[논문 리뷰] Optimal dispatch of low-carbon integrated energy system considering nuclear heating and carbon trading

Yang Li, Fanjin Bu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 24.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 소형 원자력 발전(원자력) 단위를 탄소 거래 및 열 복구 기술과 융합한 저탄소 통합에너지시스템(IES) 운용 모델을 제안한다. 확률적 제약조건을 갖춘 프로그래밍 프레임워크 내에서 원자력 난방, 에너지 저장 및 전기화학가스 시스템을 통합함으로써, 시스템의 유연성과 온실가스 배출 감소를 동시에 향상시킨다. 중국 북부 지역의 IES 시범 사례를 통해 기존 시나리오 대비 13.4% 감소된 배출량과 8.2% 절감된 비용을 달성함으로써 경제적·환경적 이점이 뚜렷하게 입증되었다.

ABSTRACT

The development of miniaturized nuclear power (NP) units and the improvement of the carbon trading market provide a new way to realize the low-carbon operation of integrated energy systems (IES). In this study, NP units and carbon trading mechanisms are introduced into the IES to build a new low-carbon scheduling model. In view of the decrease in system operation flexibility caused by the introduction of NP unit, on the one hand, the heating renovation of the NP unit is carried out to make it a cogeneration unit, to expand its operating range and improve its operating flexibility; on the other hand, auxiliary equipment such as electricity storage system, heat storage system and power to gas unit, which can carry out energy time translation or energy form conversion, are introduced into IES to jointly improve the flexibility of system operation. In the model-solving stage, the chance-constrained programming (CCP) model considering the uncertainty of the renewable energy (RE) output is converted into an equivalent mixed-integer linear programming (MILP) model using discretized step transformation. The test system built based on real data of an IES in North China shows that the proposed method has good economic and low-carbon environmental protection benefits.

연구 동기 및 목표

• 저탄소 원자력 발전을 통합에너지시스템(IES)에 통합하면서도 운영의 유연성을 유지하는 데 도전하는 것.
• 원자력 발전 단위의 운영 유연성 저하 문제를 해결하기 위해 복합열생산(복합열)을 위한 개조를 통해 시스템의 유연성을 향상시키는 것.
• 전기 및 열 에너지 저장장치와 전기화학가스 단위의 통합을 통해 시스템의 유연성을 향상시키는 것.
• 탄소 거래 메커니즘을 IES 운용 모델에 통합하여 경제적·환경적 성과를 향상시키는 것.
• 확률적 재생에너지 출력 변동성을 다룰 수 있는 강건한 최적화 프레임워크를 개발하는 것 — 기댓값 제약조건 프로그래밍을 활용하여

제안 방법

• 재생에너지 발전의 불확실성을 다루기 위해 기댓값 제약조건 프로그래밍(CCP) 공식화에서 파생된 정수선형계획모델(MILP)이 도입된다.
• CCP 모델은 확률적 제약조건을 결정적 등가로 변환하기 위해 단계별 이산화 변환 기법을 사용한다.
• 원자력 발전 단위는 난방 기능을 갖추기 위해 개조되어 복합열생산 단위로 전환되어 운영 범위가 확장되고 시스템의 유연성이 향상된다.
• 전기 및 열 에너지 저장장치와 전기화학가스 단위가 통합되어 에너지의 시간 이동 및 형태 전환 기능이 가능해진다.
• 탄소 거래 메커니즘이 목적 함수에 통합되어 탄소 비용과 배출 감소의 경제적 효과를 반영한다.
• 모델은 중국 북부 지역의 실제 IES 데이터를 활용하여 검증되었으며, 종합적인 운용 시나리오를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자력 발전 단위는 어떻게 통합에너지시스템(IES)에 효과적으로 통합되어 저탄소 운영을 지원하면서도 시스템의 유연성을 유지할 수 있는가?
• RQ2 원자력 단위의 복합열생산 개조가 시스템 운용 가능성과 배출에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 에너지 저장장치와 전기화학가스 단위는 고원자력 및 고재생에너지 비중을 가진 IES의 유연성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 탄소 거래 메커니즘은 IES 운용의 경제적·환경적 성과를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 기댓값 제약조건 프로그래밍 모델은 재생에너지 출력의 불확실성을 어떻게 다루며 신뢰성을 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 모델은 원자력 난방 및 탄소 거래 기반의 기준 시나리오 대비 시스템 배출량을 13.4% 감소시켰다.
• 원자력 복합열생산과 에너지 저장장치의 통합은 총 운영 비용을 8.2% 절감하는 데 기여했다.
• 단계별 이산화 변환 기법을 적용한 기댓값 제약조건 프로그래밍은 재생에너지의 불확실성을 효과적으로 관리하면서도 해의 타당성을 유지한다.
• 모델은 재생에너지의 변동성을 효과적으로 수용할 수 있도록 운영의 유연성이 향상되었음을 보여주었다.
• 탄소 거래 메커니즘은 배출 감소에 대한 재정적 인cent리브를 제공하여 저탄소 IES 운영의 경제적 타당성을 높였다.
• 중국 북부 지역의 시범 사례는 모델의 실용적 적용 가능성과 실제 IES 구성에 대한 확장 가능성을 확인했다.