[논문 리뷰] Robustness of electricity systems with nearly 100% share of renewables: a worst-case study

Francisco Gutiérrez‐García, Ángel Arcos-Vargas외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 30.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 36인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 스페인의 최근 10년간 시간대별 데이터를 활용하여, 근접 100% 재생 가능 에너지원을 갖춘 전력 시스템의 내구성을 평가하기 위한 악성 시나리오 방법론을 제안한다. 이는 최적의 태양광 및 저장 용량을 결정하기 위한 것이다. 연구 결과, 태양광 및 저장 용량의 비용 감소와 함께 40%의 조절 가능한 수력발전을 포함할 경우, 시스템은 신뢰성 있고 저비용의 전력 공급을 달성할 수 있으며, 이의 수평 전기 비용(LCOE)은 현재 시장 가격 이하가 된다.

ABSTRACT

Several research studies have shown that future sustainable electricity systems, mostly based on renewable generation and storage, are feasible with current technologies and costs. However, recent episodes of extreme weather conditions, probably associated with climate change, cast shades of doubt on whether the resulting generation portfolios are sufficiently robust to assure, at all times, a suitable balance between generation and demand, when adverse conditions are faced. To address this issue, this work elaborates a methodology intended to determine a sustainable electricity system that can endure extreme weather conditions, which are likely to occur. First, using hourly production and demand data from the last decade, along with estimates of new uses of electricity, a worst-case scenario is constructed, including the storage capacity and additional photovoltaic power which are needed to serve the demand on an hourly basis. Next, several key parameters which may have a significant influence on the LCOE are considered, and a sensitivity analysis is carried out to determine their real impact, significance and potential trends. The proposed methodology is then applied to the Spanish system. The results show that, under the hypotheses and conditions considered in this paper, it is possible to design a decarbonized electricity system that, taking advantage of existing sustainable assets, satisfies the long-term needs by providing a reliable supply at an average cost significantly lower than current market prices.

연구 동기 및 목표

• 극한 기상 조건 하에서 재생 가능 전력 시스템의 내구성을 평가하기 위한 방법론을 개발하는 것.
• 악성 시나리오 조건 하에서 24시간 연속 공급을 보장하기 위한 최소한의 태양광 및 저장 용량을 결정하는 것.
• 풍력 및 수력 이용 계수, 배터리 비용, 태양광 설치 비용 등의 주요 시스템 파라미터 변화에 따른 수평 전기 비용(LCOE)의 민감도를 분석하는 것.

제안 방법

• 과거 10년간의 시간대별 발전 및 수요 데이터를 활용하여 스페인 전력 시스템의 악성 시나리오를 구성한다.
• 극한 조건 하에서 시간대별 수요를 충족시키기 위해 태양광 및 배터리 저장 용량을 최적화하기 위해 반복적 최적화 알고리즘을 적용한다.
• 선택된 조절 가능성 수준(40%, 55%, 70%, 85%)에 따라 조절 가능한 수력과 일반 수력발전을 구분한다.
• 저장소 충전/방전 및 충전 상태(SoC) 제약 조건을 고려하여 시간대별 수요-공급 균형을 확보하기 위해 동적 에너지 균형 방정식을 적용한다.
• 모든 시간대 균형을 충족시키는 최소한의 저장 용량이 확보될 때까지 저장 용량을 반복적으로 감소시킨다.
• 각 최적화된 태양광 및 저장 용량 조합에 대해 LCOE를 추정하며, 태양광 용량 증가와 함께 저장 용량 감소에 따라 비용을 업데이트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스페인에서 악성 기상 및 수요 조건 하에서 100% 재생 가능 전력 공급을 보장하기 위해 필요한 최소한의 태양광 및 저장 용량은 얼마인가?
• RQ2 풍력 이용 계수, 수력 조절 가능성, 배터리 비용 등의 변화에 따라 수평 전기 비용(LCOE)은 얼마나 민감하게 변하는가?
• RQ3 태양광 및 저장 기술의 기대 비용 감소가 완전히 재생 가능한 시스템에서 LCOE를 얼마나 낮출 수 있는가?

주요 결과

• 본 연구의 가정 하에 스페인 시스템의 악성 시나리오 LCOE는 현재 도매 시장 가격 이하이다.
• 조절 가능한 수력 비율이 40%일 경우, 조절 가능성 10% 증가당 LCOE가 0.4% 감소하며, 그 이상에서는 수익 감소 효과가 줄어든다.
• 태양광 또는 배터리 비용이 10% 감소할 경우, LCOE는 2% 감소하며, 이는 비용 추세가 계속될 경우 연간 LCOE 감소율이 최대 8%까지 가능함을 시사한다.
• 최소한 40%의 수력이 조절 가능한 경우, 필요한 저장 용량은 미미한 편이므로 수력의 체계적 안정성 확보 역할이 핵심임을 시사한다.
• 이 방법론은 최적의 재생 가능 에너지원 및 저장 용량 포트폴리오를 성공적으로 규명하여, 안정적이고 저비용이며 탄소 배출이 없는 전력 공급을 보장한다.
• 제안된 접근법은 일반화 가능하며, 다른 시스템 및 위도에 적용 가능하다.