[논문 리뷰] Renewable Energy Targets and Unintended Storage Cycling: Implications for Energy Modeling

Martin Kittel, Wolf-Peter Schill|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 28.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 77인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 전력 시스템 모델에서 과잉 재생 가능 에너지 발전을 캐리터널화를 피하기 위해 동시에 충전과 방전이 발생하는 '의도하지 않은 저장소 사이클링'—모델링의 산물로, 최적의 디스패치 및 투자 결정을 왜곡한다. 저자들은 이 산물이 재생 가능 에너지 목표가 저장 손실을 고려하지 못할 경우 발생하며, 비용 최소화 모델 왜곡을 방지하기 위해 이러한 손실을 제약 조건에 완전히 통합할 것을 권고한다.

ABSTRACT

To decarbonize the economy, many governments have set targets for the use of renewable energy sources. These are often formulated as relative shares of electricity demand or supply. Implementing respective constraints in energy models is a surprisingly delicate issue. They may cause a modeling artifact of excessive electricity storage use. We introduce this phenomenon as 'unintended storage cycling', which can be detected in case of simultaneous storage charging and discharging. In this paper, we provide an analytical representation of different approaches for implementing minimum renewable share constraints in models, and show how these may lead to unintended storage cycling. Using a parsimonious optimization model, we quantify related distortions of optimal dispatch and investment decisions as well as market prices, and identify important drivers of the phenomenon. Finally, we provide recommendations on how to avoid the distorting effects of unintended storage cycling in energy modeling.

연구 동기 및 목표

• 비용 최적화 전력 시스템 모델에서 유의미한 재생 가능 에너지 목표를 가진 조건에서 이전에 기록되지 않은 모델링 산물인 '의도하지 않은 저장소 사이클링'을 식별하고 분석하는 것.
• 저장 손실이 재생 가능 에너지 비율 제약 조건에 충분히 반영되지 않을 경우 인위적인 저장소 사이클링과 왜곡된 디스패치 및 투자 결정이 어떻게 발생하는지 조사하는 것.
• 다양한 제약 조건 형식이 모델 결과에 미치는 영향, 특히 저장소 행동과 시장 가격과의 관계에서 분석적이고 수치적 증거를 제공하는 것.
• 모델러들이 저장 손실을 재생 가능 에너지 제약 조건에 완전히 통합함으로써 이 산물에서 벗어나기 위한 실질적인 권고 사항을 제공하는 것.

제안 방법

• 장기 평형 상태에서 저장소의 최적 조건을 중심으로 최소 재생 가능 에너지 비율 제약 조건이 저장소 운영에 미치는 영향을 분석하는 프레임워크를 개발한다.
• 다양한 제약 조건 형식 하에서 디스패치 및 투자 결정을 시뮬레이션하기 위해 단순화된 전력 부문 최적화 모델을 사용한다.
• 저장 손실이 재생 가능 에너지 목표에 충분히 반영되지 않을 경우 비용 최소화 행동에 의해 유도되는 동시에 충전과 방전이 발생하는 '의도하지 않은 저장소 사이클링' 개념을 도입하고 체계화한다.
• 독일 전력 부문 파rameterization을 기반으로 수치 시뮬레이션을 통해 최적 디스패치, 저장소 및 기타 기술의 투자, 시장 가격의 왜곡 정도를 정량화한다.
• 저장 손실을 포함 여부에 따라 다르게 설정된 다양한 제약 조건 형식을 비교한다.
• 해결책 제안: 재생 가능 에너지 제약 조건에서 저장 손실을 완전히 보상하도록 요구하여 이 산물을 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소 재생 가능 에너지 비율 제약 조건이 있는 전력 시스템 모델에서 의도하지 않은 저장소 사이클링이 발생하는 조건는 무엇인가?
• RQ2 특히 저장 손실을 포함 여부에 따라 다른 재생 가능 에너지 목표 제약 조건의 형식이 최적의 디스패치 및 투자 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 의도하지 않은 저장소 사이클링이 전력 부문 모델에서 시장 가격과 기술 배치에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ4 제약 조건 내 손실 계산이 불완전할 경우 모델 결과가 얼마나 비최적화되며, 이를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ5 모델 결과를 왜곡하지 않고 의도하지 않은 저장소 사이클링을 방지하기 위한 가장 효과적이고 정책적으로 관련성이 높은 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 재생 가능 에너지 제약 조건이 저장 전환 손실을 고려하지 않을 경우, 과잉 재생 가능 에너지의 캐리터널화를 피하기 위해 동시에 충전과 방전이 발생하는 의도하지 않은 저장소 사이클링이 발생한다.
• 이 산물은 최적의 디스패치 및 투자 결정을 왜곡하며, 저장소 사용이 과도해지고, 재생 가능 에너지의 캐리터널화가 증가하지 않음에도 불구하고 인위적으로 낮아지는 결과를 초래한다.
• 저장 손실을 재생 가능 에너지 제약 조건에 완전히 포함시키는 것이 의도하지 않은 저장소 사이클링을 방지하기 위해 필수적이고도 충분하다. 이는 재생 가능 에너지 발전이 모든 손실을 커버하도록 보장한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 이 산물은 모델링된 시장 가격을 크게 왜곡하고, 특히 고재생 가능 에너지 시나리오에서 비최적의 기술 배치로 이어질 수 있음을 보여준다.
• 이 현상은 저장소에 국한되지 않으며, 재생 가능 에너지 목표가 지역 수준에 적용될 경우 의도하지 않은 전송 손실을 통해 발생할 수도 있다.
• 저자들은 손실 완전 커버리지 반영을 위한 보고 및 목표 설정 관행을 조정하거나, 적절한 경우 탄소 가격 책정과 같은 대체 제약 조건을 사용하여 이 산물을 완화할 것을 권고한다.