[논문 리뷰] What can transmission do for a fully renewable Europe?

Sarah Becker, Rolando A. Rodríguez외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 17.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 유럽 전역에서 변동성이 큰 재생 가능 에너지(VRES) 발전과 전력 수요 간의 불일치를 고전압송전이 어떻게 줄일 수 있는지 조사한다. 기상 기반 모델링과 직류(DC) 송전 흐름 프레임워크를 사용하여, 전체 재생 가능 에너지 유럽에서 수송이 균형 에너지 수요를 최대 40%까지 줄일 수 있으며, 현재 송전 용량을 4배로 늘일 경우 이 이득의 90%를 달성할 수 있음을 발견했다. 국경의 위치와 부하 크기는 국가 수입/수출 잠재력의 핵심 결정 요소이다.

ABSTRACT

Our research is centred around the question how to best integrate the variable renewable energy sources (VRES), wind power and solar photovoltaics, into the European electricity grid. The future electricity supply will be based to a large extend on these fluctuating resources. We have conducted a study, extrapolating national historical and targeted wind and solar power penetrations in Europe up to 100% VRES (R.A. Rodriguez et al, Renewable Energy 63, p. 467, Mar 2014 and S. Becker et al, Energy 64, p. 404, Jan 2014). A high share of VRES means large fluctuations in the generation, causing overproduction and deficits. One way to reduce such mismatches is power transmission spatially smoothing out the fluctuations. This has the potential to reduce the remaining shortages by sharing the surplus production of others. We find that shortages can at maximum be reduced by 40% in the hypothetical case of unlimited transmission capacities across all of Europe. A more realistic extension of the transmission grid, roughly quadrupling today's installation, turns out to be sufficient to harvest 90% of this potential benefit. Finally, the import and export of single countries is investigated. We conclude that a country's load size as well as its position in the network are the determining factors for its import/export opportunities.

연구 동기 및 목표

• 유럽에서 변동성이 큰 재생 가능 에너지(VRES) 발전과 부하 간의 불일치를 줄이기 위한 송전 기술 잠재력을 평가하기 위해.
• 송전 용량 확장이 전기 수입 및 수출 기회에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 공간 평균화 효과를 극대화하기 위해 유럽 송전망을 효율적으로 강화하는 전략을 규명하기 위해.
• 다양한 송전 시나리오 하에서 불일치 분포의 시간적 변화를 조사하기 위해.

제안 방법

• 8년간의 시간별 역사적 기상 데이터를 기반으로 풍력 및 태양광 PV 발전을 기상 기반으로 모델링하고, 국가 수준으로 집계하기 위해.
• 발전 및 부하 데이터를 동일한 평균으로 정규화하여, 로지스틱 피팅을 통해 100% VRES 시나리오로 외삽 가능하도록 하기 위해.
• 국가별 풍력/태양광 비율과 스케일링 요소를 포함하는 공식을 사용해 재생 가능 에너지 발전과 부하 간 불일치를 정의하기 위해.
• 일반화된 직류(DC) 전력 흐름 모델을 적용하여 유럽 국가 간 전력 교환을 시뮬레이션하고, 발전 변동성의 공간 평균화를 가능하게 하기 위해.
• 현재 송전 용량과 가상의 90% 이득 시나리오를 기반으로 한 송전 이점 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 국가 및 지역 수준의 균형 이점 극대화를 우선시하는 전략적 그리드 강화를 안내하기 위해 분위수 용량 보간 기법을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 재생 가능한 에너지 유럽에서 변동성이 큰 재생 가능 에너지 발전과 전력 수요 간 총 에너지 불일치를 송전이 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ2 국가의 부하 크기와 송전망 내 지리적 위치는 국가가 여유 재생 가능 전기를 수입하거나 수출할 수 있는 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 공간 평균화 효과를 극대화하기 위해 유럽 송전망을 강화하는 최적의 전략은 무엇인가?
• RQ4 다양한 송전 용량 시나리오 하에서 불일치 사건의 분포는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 송전은 대규모 불일치 사건, 특히 극심한 수요 부족과 과잉을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 전력 송전은 전체 재생 가능 에너지 유럽에서 필요로 하는 총 균형 에너지를 최대 40%까지 줄일 수 있으며, 주로 불일치 사건의 대부분을 평균화함으로써 달성된다.
• 현실적인 송전 용량 확장—현재 수준의 약 4배—은 송전으로부터 얻을 수 있는 최대 잠재 이득의 90%를 달성할 수 있다.
• 남은 60%의 균형 에너지는 송전만으로는 보완할 수 없으며, 이는 저장 또는 수요 측면 관리와 같은 추가 조치가 필수적임을 시사한다.
• 독일와 같이 부하가 큰 국가는 덴마크와 같이 작은 국가보다 송전 이점을 덜 얻는다. 이는 자신의 수요 대비 수출 잠재력이 낮기 때문이다.
• 지리적 위치는 무역 잠재력에 크게 영향을 미친다. 스페인과 같이 남부 유럽 국가들은 덴마크와 같이 중심 또는 북유럽 국가들보다 송전 확장 이점을 덜 얻는다.
• 송전는 중간 수준의 불일치 사건을 줄이는 데 가장 효과적이며, 극심한 과잉과 부족 사건은 여전히 대부분 영향을 받지 않아, 공간 평균화만으로는 극심한 불균형을 해결할 수 없다는 것을 시사한다.