[논문 리뷰] On the means, costs, and system-level impacts of 24/7 carbon-free energy procurement

Iegor Riepin, Tom Brown|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 06.

Energy, Environment, and Transportation Policies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다양한 전력망에서 전기 사용의 시간대별 탄소 배출를 제거하기 위한 24/7 탄소 없는 에너지(CFE) 조달 전략을 평가하며, 수학적 모델을 사용해 비용, 제도적 영향 및 배출 감소 효과를 분석한다. 연구 결과, 24/7 CFE 조달은 제도 수준의 배출를 지속적으로 감소시키며 청정 기술 혁신을 이끌어내며, 전력망의 탄소 저감이 진행됨에 따라 효과를 유지함을 확인한다.

ABSTRACT

A growing number of public and private energy buyers are interested in 24/7 carbon-free energy (CFE) procurement, which means that every kilowatt-hour of electricity consumption is met by carbon-free sources at all times. It has the potential to overcome the limitations of established procurement schemes, such as the temporal mismatch between clean electricity supply and buyers' demand that is inherent to "volumetric" matching. Yet it is unclear how 24/7 CFE procurement affects the rest of the power system, and whether this effect is consistent across regional contexts and different levels of system cleanness. We use a mathematical model to systematically examine different designs, optimal procurement strategies, costs, and impacts of the 24/7 CFE matching, both for participating buyers and for regions where voluntary procurement occurs. We examine mechanisms driving system-level missions reduction and how they vary across regions and over time. Our results indicate that clean energy procurement commitments have consistent beneficial effects on participants and the electricity system. Even as grids become cleaner over time, the hourly matching strategy contributes significantly to system-level emissions reduction. In addition, voluntary commitments to 24/7 CFE have a further transformative effect on electricity systems through accelerated innovation and early deployment of advanced energy technologies.

연구 동기 및 목표

• 다양한 지역 전력망에서 24/7 탄소 없는 에너지(CFE) 조달의 실현 가능성, 비용 및 제도 수준의 영향을 평가하기 위해.
• 탄소 없는 공급과 수요의 시간대별 일치가 연간 일치 또는 배출 일치 전략과 비교해 제도 수준의 배출 감소에 어떤 영향을 미치는지 분석하기 위해.
• 장기적 에너지 저장(LDES) 및 청정 안정적 발전 기술의 배치 및 혁신을 가속화하는 데 있어 24/7 CFE 조달의 역할을 조사하기 위해.
• 다양한 전력망의 청정도 수준과 향후 에너지 제도 발전 상황에서 24/7 CFE의 이점이 얼마나 견고한지 평가하기 위해.
• 배출 영향 및 비용 효율성 측면에서 연간 과조달 또는 배출 일치 전략과 같은 대안적 조달 전략과 24/7 CFE를 비교하기 위해.

제안 방법

• PyPSA(Python for Power System Analysis) 기반의 수학적 최적화 모델이 24/7 CFE 조달 조건 하에서 전력 시스템 운영 및 투자 결정을 시뮬레이션한다.
• 모델은 태양광, 풍력, 원자력 및 향후 청정 안정적 발전 기술을 포함한 탄소 없는 자원이 매시간 전력 수요를 충족하도록 보장하기 위해 시간대별로 세밀한 해상도를 반영한다.
• 다양한 전력망 구성(재생 가능 에너지 비율, 전력망의 유연성, 기존 인프라 등)을 가진 여러 지역에서 제도 수준의 영향을 분석한다.
• 기술 접근성, 전력망 탄소 저감 경로, 향후 정책 시나리오에 대한 민감도 분 析를 수행하여 결과의 견고성 테스트를 수행한다.
• 다양한 조달 전략 하에서 발전, 저장, 송배전 인프라의 자본지출(CAPEX) 및 운영지출(OPEX)을 평가하여 비용을 분석한다.
• 시스템 전체의 마진 배출 계산을 사용해 24/7 CFE를 연간 볼륨 일치, 배출 일치, 과조달 전략과 비교한다.

Figure 1 : Fraction of hourly demand met with carbon-free electricity.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 24/7 CFE 조달은 연간 일치 또는 배출 일치 전략과 비교해 제도 수준의 탄소 배출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 탈탄소 수준과 재생 가능 에너지 가용성 수준을 가진 지역 전력망에서 24/7 CFE 조달의 비용 영향은 어떠한가?
• RQ3 24/7 CFE 조달은 장기적 에너지 저장(LDES) 및 청정 안정적 발전 기술의 조기 배치 및 혁신을 어느 정도 촉진하는가?
• RQ4 국가 전력망이 시간이 지남에 따라 점점 더 청정해질수록 24/7 CFE 조달의 효과성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 24/7 CFE의 배출 감소 효과를 뒷받침하는 메커니즘은 무엇이며, 이는 다양한 전력망 위치와 시간대에 따라 어떻게 다를 수 있는가?

주요 결과

• 24/7 CFE 조달은 테스트된 모든 지역에서 전력망 탈탄소화가 진행됨에 따라 제도 수준의 탄소 배출를 지속적으로 감소시킨다.
• 특히 재생 가능 에너지 생산이 낮은 시간대에 화석 연료 의존도가 높은 지역에서는 연간 일치 전략을 초월해 상당한 배출 감소 잠재력을 유지한다.
• 자발적인 24/7 CFE 조건은 장기적 에너지 저장(LDES) 및 청정 안정적 발전 기술의 조기 투자와 혁신을 이끌어내어 에너지 전환을 가속화한다.
• 배출 일치 전략과 비교해 24/7 CFE는 제도 수준의 배출 감소 효과가 훨씬 크며, 배출 일치 전략은 종종 다른 탄소 없는 자원을 대체하기 때문이다.
• 과조달 전략은 비용이 낮지만, 특히 변화하는 국가 기후 정책 하에서는 24/7 CFE에 비해 제도 배출 감소 효과가 떨어진다.
• 기술 접근성, 전력망 위치, 향후 탈탄소 경로 등 다양한 민감도 분 析에서도 24/7 CFE의 이점은 견고하다.

(a) Average emissions rate of participating consumers.