[논문 리뷰] Integrating Hydrogen in Single-Price Electricity Systems: The Effects of Spatial Economic Signals

Frederik vom Scheidt, Jingyi Qu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 01.

Electric Vehicles and Infrastructure인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 독일의 2030년 전망을 바탕으로 전기 분해를 통한 수소 공급망 모델을 노드 기반 전기 조정 모델과 통합하여, 공간적으로 구분된 전기 가격이 균일 가격 대비 최대 20%까지 혼잡 관리 비용을 감소시키고, 수소 생산을 저비용, 재생에너지 풍부한 송전망 노드로 이동시킴으로써 시스템 효율성을 향상시킨다. 연구 결과는 공간 기반 경제 신호가 시스템 효율성을 크게 향상시키고, 고비용 송전망 개선 조치의 필요성을 줄인다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Hydrogen can contribute substantially to the reduction of carbon emissions in industry and transportation. However, the production of hydrogen through electrolysis creates interdependencies between hydrogen supply chains and electricity systems. Therefore, as governments worldwide are planning considerable financial subsidies and new regulation to promote hydrogen infrastructure investments in the next years, energy policy research is needed to guide such policies with holistic analyses. In this study, we link a electrolytic hydrogen supply chain model with an electricity system dispatch model, for a cross-sectoral case study of Germany in 2030. We find that hydrogen infrastructure investments and their effects on the electricity system are strongly influenced by electricity prices. Given current uniform prices, hydrogen production increases congestion costs in the electricity grid by 17%. In contrast, passing spatially resolved electricity price signals leads to electrolyzers being placed at low-cost grid nodes and further away from consumption centers. This causes lower end-use costs for hydrogen. Moreover, congestion management costs decrease substantially, by up to 20% compared to the benchmark case without hydrogen. These savings could be transferred into according subsidies for hydrogen production. Thus, our study demonstrates the benefits of differentiating economic signals for hydrogen production based on spatial criteria.

연구 동기 및 목표

• 균일 가격 시장에서 전기 분해를 통한 수소 생산과 전력 시스템 운영 간 상호의존성을 분석하기 위해
• 공간적으로 해상도가 높은 전기 가격이 수소 생산 및 운송 인프라의 최적 위치에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해
• 다양한 가격 체제 하에서 수소 통합이 전력 시스템의 혼잡 관리 비용에 미치는 영향을 정량화하기 위해
• 기존의 균일 가격 전력 시장 내에서 효율적이고 비용 효과적인 수소 인프라 보조금 정책을 설계하는 데 정책적 통찰을 제공하기 위해

제안 방법

• 노드 기반 전력 조정 모델과 수소 공급망 최적화 모델을 고공간 해상도로 연결한 통합 모델링 프레임워크를 구축함.
• 전력 모델은 균일 가격 및 노드 기반 가격 시나리오를 시뮬레이션하여 네트워크 혼잡과 재조정 비용을 반영함.
• 수소 모델은 전기 가격, 자본 및 운영 비용을 기반으로 비용 최소화된 생산 및 운송 구성 방식을 결정함.
• 모델은 반복적으로 연결됨: 전력 조정 모델에서 유도된 전기 가격이 수소 투자 결정에 영향을 주고, 그로 인한 부하가 전력 모델로 다시 피드백됨.
• 2030년 독일 사례 연구를 활용하여 수소 수요, 송전망 인프라 및 재생 에너지 발전에 대한 세부 데이터를 활용함.
• 민감도 분석을 통해 균일 가격 대비 노드 기반 가격, 그리고 평균 가격 대비 실시간 요금 체제의 영향을 분리하여 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일 가격 전력 시장에서 수소 생산 통합이 혼잡 관리 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공간적으로 구분된 전기 가격이 수소 공급망 내 전기분해기 최적 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 수소 수요로 인한 전력 시스템의 고비용 재조정 조치가 노드 기반 가격 체제로 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ4 균일 가격 시장 내에서 공간 기반 보조금이 노드 기반 가격의 이점을 재현할 수 있는가?
• RQ5 시간 기반 신호(평균 가격 대비 실시간 요금)가 공간 기반 신호와 비교해 시스템 전반의 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 균일 전기 가격 하에서는 소비 중심지 근처에 비효율적으로 위치한 생산으로 인해 혼잡 관리 비용이 17% 증가하며, 연간 약 €10억에 이르게 된다.
• 노드 기반 가격 하에서는 전기분해기가 소비 중심지에서 떨어진 저비용, 재생 에너지 풍부한 송전망 노드로 이전되어 최종 수소 사용 비용이 감소한다.
• 노드 기반 가격 하에서는 균일 가격 기준 대비 혼잡 관리 비용이 최대 20% 감소(연간 €11억)하며, 주로 재조정 요구가 감소하기 때문이다.
• 공간적 및 시간적 가격 신호를 동시에 사용할 경우 가장 큰 비용 절감 효과를 얻을 수 있으며, 이는 노드 기반 실시간 가격 체제의 우월성을 시사한다.
• 공간적 가격 차별화가 시간적 가격 해상도보다 훨씬 더 큰 이점을 제공함을 시사하며, 위치 기반 신호가 시간 기반 신호보다 더 효과적임을 나타낸다.
• 노드 기반 가격 체제로 인한 혼잡 비용 절감 효과는 공간 기반 보조금의 전액을 메출할 수 있으며, 이는 정책의 효율성과 재정적 지속 가능성을 동시에 확보함을 의미한다.