[논문 리뷰] The Value of Flexibility in a Carbon Neutral Power System

Elena Raycheva, Jared Garrison외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 24.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 탄소중립 스위스 전력계통에서의 융통성의 가치를 평가하기 위해 시간대별 해상도를 갖춘 중심집중식 확장 계획 모델을 제안한다. 이 모델은 융통성 있는 발전, 수요 이동, 국경을 초월한 수입을 통합한다. 결과적으로 가스 터빈과 수요 이동을 조합함으로써 시스템 비용을 최소화하고 재생 가능 에너지 및 전통적 발전 능력 투자 요구를 줄일 수 있으며, 이는 수요 관리가 비용 효율적인 탄소중립 전환을 위한 핵심 요소임을 시사한다.

ABSTRACT

In this paper, we use a formulation of the generation expansion planning problem with hourly temporal resolution, to investigate the impact of the availability of different sources of flexibility on a carbon-neutral central European power system (with a focus on Switzerland) for the year 2040. We assess the role of flexible generation, load shifting and imports on the investment and operation of existing and newly built units. Our results show that including load shifting as part of the optimization could reduce the need for investments in both RES and conventional technologies. The combination of newly built flexible generators (gas turbines) and load shifting increases the flexibility of the simulated power system and results in the overall lowest system costs. The reduction of cross-border transmission capacity between Switzerland and its neighbors has a significant impact on the domestic operation and investments but could also affect the surrounding countries.

연구 동기 및 목표

• 탄소중립 전력계통에서 유연성 자원의 종류—융통성 있는 발전, 수요 이동, 수입—이 투자 및 운영 결정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 수요 이동이 재생 가능 에너지 및 전통적 발전 능력 투자 요구를 줄이는 데 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 국경을 초월한 전송 능력이 스위스 내 시스템 운영 및 투자에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 탄소중립 목표 하에서 상승하는 가스 가격에 따른 투자 결정의 민감도를 평가하기 위해.
• 2040년까지 저탄소 전력계통을 달성하기 위한 가장 비용 효율적인 융통성 자원 조합을 규명하기 위해.

제안 방법

• 시간대별 해상도를 갖춘 중심집중식, 결정론적, 단일 연도 발전 확장 계획 모델을 사용하여 투자 및 운영 결정을 동시에 최적화한다.
• 열기계 단위(상승/하강 제한 포함), 수력, 배터리 저장, 풍력, 태양광 PV 및 융통성 있는 수요 부하를 상세히 표현한다.
• 국경을 초월한 전력 전송 제약은 명시적으로 모델링되며, 인접 국가들은 집합된 발전 포트폴리오와 전력 흐름으로 표현된다.
• 최적화는 투자, 변동 운영, 연료, 배출 및 수요 단절 비용을 포함한 총 시스템 비용을 최소화한다.
• 수요 이동은 특정 노드에서 제어 가능한 전력 주입으로 모델링되며, 과도하거나 동시에 상향/하향 이동에 대한 비용 부담이 있다.
• 모델은 Nexus-e 플랫폼 내의 CentIv 모듈을 사용하여 구현되었으며, 전력망 표현을 위해 DC 전력 흐름 제약 조건이 포함되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수요 이동을 발전 확장 계획 모델에 통합할 경우 재생 가능 에너지 및 전통적 발전 기술에 대한 투자 요구가 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 융통성 있는 가스 터빈과 수요 이동의 조합이 탄소중립 전력계통에서 시스템 비용과 투자 결정에 미치는 통합적 영향은 무엇인가?
• RQ3 국경을 초월한 전력 전송 능력이 감소하면 스위스 전력계통의 국내 투자 및 운영 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2040년 탄소중립 시나리오 하에서 가스 가격 변화에 따른 투자 결정의 민감도는 어떠한가?
• RQ5 수입과 수출은 스위스 전력계통의 융통성 및 비용 구조에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 최적화에 수요 이동을 포함시킴으로써 재생 가능 에너지 자원과 전통적 기술에 대한 투자 필요성이 감소하고 총 시스템 비용이 낮아진다.
• 신규 건설된 가스 터빈(합성 가스 또는 CCS를 갖춘)과 수요 이동의 조합이 총 시스템 비용을 가장 낮추며, 가장 비용 효율적인 융통성 전략을 나타낸다.
• 가스 가격이 25% 인상되면 PV 설치 용량이 60% 증가하여 태양광 배치가 연료 가격 변화에 매우 민감한 것으로 나타났다.
• 심지어 가스 가격이 100% 인상된 상황에서도 가스 단위 건설이 경제적으로 타당하여, 융통성 있는 발전에 대한 시스템의 지속적인 수요를 보여준다.
• 국경을 초월한 전력 전송 능력이 감소하면 수요 단절이 급격히 증가하고 시스템 비용이 상승하여 스위스와 인접 국가 모두에 영향을 미친다.
• 민감도 분석 결과, 가스 터빈 투자 결정은 연료 가격에 민감하며, 극단적인 가격 인상 상황에서는 설치 용량이 거의 10배 감소하는 것으로 나타났다.