[논문 리뷰] Power sector effects of green hydrogen production in Germany

Dana Kirchem, Wolf-Peter Schill|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 05.

Hybrid Renewable Energy Systems참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2030년 독일에서의 녹색 수소 생산이 다양한 시나리오 하에서 전력 시스템의 유연성, 저장 수요 및 비용에 미치는 영향을 분석하기 위해 오픈소스 전력 부문 모델을 사용한다. 연구 결과, 대규모 수소 저장은 지리적 보정이 없는 상황에서 특히 시스템의 유연성을 높이며, 수소 생산은 용량 가정과 송전 통합 조건에 따라 다른 전력 소비자에게 비용을 전가시킬 수 있다.

ABSTRACT

The use of green hydrogen can support the decarbonization of sectors which are difficult to electrify, such as industry or heavy transport. Yet, the wider power sector effects of providing green hydrogen are not well understood so far. We use an open-source electricity sector model to investigate potential power sector interactions of three alternative supply chains for green hydrogen in Germany in the year 2030. We distinguish between model settings in which Germany is modeled as an electric island versus embedded in an interconnected system with its neighboring countries, as well as settings with and without technology-specific capacity bounds on wind energy. The findings suggest that large-scale hydrogen storage can provide valuable flexibility to the power system in settings with high renewable energy shares. These benefits are more pronounced in the absence of flexibility from geographical balancing. We further find that the effects of green hydrogen production on the optimal generation portfolio strongly depend on the model assumptions regarding capacity expansion potentials. We also identify a potential distributional effect of green hydrogen production at the expense of other electricity consumers, of which policy makers should be aware.

연구 동기 및 목표

• 2030년 독일에서 대규모 녹색 수소 생산이 전력 부문에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현지 탱크, 먼 곳의 동굴, 운반을 통한 수송 등 다양한 수소 공급 체인의 영향을 시스템 비용과 유연성 측면에서 평가하기 위해.
• 전기 저장 수요 감소 및 재생 가능 에너지 변동성 보정에 수소 저장이 어떻게 기여하는지 검토하기 위해.
• 수소 생산이 다른 전력 소비자에 미치는 분배적 영향과 시스템 비용 배분 방식을 규명하기 위해.

제안 방법

• 2030년 독일 전력 시스템을 시뮬레이션하기 위해 오픈소스 전력 부문 최적화 모델을 사용한다.
• 세 가지 수소 공급 체인을 비교한다: 현지 고압 탱크 저장, 먼 곳의 동굴 저장, 수요지로의 트레일러 기반 운반.
• 독일을 고립된 전력망과 중앙유럽 전력망 연계망의 일부로 각각 모델링한다.
• 풍력 발전의 기술별 용량 제약 조건을 통합하고, 이들이 시스템 결과에 미치는 영향을 평가한다.
• 다양한 가정 조건 하에서 시스템 비용, 발전 조합, 전력 조정 및 저장 투자 최적화를 수행한다.
• 횡단 연계를 반영하기 위해 외생적 송전 손실과 네트워크 전송 능력(NTC)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 녹색 수소 생산은 재생 가능 에너지 통합과 시스템 유연성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 수소 저장은 전기 저장과 발전 용량의 필요성을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 탱크, 동굴, 운반 등 다양한 수소 공급 체인은 시스템 비용과 재생 가능 에너지 활용도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 녹색 수소 생산은 다른 전력 소비자에 어떤 분배적 영향을 미치는가?
• RQ5 풍력 발전 용량 확장과 송전망 연계에 대한 가정 조건은 시스템 결과에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 대규모 수소 저장은 지리적 보정이 없는 상황에서 특히 높은 시스템 유연성을 제공한다.
• 수소 저장은 전기 저장의 필요성을 거의 줄이지 못하며, 리튬이온 배터리 투자량은 시나리오 간에 거의 변화가 없다.
• 동굴 저장은 탱크 저장보다 훨씬 높은 수소 저장 용량(배터리 저장보다 2~3개 주기 이상 높음)과 더 낮은 시스템 비용을 제공한다.
• 풍력 발전 용량 확장 제약 조건은 계절 저장 수요를 증가시켜, 특히 태양광 비중이 높은 시스템에서 수소 저장 투자가 크게 증가한다.
• 알칼리 전기분해기의 전부하 시간은 높은 자본비용으로 인해 낮다(1,600~2,860시간), 반면 PEM 전기분해기는 높은 투자비용을 회수하기 위해 더 높은 전부하 시간(최대 2,860시간)을 기록한다.
• 모델은 녹색 수소 생산이 제약 조건 하에서 고립된 전력망 조건에서 특히 다른 전력 소비자에게 비용을 전가시킬 수 있는 잠재적 분배적 영향을 보여준다.