[논문 리뷰] Sustained cost declines in solar PV and battery storage needed to eliminate coal generation in India

Aniruddh Mohan, Shayak Sengupta외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 10.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 40인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 인도의 카르나타카, 구자라트, 타밀 나라두 주에서 코al 발전을 대체하기 위해 최저비용 하이브리드 태양광(PV) 및 리튬이온 배터리 저장 시스템을 모델링한다. 연구 결과, 태양광(PV) 및 배터리 저장의 연간 6% 지속적인 비용 감소와 함께, 저비용 자본 및 태양광(PV) 비용이 1kW당 250달러 이하일 경우, 2040년까지 코알을 단계적으로 철수할 수 있으며, 하이브리드 시스템은 코알 발전 시간의 99%를 대체할 경우 100% 대체보다 약 40% 비용 절감 효과를 보인다.

ABSTRACT

Unabated coal power in India must be phased out by mid-century to achieve global climate targets under the Paris Agreement. Here we estimate the costs of hybrid power plants - lithium-ion battery storage with wind and solar PV - to replace coal generation. We design least cost mixes of these technologies to supply stylized baseload and load-following generation profiles in three Indian states - Karnataka, Gujarat, and Tamil Nadu. Our analysis shows that availability of low cost capital, solar PV capital costs of at least $250/kW, and battery storage capacity costs at least 50% cheaper than current levels will be required to phase out existing coal power plants. Phaseout by 2040 requires a 6% annual decline in the cost of hybrid systems over the next two decades. We find that replacing coal generation with hybrid systems 99% of the hours over multiple decades is roughly 40% cheaper than 100% replacement, indicating a key role for other low cost grid flexibility mechanisms to help hasten coal phaseout. Solar PV is more suited to pairing with short duration storage than wind power. Overall, our results describe the challenging technological and policy advances needed to achieve the temperature goals of the Paris Agreement.

연구 동기 및 목표

• 세 인도 주(카르나타카, 구자라트, 타밀 나라두)에서 코알 발전을 대체하기 위한 하이브리드 태양광(PV) 및 배터리 저장 시스템의 비용 경쟁력 평가.
• 2040년까지 코알 철수를 가능하게 하기 위한 태양광(PV) 및 배터리 저장의 비용 궤적 규명.
• 그리드 유연성 메커니즘이 코알 대체 비용을 줄이는 데 미치는 영향 평가.
• 인도적 맥락에서 단기 배터리 저장과 짝을 이루기에 태양광(PV)과 풍력 중 어느 것이 더 적합한지 비교.
• 파리 협정 이행을 고려한 인도 전력 부문 탄소중립화를 위한 정책 기반 기준 설정.

제안 방법

• 기본부하 및 유연성 있는 코알 발전 프로파일을 충족시키기 위해 태양광(PV), 풍력 및 4시간 리튬이온 배터리 저장의 최저비용 조합을 결정하기 위한 최적화 모델 개발.
• 카르나타카, 구자라트, 타밀 나라두 주의 20년간 시간대별 바람 및 태양광 자원 데이터를 사용해 발전 출력 시뮬레이션.
• 에너지 수요 균형, 배터리 충전 상태 제약, 2중 전환 효율(75%) 및 용량 제한을 고려한 비용 최소화 문제 설정.
• 모의 실험을 위해 실제 주 net load 데이터를 기반으로 100MW 기본부하(24/7) 및 재생 가능 에너지 가용성에 따라 변동하는 유연한 프로파일 설정.
• 실제 사이클링 제한을 반영하기 위해 매시간 총 용량의 25% 이내로 배터리 충전 및 방전 제약 설정.
• 배터리 수명, 효율성, 저장 시간(4시간, 6시간, 8시간, 10시간)에 대한 민감도 분석 수행 및 밸리티를 위해 바수다 파운데이션 데이터베이스에서 확보한 실제 코알 발전소 데이터 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인도의 기존 코알 발전소와의 비용 경쟁력을 확보하기 위해 태양광(PV) 및 배터리 저장의 비용 궤적은 어떻게 되어야 하는가?
• RQ2 코알 발전 시간의 99%를 대체할 경우와 100%를 대체할 경우 하이브리드 시스템의 단위당 비용은 어떻게 비교되는가?
• RQ3 인도 주에서 단기 배터리 저장과 짝을 이루기에 태양광(PV)과 풍력 중 어느 것이 더 적합한가?
• RQ4 그리드 유연성 메커니즘은 코알 철수 비용을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 자본비용(WACC)과 시스템 수명에 대한 가정은 하이브리드 시스템의 비용 경쟁력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하이브리드 시스템이 코알과 비용 경쟁력을 갖추고 2040년까지 코알을 철수하기 위해서는 태양광(PV) 및 배터리 저장 모두 연간 6%의 지속적인 비용 감소가 필요하다.
• 코알 발전 시간의 99%를 대체하는 하이브리드 시스템은 100% 대체하는 경우보다 약 40% 더 저렴하여, 그리드 유연성 메커니즘의 핵심 역할을 확인한다.
• 태양광(PV)은 풍력 대비 더 높은 예측 가능성과 낮은 비용 덕분에 하이브리드 시스템에서 지배적 위치를 차지하며, 단기 저장과의 조합에 더 적합하다.
• WACC 2.5% 조건에서 하이브리드 시스템의 LCOE는 10–14달러/kWh 수준이며, 현재 코알의 마진 비용(~3.0달러/kWh)보다 3–4배 높다.
• 현재 시스템 비용은 지속적인 비용 감소 없이선 코알과의 비용 경쟁력 확보가 불가능하며, 하이브리드 시스템 비용을 60%까지 낮춰야 코알의 마진 비용과 동등해진다.
• 모델에서 사용된 가상의 융통성 있는 코알 프로파일은 카르나타카의 실제 net load 데이터와 일치하여 모델의 타당성과 강건성을 입증한다.