[논문 리뷰] FOCUS : A framework for energy system optimization from prosumer to district and city scale

Jingyu Gong, Yi Nie외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 2

한 줄 요약

FOCUS는 혼합정수선형계획법(MILP)을 사용하여 개인 수요자에서 도시 전체 네트워크까지의 다중 척도 최적화를 가능하게 하는 오픈소스 다중 척도 최적화 프레임워크이다. 다중 목표 최적화를 지원하고 부문 간 시너지를 파악하며, 시간적 집약 기법을 통해 모듈식이고 확장 가능한 구성 요소 라이브러리와 함께 저비용으로 재생 가능 에너지 통합, 저장, 전력망 인프라의 통합 계획을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Decarbonizing the energy sector is one of the main challenges to combat the climate crisis. Cities play an important role to reach climate neutrality as more than 70% of global CO2 emissions originate from urban areas. Decarbonization of energy supply systems can be achieved through various means, including the use of renewable energy sources, improving the efficiency of technologies, the coupling of different energy sectors, and the use of flexibility considering individual prosumer behaviour. This leads to an increasingly decentralized energy system, which is challenging to operate in a robust and cost-effective way. The evaluation of technologies and subsystems can only be done from the perspective of the system in which it is embedded and it is highly dependent on their networking and application scenarios. Therefore, the design and operation of energy systems require adequate computation and evaluation tools, which offer a holistic view of all interconnected components. The currently available optimization tools have limitations, such as limited scope of technologies and sectors, high requirements on data, high computational cost, and difficulty in handling multi-objective optimization. To overcome these limitations a software framework called FOCUS for the flexible and dynamic modeling of any urban sector-coupled energy system is developed. The framework includes a library containing models for different technologies and offers a variety of parameter sets for each technology. FOCUS can handle multi-objective problems by returning Pareto-optimal fronts, which helps users to discover the trade-off between criteria and objectives. The developed tool can identify new flexibility potentials in the energy system, actively support companies in the respective field to optimize urban energy system planning solutions, and determine possible threads to the stable operation of such systems.

연구 동기 및 목표

• 통합적이고 다중 척도 최적화가 필요한 분산형, 부문 연계 도시 에너지 시스템의 복잡성 증가에 대응한다.
• 기존 도구의 한계, 즉 제한된 기술 범위, 높은 데이터 요구량, 다중 목표 간 상충 관계 처리 불가능성 등을 극복한다.
• 통합된 프레임워크 내에서 수요자, 지역, 도시 수준의 인프라를 통합함으로써 도시 에너지 시스템의 강력하고 비용 효율적인 계획 수립을 가능하게 한다.
• 에너지 계획자, 개발자, 정책 입안자들이 에너지 부문 전반에 걸쳐 융통성 잠재력과 최적 구성 구조를 식별함으로써 의사결정 지원한다.

제안 방법

• 수요자 수준, 지역 수준, 도시 수준 간 상호연결을 포함한 3단계 하향식 최적화 아키텍처를 구현한다.
• 모든 구성 요소를 통해 시간에 따라 변화하는 에너지 흐름, 저장, 발전 및 변환을 모델링하기 위해 혼합정수선형계획법(MILP)을 사용한다.
• PV, 배터리, 열펌프, 수소 시스템 등의 기술을 위한 사전 정의된 파rameter 세트를 포함한 모듈식이고 확장 가능한 구성 요소 라이브러리를 통합한다.
• 대규모 시나리오 최적화에서 정확도를 유지하면서 계산 부담을 줄이기 위해 시간적 집약 기법을 적용한다.
• 파레토 최적 해의 집합을 반환함으로써 다중 목표 최적화를 가능하게 하여 비용, 배출가스, 시스템 안정성 간의 상충 관계 평가를 가능하게 한다.
• 전기, 열, 가스 전력망 간 상호의존성을 모델링하며, 제5세대 지역 난방 및 마이크로그리드 구성도 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 최적화 프레임워크는 수요자, 지역, 도시 척도의 에너지 시스템을 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 다중 목표 최적화는 도시 에너지 시스템에서 비용, 배출가스, 시스템 융통성 간 상충 관계를 파악하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시간적 집약과 모듈식 구성 요소 모델링은 정확도를 훼손하지 않으면서 계산 복잡성을 어떻게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 대규모로 수요자, 저장장치, 다중 에너지 네트워크를 통합할 경우 어떤 융통성 잠재력이 드러나는가?
• RQ5 정책 및 기술 시나리오의 변화에 대비하여 이 프레임워크는 미래에 대비한 부문 연계 도시 에너지 시스템 설계를 어떻게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• FOCUS 프레임워크는 하향식 히에라르키컬 최적화 접근법을 통해 수요자, 지역, 도시 수준의 에너지 시스템을 성공적으로 모델링한다.
• 파레토 최적 해의 집합을 생성함으로써 다중 목표 최적화를 지원하여 사용자가 경제적 비용, 배출가스, 시스템 안정성 간의 상충 관계를 평가할 수 있다.
• 입력 시간 시리즈의 시간적 집약을 통해 대규모 도시 에너지 시스템 시나리오에 대해 실행 가능한 계산 시간을 달성한다.
• 모듈식 구성 요소 라이브러리는 PV, 배터리, 열펌프, 수소 인프라 등 다양한 기술을 세 수준 전역에서 융통성 있게 구성할 수 있도록 한다.
• 수요자와 중앙 인프라 간의 상호보완적 관계, 예를 들어 공동 저장소 및 최적화된 전력망 활용을 식별함으로써 시스템 효율성을 향상시킨다.
• 이 도구는 MIT 라이선스 하에 오픈소스이며 InEEd-DC 프로젝트 내에서 활발히 개발 중이며, 수요자 수준의 모델은 이미 사용 가능하고 지역 수준의 모델은 개발 중이다.