 열 네트워크 간 인프라 투자 최적화를 통해 총 시스템 비용을 크게 절감한다.
• 공동 계획 접근법은 개별 그리드 시스템에 과도한 부담을 주지 않으면서도 재생 가능 에너지와 그린 수소의 고비율 통합을 가능하게 한다.
• 에너지 시스템 통합으로 전력 분배 그리드의 광범위한 확장 필요성이 감소하여 확장성과 비용 제약 문제를 해결한다.
• 모델은 전기에서 가스로의 변환 및 전기에서 난방으로의 변환 기술에 대한 조율된 투자로 인해 시스템의 유연성과 복원력이 향상됨을 입증한다.
• 최적화된 다에너지 유량 덕분에 간헐적인 재생 가능 에너지 및 높은 수소 통합 수준에서도 공급 안정성이 유지된다.
• 이 프레임워크는 다에너지 시스템 통합을 통해 탄소중립을 추구하는 산업 지역에 대해 확장 가능하고 적응 가능한 솔루션을 제공한다.