[논문 리뷰] Techno-economic analysis of PV-battery systems in Switzerland

Xuejiao Han, Jared Garrison외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 30.

Smart Grid Energy Management인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2020년에서 2050년까지 스위스의 2,200개 고객 집단에서 태양광-배터리 시스템의 기술경제적 타당성을 평가하기 위해 최적화 모델을 개발한다. 전기 소비, 屋上 면적, 일조량 및 지역 위치의 중앙값 자료를 사용한다. 결과적으로 오늘날 일부 집단에서 태양광-배터리 시스템이 태양광만 설치하는 것보다 더 높은 순현재가치를 제공하며, 수익성 회수 기간은 2035년까지 변동성이 크지만 이후 크게 감소하고, 최적의 시스템 규모는 시간이 지남에 따라 증가한다. 2050년까지 屋上 면적 제약이 주요 제약 요소로 작용한다.

ABSTRACT

This paper presents a techno-economic optimization model to analyze the economic viability of a PV-battery system for different customer groups in Switzerland clustered based on their annual electricity consumption, rooftop size, annual irradiation and location. The simulations for a static investment model are carried out for years 2020-2050 and a comprehensive sensitivity analysis is conducted to investigate the impacts of individual parameters such as costs, load profiles, electricity prices and tariffs, etc. Results show that while combining PV with batteries already results in better net present values than PV alone for some customer groups today, the payback periods fluctuate between 2020 and 2035 due to the mixed effects of policy changes, costs and electricity price developments. The optimal PV and battery sizes increase over time and in 2050 the PV investment is mostly limited by the rooftop size. The economic viability of PV-battery system investments varies between different customer groups and the most attractive investment (i.e., that has the shortest payback period) is mostly accessible to customer groups with higher annual irradiation and electricity demand. In addition, investment decisions are highly sensitive to payback periods, future costs, electricity prices and tariff developments. Lastly, the grid impact of the PV-battery system deployments are investigated by analyzing the residual Swiss system load profiles. The dynamics of residual load profiles caused by the seasonal, daily and hourly patterns of the solar generation emphasizes the need for flexible resources with fast ramping capabilities.

연구 동기 및 목표

• 스위스의 다양한 고객 집단에서 태양광(PV) 및 배터리(B) 시스템의 경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 동적인 비용, 가격 및 정책 조건 하에서 2020년에서 2050년까지 투자 결정이 어떻게 변화하는지 분석하기 위해.
• 태양광-배터리 배치가 잔여 부하 프로파일과 시스템 유연성 수요에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전기 가격, 요금 체계 및 시스템 비용과 같은 투자 매력도의 주요 동력 요소를 식별하기 위해.
• 미래의 불확실성에 기인한 입력 변수 변화에 따른 수익성 회수 기간과 순현재가치의 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 고객 집단이 매년 2020년에서 2050년까지 독립적으로 처리되는 정적 투자 최적화 모델을 사용하여 순현재가치(NPV)를 최대화한다.
• 연간 전기 소비, 屋상 면적, 연간 일조량 및 지역을 기반으로 2,200개의 세그먼트로 고객 집단을 군집화하며, 각 세그먼트에 대해 중앙값 자료를 사용한다.
• 이력 및 예측 전기 가격을 사용하여 屋상 이용 가능성 및 투자 비용 제약 조건 하에서 태양광 및 배터리 시스템 규모를 최적화한다.
• 취약성 분석을 위해 취리히의 2050년 데이터를 기반으로 배터리 비용, 전기 요금, 부하 프로파일 등의 변수를 다양하게 설정한다.
• 전력망 영향은 잔여 부하 프로파일 분석을 통해 평가되며, 일조량의 계절적, 일일 및 시간대별 동적 특성을 강조한다.
• 미래 전기 가격은 역사적 도매 가격을 배수 요소로 조정하여 시뮬레이션하지만, PVB 주입으로 인한 가격 억제 효과는 완전히 반영되지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2020년에서 2050년까지 스위스의 다양한 고객 집단에서 태양광-배터리 시스템의 경제적 타당성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 각 고객 집단의 최적 태양광 및 배터리 규모는 무엇이며, 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전기 가격, 요금 체계 및 미래 비용 변화가 수익성 회수 기간과 순현재가치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 PVB 시스템 배치가 잔여 부하 프로파일과 시스템 유연성 수요에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 가장 짧은 수익성 회수 기간을 달성하는 고객 집단은 어디이며, 그들의 투자 매력도의 주요 동력 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 2050년 기준으로 대부분의 고객 집단에서 태양광-배터리 시스템이 태양광만 설치하는 것보다 더 높은 순현재가치를 제공하며, 가장 매력적인 투자 기회는 고일조량, 고전력 수요 세그먼트에 집중되어 있다.
• 2020년에서 2035년 사이에 정책, 비용 및 가격 변화의 혼합적 영향으로 인해 태양광-배터리 시스템의 수익성 회수 기간은 변동성이 크지만, 이후 크게 감소한다.
• 최적의 태양광 및 배터리 규모는 시간이 지남에 따라 증가하며, 2050년에는 屋상 면적이 태양광 용량의 주요 제약 요소로 작용한다.
• 경제적으로 가장 유리한 투자(가장 짧은 수익성 회수 기간)는 주로 연간 고일조량과 고전력 수요를 가진 고객 집단에게 집중되어 있다.
• 투자 결정은 기대 수익성 회수 기간, 향후 배터리 및 태양광 비용, 전기 가격 변화, 주입 요금 변화에 매우 민감하다.
• 일조량으로 인해 잔여 부하 프로파일은 계절적, 일일 및 시간대별 패턴을 뚜렷이 보이며, 이는 빠른 래핑 능력을 갖춘 탄력적인 전력망 자원의 필요성을 강조한다.