[논문 리뷰] PyPSA-ZA: Investment and operation co-optimization of integrating wind and solar in South Africa at high spatial and temporal detail

Jonas Hörsch, Joanne R Calitz|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 30.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 8

한 줄 요약

PyPSA-ZA는 남아프리카 공화국의 전력 시스템에서 투자와 운영을 공동 최적화하는 개방형, 고해상도 기술경제 모델을 제공하며, 27개 지역 구역과 시간당 해상도로 풍력 및 태양광을 통합한다. 이 모델은 탄소 가스의 유연성과 확장된 송전 고리망을 통해 70%의 재생에너지 통합이 비용 최적화됨을 발견했으며, 비용은 20% 증가에 그치지만 이산화탄소 배출량은 95% 감소시킨다.

ABSTRACT

South Africa is in the fortunate position of having access to high-quality wind and solar resources promising energy production costs well below the ones projected for future installations of thermal generation; yet the feasibility of a low carbon energy system is still under scrutiny. This study introduces a spatially and temporally resolved techno-economic model co-optimising generation and transmission capacity investments and operation. 27 supply regions in South Africa are equipped with a year of time-series in hourly resolution based on the IRP2016 base-case assumptions. Eight different scenarios representing different restrictions on renewable generation and mitigation efforts of GHG emissions are evaluated and discussed. 70% of energy from renewable sources were found to be cost-optimally integrated using flexible gas generation and the expansion of several transmission corridors. A 95% CO${}_2$ reduction leads to a moderate 20% cost increase. The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future South African energy system, primarily based on renewable wind and solar resources.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 공간 및 시간 모델링을 활용해 남아프리카 공화국 전력 시스템의 심층 탄소중립화의 실현 가능성과 비용 효율성을 평가하기 위해.
• 탄소중립화를 위한 탄소가스 발전, 배터리 저장소, 송전망 확장의 역할을 평가하기 위해.
• 이산화탄소 감축 목표와 재생에너지 배치 제약 조건을 다양하게 둔 시나리오를 비교하기 위해.
• 자유롭게 이용 가능한 데이터를 기반으로 한 투명하고 개방형 소스 모델을 제공하여 이해관계자 기반 에너지 시스템 계획을 지원하기 위해.
• 현재의 국가 에너지 계획을 도전하며, 석탄 및 원자력 확장을 경제적·환경적으로 열등한 선택임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 모델는 총 연간 시스템 비용(투자 및 운영 비용 포함)을 최소화하는 선형계획문제를 해결하기 위해 PyPSA 프레임워크를 사용한다.
• 27개 지역과 8,760시간 동안의 발전 및 저장 용량(G_n,s), 송전 용량(F_ℓ), 시간별 운용(g_n,s,t)을 최적화한다.
• 전력 흐름은 선형화된 DC 전력 흐름 방정식을 사용하여 모델링되며, 인cidencematrix와 노드 균형 방정식을 통해 네트워크 제약 조건을 준수한다.
• 재생에너지 발전은 역사적 기상 및 부하 데이터에서 유도된 시간에 따라 변하는 가용성(ĝ_n,s,t)에 의해 제약된다.
• 저장소는 충전/방전 효율성, 초깃준비 에너지 수준, 누출을 포함한 에너지 균형 방정식으로 모델링된다.
• 사이클릭 에너지 수준(e_n,s,0 = e_n,s,T)을 강제 적용하고, 전통적 발전기의 램프 속도 제한도 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2040년 남아프리카 공화국 전력 수요를 충족시키기 위해 고재생에너지 비율을 달성하기 위해 필요한 풍력, 태양광, 가스, 저장소 및 송전 인프라의 비용 최적 조합은 무엇인가?
• RQ2 이산화탄소 감축 목표를 높일수록 남아프리카 전력 시스템의 시스템 비용과 기술 선택에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 송전망 확장과 탄력적인 발전이 추가 저장소 및 화석 연료 발전 용량의 필요성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 석탄 및 원자력 중심의 현재 국가 에너지 계획은 재생에너지 기반 시나리오에 비해 경제적·환경적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 노스웨스트 지역의 원거리 풍력 및 태양광 자원을 요르한스버그 근처 소비 중심지로 비용 효율적으로 통합하는 데 핵심이 되는 주요 송전 고리망은 어디인가?

주요 결과

• 70%의 재생에너지 비율은 탄력적인 가스 발전, 배터리 저장소 및 타겟팅된 송전망 확장 덕분에 비용 최적화된 조합이다.
• 95% 이산화탄소 감축 시나리오는 기본 사례 대비 총 시스템 비용이 오직 20% 증가할 뿐이며, 고탄소중립화가 중간 비용 수준에서 실현 가능함을 보여준다.
• 이스트 런던에서 핀에트원으로, 나마콰란드/키머블리에서 남아프리카 공화국 중앙동부로 이어지는 송전 고리는 비용 효율적인 재생에너지 통합에 핵심적이다.
• 신규 석탄 및 원자력 발전 10GW 건설을 강제할 경우 비용은 600~630MWh로 증가하고, 저탄소 시나리오 대비 15~16배 더 많은 이산화탄소 배출이 발생한다.
• 모델은 현재의 국가 에너지 계획이 경제적으로 비효율적임을 보여주며, 유사하거나 더 높은 비용에 비해 훨씬 더 많은 배출을 초래한다.
• 모델의 개방형 소스 성격과 자유롭게 이용 가능한 데이터 기반은 남아프리카 공화국 및 더 넓은 지역에 대해 투명하고 협업적이며 재현 가능한 에너지 시스템 분석을 가능하게 한다.