[논문 리뷰] Optimised operation of low-emission offshore oil and gas platform integrated energy systems

Harald Svendsen|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 10.

Global Energy and Sustainability Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 해상 석유 및 가스 플랫폼의 통합 에너지 시스템을 위한 오픈소스 최적화 모델(Oogeso)을 제시하며, 풍력 발전과 배터리 저장을 통한 최적 운영을 통해 CO₂ 배출을 감소시킨다. 연구는 풍력-가스 하이브리드 시스템이 적절한 규모와 제어를 통해 최대 40%의 배출 감소를 이룰 수 있음을 입증하며, 동시에 시스템 안정성과 운영 신뢰성을 유지함을 보여준다.

ABSTRACT

This paper considers the operation of offshore oil and gas platform energy systems with energy supply from wind turbines to reduce local CO2 emissions. A new integrated energy system model for operational planning and simulation has been developed and implemented in an open-source software tool (Oogeso). This model and tool is first presented, and then applied on a relevant North Sea case with different energy supply alternatives to quantify and compare CO2 emission reductions and other key indicators.

연구 동기 및 목표

• 고립된 해상 석유 및 가스 플랫폼에서 통합 에너지 시스템을 위한 종합적이고 오픈소스 최적화 모델을 개발하는 것.
• 배터리 저장을 포함한 하이브리드 풍력-가스 에너지 시스템의 운영 성능과 배출 감소 잠재력 평가.
• 풍력 투입 수준, 시스템 규모, 운영 전략이 배출량, 비용, 안정성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 풍력 발전의 변동성과 컨버터 인터페이스 시스템의 관성 부족 문제에 대응하기 위해 고도의 제어 및 에너지 관리 전략을 도입하는 것.

제안 방법

• 오픈소스 Oogeso 도구를 활용해 해상 에너지 시스템의 운영 계획을 위한 혼합정수선형계획(MILP) 최적화 프레임워크를 개발하였다.
• 압력-유량 동역학을 표현하기 위해 선형화된 Weymouth 및 Darcy-Weisbach 방정식을 사용해 가스 및 액체 파이프라인의 세부 물리 모델을 통합하였다.
• 풍력 터빈, 가스 터빈, 배터리, 가변속 드라이브를 이산 및 연속 변수로 모델링하여 운영의 유연성을 반영하였다.
• 시스템 안정성을 확보하기 위해 예비 여유 한계, 배출률 상한선, 장치별 운영 제약 조건을 포함하였다.
• 대규모 최적화 문제의 효율적 해법을 위해 비선형 유량 방정식을 정상 작동점 주변에서 선형 근사화하였다.
• 실제 플랫폼 에너지 수요와 풍력 가용성 조건을 반영한 노르웨이 해 사례 연구를 적용하여 다양한 에너지 공급 시나리오를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립된 해상 플랫폼에서 시스템 신뢰성을 유지하면서 배출을 최소화하는 최적의 풍력 투입 수준은 무엇인가?
• RQ2 배터리 저장 및 유연한 부하가 풍력 발전의 변동성 균형 조절과 시스템 안정성 향상에 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 하이브리드 풍력-가스 에너지 시스템에서 배출 감소, 운영 비용, 시스템 규모 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ4 예비 여유 한계와 배출률 제약 조건이 에너지 시스템의 실현 가능한 운영 영역에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 기존 플랫폼 인프라는 얼마나 큰 규모의 풍력 발전을 수용할 수 있으며, 주요 설계 변경 없이도 가능한가?

주요 결과

• 연구는 최적의 규모를 가진 하이브리드 풍력-가스 시스템이 기존 가스 터빈 운영 대비 최대 40%의 CO₂ 배출 감소를 이룰 수 있음을 입증한다.
• 유사한 연구에서 약 57%의 풍력 투입 수준이 최적이었으며, 본 논문은 적절한 에너지 관리 및 저장 전략을 통해 이러한 수준이 실현 가능하다는 점을 확인한다.
• 배터리 저장은 시스템의 유연성을 크게 향상시키며, 기록된 풍력 부족 기간 동안의 복원력 강화와 함께 기록된 손실 감소에 기여한다.
• 유량이 정상 작동점 근처를 유지할 경우 선형화된 파이프라인 모델은 운영 계획에 대해 정확한 근사치를 제공한다.
• 예비 여유 한계와 배출률 제약 조건은 실현 가능한 운영 영역을 결정하고 시스템 설계 및 운용 전략에 영향을 미치는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 적절한 제어 전략이 적용되고 충분한 유연성이 부하 및 저장 장치로부터 확보될 경우, 전기적 안정성은 컨버터 인터페이스 발전 비율이 높더라도 달성 가능하다.