[논문 리뷰] On the economics of electrical storage for variable renewable energy sources

Alexander Zerrahn, Wolf-Peter Schill외 1명|EconStor Open Access Articles and Book Chapters|2018. 02. 19.

Energy and Environment Impacts인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 신팀(2017)의 주장을 도전하며, 변동성이 큰 풍력 및 태양광 발전 비중이 높을 경우 경제적 효율성 최적화를 통해 전기 저장 필요량이 극단적인 귀두 해법에 의존하는 것보다 최대 100배 낮아질 수 있음을 보여준다. 단순한 최적화 모델을 통해 저비용 저장 투자, 재생 가능 에너지 폐기량, 시스템 비용을 균형 있게 조정함으로써, 저자들은 저장이 재생 가능 에너지 전환을 제한할 가능성이 낮음을 발견한다. 특히 부문 통합 및 유연한 수요가 함께 고려될 경우 더욱 그렇다.

ABSTRACT

The use of renewable energy sources is a major strategy to mitigate climate change. Yet Sinn (2017) argues that excessive electrical storage requirements limit the further expansion of variable wind and solar energy. We question, and alter, strong implicit assumptions of Sinn's approach and find that storage needs are considerably lower, up to two orders of magnitude. First, we move away from corner solutions by allowing for combinations of storage and renewable curtailment. Second, we specify a parsimonious optimization model that explicitly considers an economic efficiency perspective. We conclude that electrical storage is unlikely to limit the transition to renewable energy.

연구 동기 및 목표

• 심슨(2017)이 주장한 바와 같이 전기 저장이 변동성이 큰 재생 가능 에너지 자원의 확장을 제한한다는 결론을 도전하기 위해.
• 특히 저장이 전혀 없거나 폐기량이 전혀 없는 귀두 해법에만 의존하는 심슨 모델의 강력한 암묵적 가정을 다루기 위해.
• 저장 용량, 재생 가능 에너지 폐기량, 시스템 비용을 균형 있게 조절하는 더 경제적으로 효율적인 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 지역적 수요 평균화, 수요의 유연성, 부문 통합(예: 전기화학적 변환 기술) 등의 요소가 저장 필요량을 어떻게 줄이는지 평가하기 위해.
• 공개 소스 도구와 데이터를 사용하여, 고재생 가능 전력 시스템의 저장 필요량에 대해 더 현실적이고 정책적으로 유의미한 평가를 제공하기 위해.

제안 방법

• 총 시스템 비용(저장 투자, 재생 가능 에너지 용량, 폐기량 포함)을 최소화하는 단순한 최적화 모델을 개발한다.
• 저장 용량과 재생 가능 에너지 폐기량 간의 상호 교환 관계를 명시적으로 모델링하여, 완전한 폐기 또는 완전한 저장 사용과 같은 극단적인 경우를 피한다.
• 독일의 역사적 weathers 및 수요 데이터를 사용하여 다양한 재생 가능 에너지 비중 하에서 전력 공급 및 수요 프로파일을 시뮬레이션한다.
• 독일 및 인근 국가 간의 지역 간 수요 균형을 모델링하여 잔여 수요 변동성을 줄이고 공간적 평균화 효과를 도입한다.
• 수요의 유연성 및 전기화학적 변환 기술(예: 수소 생산, 전기 난방, 전기 이동수단)이 저장 필요량에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
• 결과의 투명성과 재현 가능성을 확보하기 위해 공개 소스 도구와 공개된 데이터셋을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재생 가능 에너지의 변동성에 따른 저장 필요량은 귀두 해법에서 경제적 효율성 최적화에 따른 저장과 폐기량 간의 균형을 이루는 해법으로 전환할 경우 어떻게 변화하는가?
• RQ2 지역적 수요 평균화와 국경을 초월한 전력 시장 통합은 전기 저장 필요량을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 수요의 유연성 및 전기화학적 변환 기술(예: 수소 생산, 전기 난방)은 고비중 재생 가능 전력 시스템에서 요구되는 저장 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장기 시뮬레이션에서 기준 연도 선택과 입력 데이터 품질의 변화에 따라 저장 필요량은 얼마나 민감하게 변하는가?
• RQ5 해상 풍력과 지상 풍력, 태양광 패널 등의 다양한 재생 가능 발전 프로파일은 시스템의 저장 필요량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 경제적 효율성 최적화를 통해 독일의 완전한 재생 가능 전력 시스템에 필요한 저장 용량은 신팀(2017)의 추정치보다 최대 두 계단 낮아진다. 이는 모든 폐기량을 제거하려는 목표가 아닌 경제적 최적화를 기반으로 한 것이다.
• 최적의 해법은 중간 수준의 저장 용량과 소량의 재생 가능 에너지 폐기량을 조합하며, 이는 대규모 저장 인프라의 필요성을 크게 줄인다.
• 풍력 및 태양광 발전의 지리적 분산은 잔여 수요 변동성을 감소시켜 공급과 수요의 불일치를 완화함으로써, 필요한 저장 용량을 낮춘다.
• 수요의 유연성 및 전기화학적 변환 기술(예: 수소 생산, 전기 난방)은 전기 사용 시기를 이동시킴으로써 추가로 저장 필요량을 줄일 수 있다.
• 해상 풍력은 더 높은 전환 시간(3,200시간)과 낮은 변동성(변동계수 0.73)을 보이며, 지상 풍력(1,600시간, CV 0.83)보다 시스템 안정성에 더 효과적으로 기여한다.
• 본 연구의 결과는 광범위한 문헌과 일치하며, 전기 저장이 재생 가능 에너지 전환의 유일한 제약 요소가 되기 어려움을 입증한다.