[논문 리뷰] Investment-based optimisation of energy storage design parameters in a grid-connected hybrid renewable energy system

Sleiman Farah, Gorm Bruun Andresen|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 05.

Hybrid Renewable Energy SystemsEnergy참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 재생 가능 에너지 시스템 내에서 신규로 등장하는 격리된 전력망에 연결된 에너지 저장 기술의 규모 설정 및 성능 향상에 투자 기반 최적화 방법을 제안한다. 선형 시스템 최적화를 투자 기반 매개변수 향상과 분리함으로써, 열 저장, 펌프 터널 저장, 용융염 저장, 등온 압축 공기 저장 기술에서 방전 효율성이 가장 영향력 있는 매개변수로 규명되었으며, 그 다음으로는 방전 및 저장 용량 비용이 영향을 미치며, 충전 용량과 효율성은 가장 덜 중요한 요소로 나타났다.

ABSTRACT

Grid-connected hybrid renewable power systems with energy storage can reduce the intermittency of renewable power supply. However, emerging energy storage technologies need improvement to compete with lithium-ion batteries and reduce the cost of energy. Identifying and optimizing the the most valuable improvement path of these technologies is challenging due to the non-linearity of the energy system model when considering parameters as independent variables. To overcome this, a novel investment-based optimization method is proposed. The method involves linear optimization of the hybrid renewable energy system and subsequent investment optimization, accounting for diminishing improvements per investment. Applied to thermal energy, pumped thermal energy, molten salt, and adiabatic compressed air energy storage technologies, the results show that enhancing discharge efficiency is most valuable for all technologies. Reducing discharge capacity costs and energy storage capacity cost can also become important. Charge capacity cost and charge efficiency are found to be of lesser significance. The study provides detailed improvement pathways for each technology under various operational conditions, assisting developers in resource allocation. Overall, the investment-based optimization method and findings contribute to enhancing the competitiveness of emerging energy storage technologies and reducing reliance on batteries in renewable energy systems.

연구 동기 및 목표

• 신규 기술의 에너지 저장 설계 매개변수 최적화 시 비선형 시스템 모델링의 과제를 해결하기 위해.
• 격리된 전력망에 연결된 하이브리드 재생 가능 에너지 시스템에서 연구개발 투자 우선순위를 정하기 위해 가장 영향력 있는 기술적 및 비용 매개변수를 규명하기 위해.
• 제한된 자원을 다양한 신규 저장 기술 간에 효과적으로 할당할 수 있도록 개발자에게 전략적 로드맵을 제공하기 위해.
• 매개변수 향상에 대한 투자 수익 감소를 반영함으로써 전통적 최적화의 한계를 극복하기 위해.
• 운영 조건의 변화(태양광/바람 에너지 이용률 및 전력망 연결 요구사항 등)에 따라 최적의 향상 경로가 어떻게 변하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 하이브리드 재생 가능 에너지 시스템의 선형 최적화를 통해 최적의 시스템 구성 요건을 도출하는 첫 번째 단계로 최적화를 분해한다.
• 두 번째 단계로, 오목 함수를 사용하여 수익 감소를 모델링하는 투자 기반 최적화를 적용한다.
• 기울기(α)와 성숙도(β) 매개변수로 제어되는 단위 투자당 향상 비율이 정의된 매개변수화된 투자 함수를 사용한다.
• 시스템 수준 최적화와 투자 모델을 통합하여 각 저장 매개변수(예: 효율성, 비용) 향상의 가치를 순위 매긴다.
• 열 저장(TES), 펌프 터널 저장(PTES), 용융염 저장(MSES), 등온 압축 공기 저장(aCAES)의 네 가지 신규 저장 기술에 이 방법을 적용한다.
• 태양광 및 풍력 이용률, 전력망 이용률, 투자 민감도 매개변수의 변화에 따라 다양한 시나리오에서 결과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투자로 향상시킬 때, 어떤 에너지 저장 설계 매개변수가 가장 높은 시스템 수준의 가치를 제공하는가?
• RQ2 동일한 시스템 조건에서 다양한 신규 기술 간에 저장 매개변수의 중요도 순서는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 전력망 연결 이용률과 재생 가능 자원 가용성의 변화가 최적의 향상 경로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 투자 민감도 매개변수(α 및 β)가 매개변수 향상 우선순위에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시스템 수준 비용 절감과 전력망 통합 향상 측면에서, 방전 효율성 향상과 용량 비용 향상 중 어느 것이 상대적으로 더 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 네 가지 에너지 저장 기술에서 방전 효율성이 투자 단위당 가장 높은 시스템 수준의 가치를 제공하는 가장 중요한 매개변수이다.
• 두 번째로 영향력 있는 매개변수는 방전 용량 비용과 에너지 저장 용량 비용으로, 이는 시스템 경제성과 확장성에 크게 영향을 미친다.
• 충전 용량 비용과 충전 효율성은 영향력이 가장 낮은 매개변수로, 시스템 성능 또는 비용 절감에 거의 영향을 주지 않는다.
• 최적의 향상 경로는 전력망 연결 이용률에 민감하게 반응한다: 높은 요구 수준에서 방전 효율성 향상의 가치가 증폭된다.
• 민감도 분석 결과, 투자 매개변수 α와 β는 우선순위 순서에 크게 영향을 미치며, 높은 α는 더 빠른 향상을, 높은 β는 향후 잠재적 성과 향상을 유도한다.
• 이 방법은 기술별 연구개발 로드맵을 성공적으로 규명하여, 개발자가 영향력 있는 향상에 집중하고 리튬이온 배터리 의존도를 줄일 수 있도록 한다.