[논문 리뷰] Renewable energy communities: do they have a business case in Flanders?

Alex E. Felice, Lucija Rakocevic외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 10.

Smart Grid Energy Management인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 벨기에 플랑드르 지역의 재생 가능 에너지 공동체(REC)의 경제적 타당성을 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 사용하여 평가한다. 총 156개의 시나리오를 바탕으로 전기 요금 최소화를 최적화한다. 결과적으로 REC는 일반적인 사업 방식 대비 전기 요금을 10–26% 절감하지만, 개별 스마트 주택과 비교하면 단지 4–6% 절감에 그치며, 용량 기반 요금제와 시스템의 유연성은 비용 절감과 저장장치 보급을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Renewable energy communities (RECs) are prominent initiatives to provide end consumers an active role in the energy sector, raise awareness on the importance of renewable energy (RE) technologies and increase their share in the energy system thus reducing greenhouse gas emissions. The economic viability of RECs though, depends on multiple interdependent factors that require careful examination for each individual context. This study aims at investigating the impact of electricity tariffs, ratio of electrification of heating and transportation sectors, prices of RE technologies and storage systems, and internal electricity exchange prices on the annual cost for electricity provision of a REC. A mixed-integer linear model is developed to minimize energy provision costs for a representative REC in Flanders, Belgium. The results indicate that RECs have the potential to reduce these costs by 10 to 26% compared to business-as-usual. This cost reduction depends on the type of electricity tariffs and the level of uptake of flexible assets such as heat pumps and electric vehicles. The shift towards a higher power component in the electricity tariff makes electricity storage systems more attractive, which leads to higher electricity self-consumption. The introduction of flexible assets adds the possibility to shift demand when tariffs are lower and makes larger sizes of photovoltaic systems economically viable due to the increase in the total electricity demand. However, RECs cost reduction compared to individual smart-homes amounts to only 4% - 6% in the best cases. Uncertainties stemming from the regulation and the costs of setting up a REC may reduce the estimated benefits.

연구 동기 및 목표

• 다양한 요금제 및 기술 시나리오 하에서 플랑드르 지역의 재생 가능 에너지 공동체(REC)의 경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 전기 요금제, 전기화 수준, 그리고 민감한 자산이 REC의 비용 효율성과 재생 에너지 통합에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 배터리 에너지 저장장치(BESS)와 태양광(PV) 시스템이 REC 내 전기 요금 절감에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• REC의 성능을 개별 스마트 주택과 비교하여 순 경제적 이점을 파악하기 위해.
• REC 비용 절감과 기술 보급에 영향을 미치는 주요 요인들—예를 들어 요금제 구조와 시스템의 유연성—을 특정하기 위해.

제안 방법

• 플랑드르 지역의 대표적인 REC에 대해 연간 전기 공급 비용을 최소화하기 위한 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 개발하였다.
• 전기 요금제(체적 기반 대비 용량 기반), PV 및 BESS 크기, 난방 및 이동수단 전기화 수준을 변화시켜 총 156개의 다양한 시나리오를 시뮬레이션하였다.
• 배터리 에너지 저장장치(BESS), 열펌프, 전기차 충전기의 동적 제어를 통합하여 수요 이동과 피크 부하 감소를 가능하게 하였다.
• 에너지 시스템 효율성을 평가하기 위해 자가소비율과 자급률을 성능 지표로 사용하였다.
• 구조적 요인 및 가격 요인의 영향을 분리하기 위해 하중 및 일조량 프로파일에 대한 완전한 전망을 가정하였다.
• 다양한 요금제 체제와 유연성 수준에서 결과를 검증하여 민감도 및 탄력성을 평가하였다.

Figure 1: Total annualized cost per kWh - Capex scenarios comparison

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플랑드르 지역에서 일반적인 사업 방식의 전기 공급 대비 REC의 비용 우월성은 어느 정도인가?
• RQ2 다양한 전기 요금제 구조(체적 기반 대비 용량 기반)가 REC의 경제적 성과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 난방 및 이동수단의 전기화 수준이 REC의 비용 절감과 기술 보급에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 탄력적 자산(예: BESS, 열펌프, 전기차)의 포함 여부가 REC의 경제적 타당성과 자가소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 개별 스마트 주택의 자가발전과 비교했을 때 REC 구성의 순 경제적 이익은 얼마인가?

주요 결과

• REC는 요금제 구조와 유연성 수준에 따라 일반적인 사업 방식 대비 연간 전기 요금을 10–26% 절감한다.
• 개별 스마트 주택과 비교했을 때 REC의 비용 우월성은 최상의 시나리오에서도 단지 4–6%에 그치며, 순 경제적 이득이 미미하다는 것을 시사한다.
• 용량 기반 요금제는 배터리 에너지 저장장치(BESS)의 경제적 매력도를 크게 향상시켜 체적 기반 요금제 대비 더 타당한 선택지로 만든다.
• 난방 및 이동수단의 전기화 수준이 높아질수록 전체 전기 수요가 증가하여 더 큰 태양광(PV) 시스템의 비용 효율성이 향상된다.
• 시스템의 유연성은 더 나은 수요 이동을 가능하게 하여 피크 부하를 감소시키고, 특히 동적 또는 용량 기반 요금제 하에서 총 비용을 낮춘다.
• 규제의 불확실성과 고려되지 않은 설치 비용(행정적 및 기술적 비용)은 REC 구성의 예상 이점이 감소할 수 있음을 시사한다.

Figure 2: Total annualized cost per kWh - Tariff scenarios comparison