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다목적 최적화 기법을 이용한 신재생에너지 기반 자립 에너지공급 시스템 설계 및 평가
Economic and Environmental Assessment of a Renewable Stand-Alone Energy Supply System Using Multi-objective Optimization 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.3, 2017년, pp.332 - 340  

이도현 (인천대학교 에너지화학공학과) ,  한슬기 (인천대학교 에너지화학공학과) ,  김지용 (인천대학교 에너지화학공학과)

초록
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본 연구에서는 다목적 최적화 기법을 이용하여 다양한 신재생에너지 자원 기반 통합 에너지 공급 시스템을 설계 및 평가 한다. 본 연구에서는 에너지 공급 시스템의 주요 구성요소로써 태양광 모듈, 풍력터빈 및 화석연료 기반 발전장치 등 에너지 생산 기술을 비롯하여 배터리와 인버터 등의 전력 에너지 저장 및 변환 장치 등도 포함한다. 특히, 6개의 한국 대표 지역을 선별하여 각 지역의 에너지 요구량 및 실제 신재생 에너지 자원 데이터를 기반으로 최적의 독립 통합 에너지 공급 시스템을 설계하였으며, 총 소요비용, 단위에너지비용 및 생애주기 이산화탄소 배출 분석 등, 다양한 지표를 이용하여 시스템의 경제성 및 환경성을 분석한다. 특히 다목적최적화 기법을 이용하여 최소 비용과 최소 이산화탄소 배출 등 두 목적함수를 동시에 만족하는 파레토 솔루션을 규명함으로써 신재생 자원 기반 독립 에너지 공급 시스템 설계의 가능성 및 효과를 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 신재생에너지 자원이 좋은 지역일수록 시스템 구축 비용 증가에 따른 이산화탄소 절감 효과가 높은 것으로 나타났다. 또한, 신재생에너지 자원 기반 에너지 공급 시스템의 전력 단가는 현재 기존 단가보다 평균 0.35~0.46 $/kWh높게 나타났으며, 이산화탄소 배출량의 경우 기존 배출량보다 470~490 g$CO_2$/kWh정도의 저감효과를 보임을 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study aims to propose a new optimization-based approach for design and analysis of the stand-alone hybrid energy supply system using renewable energy sources (RES). In the energy supply system, we include multiple energy production technologies such as Photovoltaics (PV), Wind turbine, and foss...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 비단 소요 비용 분석 및 예상 경제적 효과 등 신재생 자원 기반 시스템의 경제적 특성뿐만 아니라 이산화탄소 배출 저감 효과 등 환경적 특성 또한 평가하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 다양한 신재생 자원을 동시에 고려한 통합 에너지 공급 시스템을 설계하고 경제성 및 환경성을 함께 평가하기 위한 다목적 최적화 기법(MOOP; multi-objective optimization)을 이용한 평가 전략을 제시하고자 한다. 또한 이러한 설계 및 평가 방법론을 한국의 주요 지역에 적용함으로써 본 연구에서 제시된 방법론의 효용성 입증은 물론 지역 에너지 시스템 설계에 관한 실용적인 해결안을 제시하고자 한다.
  • 따라서 본 연구에서는 다양한 신재생 자원을 동시에 고려한 통합 에너지 공급 시스템을 설계하고 경제성 및 환경성을 함께 평가하기 위한 다목적 최적화 기법(MOOP; multi-objective optimization)을 이용한 평가 전략을 제시하고자 한다. 또한 이러한 설계 및 평가 방법론을 한국의 주요 지역에 적용함으로써 본 연구에서 제시된 방법론의 효용성 입증은 물론 지역 에너지 시스템 설계에 관한 실용적인 해결안을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 신재생 자원 기반 통합 독립에너지 공급 시스템을 설계하고 다목적 최적화 기법을 이용하여 경제성 및 환경성 평가를 목표로 한다. 설계된 시스템의 경제성은 단위에너지비용(LCOE; levelized cost of energy, $/kWh)을 이용하여 평가하며, 국내의 실제 에너지 판매단가와 비교하여 신 에너지 시스템의 경쟁력을 분석한다.
  • 본 절에서는 앞 절에서 분석한 단위 소요 비용(LCOE)과 단위 이산화탄소 배출량(LCE) 등을 한국 실제 값과 비교함으로써 본 연구에서 설계한 지역별 독립 복합 에너지 공급 시스템의 경제적 및 환경적 타당성을 분석한다. 한국의 실제 가정용 최종 전력 공급 비용은 0.
  • 본 절에서는 통합 에너지 공급 시스템 구축에 필요한 풍력 및 태양광 등 신재생 에너지 자원량 과 신재생 자원 기반 에너지 생산 기술의 기술적, 경제적 데이터를 설명한다.

가설 설정

  • 이는 한 주거 당 연평균 전력수요량과 주거부문 전력소비계수[12]를 이용하여 계산되며, 각 단위 주거의 연평균 전력수요량 계산을 위하여 주거부문 총 전력수요량 및 각 지역 별 총 주거 수 등의 데이타를 이용하였다[13,14]. 본 연구에서는 6개 지역에서의 에너지 수요량 크기는 실제 데이타를 기반으로 다르게 모형화한 반면, 일 24 시간별 에너지 사용 프로파일은 지역에 무관하게 일정하다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
화석연료 기반 에너지 공급 시스템의 문제점은? 8%를 해외수입에 의존하고 있으며, 총 소비 에너지의 약 85%를 화석연료가 차지하고 있다[3]. 한국의 이러한 화석연료 기반 에너지 공급 시스템은 비단 기후 변화 등의 의무감 증가뿐만 아니라, 전세계 화석연료 매장량의 급감 및 주요 에너지 수출국의 정치적 상황에 의한 국제 에너지시장의 가격 불안정성 등에 의해 국내 에너지 구조의 지속가능성 저하 등의 문제를 수반하고있다.
신재생 자원 기반 에너지 공급 시스템의 장점은? 신재생에너지 자원 기반 에너지 공급 시스템으로의 전환은 기존 화석연료 기반 에너지 생산 시스템의 에너지 수급 불균형 및 낮은 에너지 안보 등의 에너지 관련 문제를 해결할 수 있는 가장 현실적인 대안으로 각광받고 있다[1,3]. 또한 신재생 자원 기반 에너지 공급 시스템은 국내 자원의 활용 가능성, 친환경적 에너지생애 주기 등 국내 에너지 자립도 향상 등의 장점을 가진다. 그러나 신재생 자원 기반 에너지 공급 시스템은 인프라 구축에 관련된 높은 비용이 요구됨에 따라 기존 에너지 시스템에 전환에 따른 막대한 전환 비용이 요구되며, 신재생 자원의 고유의 특징인 계절적 및 지역적 편차와 같은 에너지공급의 낮은 유연성 등 실용화 단계에서 많은 장벽이 존재한다.
다양한 신재생 자원을 동시에 고려한 통합 에너지 공급 시스템 설계가 필요한 이유는? 기존의 다양한 연구에도 불구하고, 실제 국가 또는 지역의 최적 에너지 시스템을 규명하기 위해서는 신재생 자원과 에너지 수요의 지역적 특이성 및 시간적 변동성을 동시에 고려한 새로운 설계 기법이 요구된다. 또한 비단 소요 비용 분석 및 예상 경제적 효과 등 신재생 자원 기반 시스템의 경제적 특성뿐만 아니라 이산화탄소 배출 저감 효과 등 환경적 특성 또한 평가하여야 한다.
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참고문헌 (19)

  1. Choe, U. and Song, K., "The Origins and Present Status of Renewable Energy and Fuel Cell," The World of Electricity, 55(8), 38-45 (2006). 

  2. Cho, Y., "Climate Change Regime and Governance: A Review," World Peace, 5(1), 2-8(2008). 

  3. Oh, J., "Results of the 2015 Global Climate Change Results in Paris," Korea energy economic institute (2015). 

  4. Lopez, R., Bernal, J., Yusta, J., Dominguez, J., Ramirez, I., Lujano, J. and Aso, I., "Multi-object Optimization Minimizing Cost and Life Cycle Emissions of Stand-alone PV-wind-diesel Systems with Batteries Storage," Applied Energy, 88, 4033-4041 (2011). 

  5. Lopez, R. and Bernal, J., "Design and Control Strategies of PVDiesel Systems Using Genetic Algorithms," Solar Energy, 79, 33-46(2005). 

  6. Bernal, J. and Lopez, R., "Simulation and Optimization of Standalone Hybrid Renewable Energy Systems," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 2111-2118(2009). 

  7. Santarelli, M., Cali, M. and Macagno, S., "Design and Analysis of Stand-alone Hydrogen Energy Systems with Different Renewable Sources," International Journal of Hydrogen Energy, 29, 1571-1586(2004). 

  8. Asarari, A., Ghasemi, A. and Hossein, J., "Economic Evaluation of Hybrid Renewable Energy Systems for Rural Electrification in Iran-A Case Study," Renewable and Sustainable Energy Review, 16, 3123-3130(2012). 

  9. Kim, M. and Kim, J., "Optimal Design and Economic Evaluation of Energy Supply System from On/Off Shore Wind Farms," Korean Chem. Eng. Res, 53(2), 156-163(2015). 

  10. Kim, K. and Kim, J., "The Optimal Design and Economic Evaluation of a Stand-alone RES Energy System for Residential, Agricultural and Commercial Sectors," Korean Chem. Eng. Res, 54(4), 470-478(2016). 

  11. HOGA, "Hybrid Optimization by Genetic Algorithms software, http://www.unizar.es/rdufo". 

  12. KEPCO, "Korea Electric Power Corporation, www.kepco.co.kr". 

  13. KOSIS, "Korean Statistical Information Service, http://kosis.kr/ statHtml/statHtml.do?orgId101&tblIdDT_1JC1001&conn_- pathI3". 

  14. KOSIS, "Korean Statistical Information Service, http://kosis.kr/ statHtml/statHtml.do?orgId310&tblIdDT_3664N_1&conn_- pathI3". 

  15. NASA Atmospheric Science Data Center . 

  16. Korea Electric Power Corporation, "Statistics of Electric Power in Korea," KEPCO Report: No. 85(2015). 

  17. Cho, S. and Kim, J., "Feasibility and Impact Analysis of a Renewable Energy Source (RES)-based Energy System in Korea," Energy, 85, 317-328(2015). 

  18. Korea Hydro & Nuclear Power Co. Ltd, "2008 Nuclear Power White Paper," (2008). 

  19. Kim, J. and Moon, L., "Strategic Design of Hydrogen Infrastructure Considering Cost and Safety Using Multiobjective Optimization," Hydrogen Energy, 33, 5887-5896(2008). 

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