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100% 신재생에너지 자원 기반 에너지 공급을 위한 태양광, 풍력 및 바이오 발전의 통합 전략 및 경제성 평가
Economic Benefits of Integration of Supplementary Biopower and Energy Storage Systems in a Solar-Wind Hybrid System 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.3, 2020년, pp.381 - 389  

황해진 (인천대학교 에너지화학공학과) ,  문준영 (인천대학교 에너지화학공학과) ,  김지용 (인천대학교 에너지화학공학과)

초록
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본 연구에서는 다양한 신재생 에너지원 기반 전력 공급 시스템 구축하고, 각 시스템의 최적 전력 공급 비용을 비교 분석 하였다. 특히, 풍력 및 태양광 등 대표적인 신재생에너지 생산 기술과 더불어 대형 에너지 저장 시스템바이오매스 기반 전력 생산 기술을 포함함으로써, 신재생에너지 자원의 간헐성 및 에너지 공급과 수요의 불균형의 한계를 극복하였다. 본 연구에서 제안한 6가지의 신재생 에너지원 기반 전력 공급 시스템을 실제 제주도 전력 공급 문제에 적용함으로써, 제주도 지역의 최적 에너지 시스템을 규명하였으며, 다양한 에너지 생산 기술의 조합의 효과를 분석하였다. 분석 결과, 태양광 및 풍력 기반 전력 공급 단가는 각각 0.18, 0.28 $/kWh로 개별 자원 기반의 에너지 생산 시스템의 기존 전력망을 통한 공급 단가에 비해 경쟁력이 낮았다. 또한 자원의 간헐성 및 공급과 수요의 불균형 등 단일자원 기반의 단점을 효과적으로 개선하기 위하여 3가지 신재생 자원 및 대형 에너지 저장 시스템을 포함한 하이브리드 공급 시스템의 경제적 효과를 분석하였다. 그 결과 기존 전통적 전력망 공급과 가격 경쟁력을 갖는 0.08 $/kWh 수준의 100% 신재생에너지 기반 전력 공급 시스템 구축이 가능함을 규명하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study analyzed the optimal electricity cost of a 100% renewable energy source (RES) based system. Especially energy storage system (EES) and supplementary biopower system as well as photovoltaic (PV) and wind power component were included in the proposed RES-based system to overcome the intermi...

주제어

표/그림 (8)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 태양광/풍력/바이오 발전을 포함한 다성분의 신재생에너지 기반 전력 공급 체제를 실제 제주도 전력 공급 시스템에 적용하고자 한다. 특히 자원의 조합에 따라, 6가지의 신재생 공급 체제의 시나리오를 구성하였다.
  • 특히 파리 협약이 체결된 이후로 국가적 차원에서의 더욱 적극적인 신재생에너지 보급 비율 개선시키기 위한 노력과 투자가 절실하다. 본 연구는 국가가 목표하고 있는 100% 신재생에너지 자원 기반 에너지 공급 시스템 구축에 관한 예비 타당성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 다양한 바이오 매스 자원의 활용, 전력 수요반응(Demand response) 제도 적용, 기존 전력망과의 통합 등 100% 신재생 에너지 자원 기반 에너지 공급 체제 수립을 위한 다양한 실증적 연구가 계속될 수 있다.
  • 본 연구에서 사용되는 주요 기술로는 태양광 발전, 풍력발전, 바이오 에너지 발전 및 원활한 에너지 공급을 위한 대용량 EES이다. 특히 본 연구의 전략 공급 방식은 중앙 집중형 전력 생산으로 대량 생산 및 저장에 적합한 대용량 규격을 가정하였다.
  • 하이브리드 시스템의 장점과 효과는 문헌 상의 많은 연구를 통해 검증되는 반면, 문헌 상의 대부분의 연구는 풍력과 태양광의 통합에 의한 시너지에 집중하고 있다. 본 연구에서는 비단 주 신재생에너지 자원으로서 태양광과 풍력 발전뿐만 아니라, 또 다른 신재생에너지 자원으로 각광을 받고 있는 바이오매스 기반 전략 생산 기술까지 고려함으로써, 다른 시간적 간헐성을 갖는 다양한 자원의 최적 조합으로 기대할 수 있는 시너지를 분석하고자 한다. 또한 실효적인 신재생에너지 시스템 구축의 기술적 타당성 및 경제적 효과 분석은 비단 상기의 많은 이론적 연구는 물론 정부 및 지방 기관의 실증적인 사업화 타당성 분석 또한 매우 중요하다.
  • 특히 자원의 조합에 따라, 6가지의 신재생 공급 체제의 시나리오를 구성하였다. 이를 통하여 제주도의 100% 신재생에너지 시스템의 최적 구조 및 경제성 분석은 물론 다양한 자원 조합의 시너지를 분석하고자 한다.

가설 설정

  • 그 중에서 태양광 발전, 풍력 발전 및 바이오매스 발전 등 잠재량이 높고 기술 개발 성숙도가 높은 발전 기술 3가지를 주요 기술로 선정하였다. 또한 100% 신재생에너지 자원 기반 에너지 체제의 특징 및 3가지 자원의 혼합 사용의 효과를 분석하기 위하여, 본 연구에서는 독립형 전력 공급 체제(Off-grid)를 가정한다.
  • 001 $/kW이다. 또한 전력 생산 시 발생되는 손실 보정 계수인 정격 저감 계수(Derating factor)는 95%로 가정하였다.
  • 마지막으로 대형 EES로 본 연구에서는 기술 성숙도가 높은 리튬이온 배터리를 선정했으며, 패키지 당 저장 용량은 1MW/package로 가정했다. 초기 설치 비용 및 대체 비용은 모두 500,000$/package이며, 유지비용(O&M)은 5,000 $/package이다.
  • 제주도에서 보조 전력 생산 방식으로 선정된 바이오 파워 플랜트는 태양광이 없는 밤이나, 바람이 많이 불지 않는 계절(예, 여름) 에너지 수요량 대비 부족한 전략을 생산한다. 본 연구에서는 2 MW 규모의 제주도 바이오 에너지 자원 잠재량에 적합한 규격의 바이오파워 플랜트를 가정하였다. 파워 플랜트로 생산하는 전력의 단위 비용은 300 $/kW이며, 대체 비용은 300 $/kW이고, 유지비용(O&M)은 0.
  • 초기 설치 비용 및 대체 비용은 모두 500,000$/package이며, 유지비용(O&M)은 5,000 $/package이다. 전력 생산 방식(직류)과 에너지 수요의 사용 방식(교류)과의 원활한 변환을 위한 컨버터는 300 $/unit의 초기 비용과 대체 비용을 가졌고, 유지비용은 없는 것으로 가정했다. 배터리와 컨버터의 수명은 15년이다.
  • 특히 본 연구의 전략 공급 방식은 중앙 집중형 전력 생산으로 대량 생산 및 저장에 적합한 대용량 규격을 가정하였다. 첫번째, 본 연구에 사용된 태양광 발전기는 1 kW/module의 용량으로 가정한다[19]. 단위 생산전략 당 시설 비용은 650 $/kW이며, 수명(10년)이 다된모듈 교체에 필요한 대체 비용은 650 $/kW이고, 유지비용(O&M)은 0.
  • 본 연구에서 사용되는 주요 기술로는 태양광 발전, 풍력발전, 바이오 에너지 발전 및 원활한 에너지 공급을 위한 대용량 EES이다. 특히 본 연구의 전략 공급 방식은 중앙 집중형 전력 생산으로 대량 생산 및 저장에 적합한 대용량 규격을 가정하였다. 첫번째, 본 연구에 사용된 태양광 발전기는 1 kW/module의 용량으로 가정한다[19].
  • 1에 본 연구에서 제안하는 100% 신재생에너지 자원 기반중앙 전력 공급 체제를 나타내었다. 특히, 각 신재생에너지 자원의 잠재량이 많은 지역에서 중앙 집중 생산 및 대용량 에너지 저장 장치(EES)을 이용하여 에너지를 공급하며, 공급 에너지는 기존의 전력망을 이용하여 각 에너지 수요자에게 공급된다 가정하였다. 독일의 2014년 개정된 재생 에너지 관리법(Renewable Energy Sources Act-RES Act, 2014)에서 정의하는 재생에너지 자원은 태양복사에너지, 풍력에너지, 수력전기, 바이오 에너지, 지열에너지이다[16].
  • 파워 플랜트로 생산하는 전력의 단위 비용은 300 $/kW이며, 대체 비용은 300 $/kW이고, 유지비용(O&M)은 0.01 $/kW이며, 바이오 에너지의 연료 가격은 자원의 출처, 수집 방식, 수집 거리 등에 따라 변화하며, 본 연구에는 제주도에서 활용 가능한 농업 잔존물 수집 및 공급 비용으로 0.06 $/kg을 가정하였다[21].
  • 풍력 발전기의 초기 투자 비용은 3,000,000$/unit 이며, 대체 비용은 3,000,000$/unit이고, 유지비용(O&M)은 30,000$/unit으로 가정하였으며, 풍력 발전기의 수명은 20년이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소 제로섬이 무엇인가? 상기의 선례를 바탕으로 현재 국내에서 최초로 에너지 신사업 정책의 일환으로 제주도의 ‘탄소 제로 섬’이 제시되었다. ‘탄소 제로섬’은 온실가스 배출을 최소화하고 화석연료 의존을 낮춤으로써 지속가능한 신재생 에너지 기반 에코플랫폼 구축 지향한다. 상기 사업은 2012년 가파도의 탄소 제로 섬 시범모델 구축하는 것을 시작으로 2020년 신재생 에너지를 전체 에너지 사용량의 50%로 사용하는 탄소 제로 섬 기반 구축과 2030년 화석연료 사용이 0%로 탄소 없는 섬 조성의 3단계로 이루어져 있다[9].
2015년에 열린 파리 기후변화협약에 몇 개국이 참가하기로 했는가? 2015년에 열린 파리 기후변화협약에서는 거의 모든 산업화 국가인 195개국이 참여하기로 협정하였으며, 이에 따라 각 참여국에 적합한 온실가스 감축 정책들을 수립하고 있다[2].
캐나다 밴쿠버는 2050년까지 100% 신재생 에너지 기반의 에너지 공급 체제 구축하기 위해 어떤 노력을 하고 있는가? 특히 캐나다 밴쿠버는 2050년까지 100% 신재생 에너지 기반의 에너지 공급 체제 구축을 미래 도시 전략으로 제시하였다. 이에 실제로 밴쿠버는 온실가스 배출량 저감을 위한 다양한 기술적 인프라를 381 구축하고 있다. 호주 시드니는 전력수요의 70%를 고효율 열병합발전을 통해 공급하는 것(재생에너지 30%)을 목표로 하고, 그 효과로 2030년 온실가스 배출 목표를 2007년 대비 70% 감축시키기 위한 투자 전략을 수립하였다.
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참고문헌 (24)

  1. Pachauri, R. K., Allen, M. R., Barros, V. R., Broome, J., Cramer, W., Christ, R., Church, J. A., Clarke, L., Dahe, Q. and Dasgupta, P., Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Ipcc(2014). 

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

  3. Yoo, K., Park, E., Kim, H., Ohm, J. Y., Yang, T., Kim, K. J., Chang, H. J. and Del Pobil, A. P., "Optimized Renewable and Sustainable Electricity Generation Systems for Ulleungdo Island in South Korea," Sustainability, 6(11), 7883-7893(2014). 

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  5. Kim, M. and Kim, J., "Optimal Design and Economic Evaluation of Energy Supply System from on/off Shore Wind Farms," Korean Chemical Engineering Research, 53(2), 156-163(2015). 

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  8. Hur, K., "Green Community 'the International Green Island Forum Corporation' and Birth of Carbon Free Island 'Gapado," World Environment and Island Studies, 4(2), 21-43(2014). 

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  11. Ngan, M. S. and Tan, C. W., "Assessment of Economic Viability for PV/wind/diesel Hybrid Energy System in Southern Peninsular Malaysia," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 634-647(2012). 

  12. Kaabeche, A. and Ibtiouen, R., "Techno-economic Optimization of Hybrid Photovoltaic/wind/diesel/battery Generation in a Standalone Power System," Solar Energy, 103, 171-182(2014). 

  13. Ogunjuyigbe, A., Ayodele, T. and Akinola, O., "Optimal Allocation and Sizing of PV/wind/split-diesel/battery Hybrid Energy System for Minimizing Life Cycle Cost, Carbon Emission and Dump Energy of remote Residential Building," Appl. Energy, 171, 153-171(2016). 

  14. Singh, G., Baredar, P., Singh, A. and Kurup, D., "Optimal Sizing and Location of PV, Wind and Battery Storage for Electrification to an Island: A Case Study of Kavaratti, Lakshadweep," Journal of Energy Storage, 12, 78-86(2017). 

  15. Lee, B., "A Study of Strategy for Carbon-Free Island Jeju," Korea Environment Institute (KEI) Report 2016-05(2016). 

  16. Act, R. E. S., "Act on the Development of Renewable Energy Sources," Renewable Energy Sources Act-RES Act(2014). 

  17. Lee, M. and Kim, J., "Feasibility Study and Benefit Analysis of Biomass-derived Energy Production Strategies with a MILP (mixed-integer linear programming) Model: Application to Jeju Island, Korea," Korean Journal of Chemical Engineering, 34(6), 1604-1618(2017). 

  18. Lee, D., Han, S. and Kim, J., "Economic and Environmental Assessment of a Renewable Stand-alone Energy Supply System Using Multi-objective Optimization," Korean Chemical Engineering Research, 55(3), 332-340(2017). 

  19. Energy, H., "Getting Started Guide for HOMER Legacy (version 2.68)," Homer Energy and National Renewable Energy Laboratory, Colorado(2011). 

  20. Miller, N. W., Sanchez-Gasca, J. J., Price, W. W. and Delmerico, R. W., "Dynamic Modeling of GE 1.5 and 3.6 MW Wind Turbine-Generators for Stability Simulations," 3, 1977-1983(2003). 

  21. IRENA I., "Renewable Power Generation Costs in 2017," Report, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi(2018). 

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

  23. KMA, "Korea Meteorological Administration, www.kma.go.kr." 

  24. KOSIS, "Korean Statistical Information Service, http://kosis.kr." 

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