[논문 리뷰] Sizing and Profitability of Energy Storage for Prosumers in Madeira, Portugal

Md Umar Hashmi, Jonathan Cavaleiro외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 23.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 22인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 포르투갈 마두이라에서 피드인 보상금이 0이며 피크 전력 계약으로 인해 전력망 제약이 존재하는 환경에서, 피크 수요 절감, 에너지 아르비트리지, 자급자족을 동시에 최적화하기 위한 프레임워크를 제안한다. 수익성 매기기 및 예상 회수 기간을 핵심 지표로 도입하여, 고장 및 사이클 피로가 감소하는 점을 감안해 작은, 느린 래핑 배터리가 더 높은 수익성을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

This paper proposes a framework to select the best-suited battery for co-optimizing for peak demand shaving, energy arbitrage and increase self-sufficiency in the context of power network in Madeira, Portugal. Feed-in-tariff for electricity network in Madeira is zero, which implies consumers with excess production should locally consume the excess generation rather than wasting it. Further, the power network {operator} applies a peak power contract for consumers which imposes an upper bound on the peak power seen by the power grid interfaced by energy meter. We investigate the value of storage in Madeira, using four different types of prosumers, categorized based on the relationship between their inelastic load and renewable generation. We observe that the marginal increase in the value of storage deteriorates with increase in size and ramping capabilities. We propose the use of profit per cycle per unit of battery capacity and expected payback period as indices for selecting the best-suited storage parameters to ensure profitability. This mechanism takes into account the consumption and generation patterns, profit, storage degradation, and cycle and calendar life of the battery. We also propose the inclusion of a friction coefficient in the original co-optimization formulation to increase the value of storage by reducing the operational cycles and eliminate low returning transactions.

연구 동기 및 목표

• 마두이라의 프로슈머에서 과잉 태양광 발전이 보상되지 않으며 피크 전력 계약으로 인해 재정적 제약이 발생하는 에너지 저장의 낮은 수익성 문제를 해결하기 위해.
• 실제 전력망 제약과 제로 피드인 보상금 조건 하에서 수익성을 극대화하는 최적의 배터리 규모 및 제어 전략을 규명하기 위해.
• 배터리 고장, 사이클 수명, 캘린더 수명, 운영 사이클을 고려한 성능 지표를 개발하여 투자 결정을 안내하기 위해.
• 비탄성 부하 및 재생 가능 에너지 발전에 따라 정의되는 다양한 프로슈머 프로파일이 저장 가치와 수익성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 혼합정수계획법을 활용해 에너지 아르비트리지, 자급자족, 피크 수요 감소를 동시에 목표로 하는 공최적화 프레임워크를 제안한다.
• 정규화된 수익성 지표인 사이클당 단위 배터리 용량당 수익을 도입하며, 이는 사이클 수명과 깊이 방전(DoD) 고장을 기반으로 유도된다.
• DoDofVector 알고리즘을 사용해 DoD 및 충·방전 패턴을 고려한 비선형 고장을 반영한 운영 사이클을 추정한다.
• 사이클 수명을 캘린더 수명 고장과 일치시키기 위해 최적화에 마찰 계수를 통합하여 저수익 거래를 감소시키고 과도한 사이클링을 제한한다.
• 마두이라의 실제 전력망 제약을 시뮬레이션하기 위해 시간대별 요금제(ToU)와 피크 전력 계약(PPC) 제재를 적용한다.
• 6월 2019년 데이터를 기반으로 비탄성 부하 대비 재생 가능 에너지 발전 비율에 따라 네 가지 프로슈머 유형을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제로 피드인 보상금 조건 하에서 마두이라의 다양한 프로슈머 프로파일에서 에너지 저장의 수익성은 어떻게 변하는가?
• RQ2 배터리 크기와 래핑 능력 증가의 여정에서 수익성 매기기 및 회수 기간 측면에서의 한계 가치는 무엇인가?
• RQ3 마찰 계수의 도입이 저수익 운영을 얼마나 줄이고 사이클당 수익성은 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 아르비트리지, 자급자족, 피크 절감의 공최적화가 손익분기점과 투자 수익률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 마두이라의 고유한 전력망 및 요금제 규칙 하에서 어떤 배터리 매개변수(크기, C-레트)가 가장 높은 수익성을 보이는가?

주요 결과

• 더 작은 배터리(1–2kWh)와 낮은 C-레트(0.25C–1C)는 더 큰 또는 더 빠른 래핑 배터리보다 단위 용량당 사이클당 수익성이 뚜렷이 높다.
• 1kWh, 1C-1C 조건에서 U2(저도태양광)의 경우 사이클당 단위 용량당 수익은 0.1107 €/kWh이며, U12(고도태양광)의 경우 0.1922 €/kWh로 상승하여 태양광이 비탄성 부하를 초과할 경우 가치가 더 높아진다.
• 배터리 크기와 래핑 능력 증가에 따라 수익성의 한계 가치는 감소하며, 높은 사이클 수가 고장을 가속화하고 사이클당 수익성을 감소시킨다.
• 마찰 계수(예: 1kWh, 1C-1C의 경우 0.796) 도입으로 사이클 수는 U2 기준 47.38에서 47.44로 증가했고, 사이클당 수익은 0.0962에서 0.0962 €/kWh로 상승하여, 회수 기간이 다소 길어지더라도 재정적 타당성이 향상되었다.
• U8(고도태양광)의 경우, 1kWh, 1C-1C 배터리로 연간 수익 38.17 €, 월 평균 사이클 수 44.62회를 기록했지만, 5kWh, 2C-2C 배터리의 경우 연간 수익 18.70 €, 예상 회수 기간 20.05년으로 낮은 수익률을 보여, 큰 규모 시스템의 수익성이 열악하다는 것을 시사한다.
• 월 평균 사이클 수 47.6회는 100% DoD에서 4000회 사이클 수명과 7년 캘린더 수명과 일치하며, 이 수치를 초과하는 사이클 수를 가지는 배터리는 마찰 계수 조정을 통해 수익성을 향상시킬 수 있다.