신재생에너지발전원및에너지저장장치 조합에관한최적화모형 · 2014-04-15 Yonghyun Nam, Chan-Kyoo Park, Hyunjung Shin 1 신재생에너지발전원및에너지저장장치

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신재생에너지발전원및에너지저장장치조합에관한최적화모형

남용현1, 박찬규2, 신현정1*

1아주대학교 산업공학과2동국대학교 경영학과

한국 BI 데이터마이닝 학회 2014 춘계학술대회

Acknowledgements: This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant fundedby the Korea government(MSIP) (No. 2010-0028631 / 2013R1A1A3010440).

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초록

최근 유가의 불안정, 기후변화 및 이에 대한 국제협약, 대규모 정전사태, 기존 에너지

원(화력 ∙ 원자력)을 이용한 에너지 발전량의 부족으로 인하여 , 신재생에너지

(Renewable Energy) 즉, 태양광, 풍력, 조력 등에 대한 관심이 집중되고 있다. 신재생

에너지를 사용하기 위해서는 발전원의 불규칙한 출력을 보완하기 위하여, 단일 발전

원이 아닌 여러 종류의 발전원을 사용하게 되며, 또 이를 저장하기 위한 에너지 저장

장치(Energy Storage), 기존의 그리드 에너지로부터의 보충전력에 대한 사용을 고려

하게 된다. 또한 초기 투자 비용이 비싸므로 이에 대한 경제적 타당성에 대한 평가과

정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 혼합 정수 계획법(Mixed Integer Programming)

을 이용하여 신재생에너지 발전원의 개수, 에너지 저장장치 개수, 그리드 사용량 등의

조합을 최적화하는 수리적 모형을 제안한다. 또한 이들 초기 투자비용에 대한 경제성

을 순현가(NPV), 내부수익률(IRR), 투자회수기간(Payback Period)을 고려하여 평가한

다. 제안하는 모형은 2012년 1월 1일부터 2012년 12월 31까지 제주도 우도에서 측정

한 기상 데이터와 그리드 가격을 바탕으로 검증되었다.


Outline

서 론

최적화 문제

실험결과

경제성 분석

결 론


서 론


서 론

기후 변화와 함께 소비 전력량은 증가하고 있으나 기존 전력 생산방법(화력, 원자력

등)으로는 증가하는 전력량에 대한 대처가 어려움

소비 전력량 증가로 인한 정전(미국 ∙한국) 및 자연 재해로 인한 전력 공급 문제(일본)

→ 새로운 에너지원을 이용한 전력 공급에 대한 관심 집중

2003 North America black out 2011 Nuclear Crisis in Japan 2011 South Korea black out


서 론: 신재생 에너지 발전

새로운 에너지원을 이용한 전력공급: 신재생 에너지(Renewable Energy) 이용

신재생 에너지: 자연현상에서 재생가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지

전세계적으로 신재생 에너지(태양광, 풍력) 발전에 대한 관심이 집중


서 론: 에너지 저장장치

에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)

에너지 저장장치: 전력을 저장하여 필요할 때 사용함으로써 전력이용효율을 높이고고품질의 전력을 공급하는 장치

기존 발전소(원자력, 화력 발전 등)에 설치: 피크시간대 전력 공급능력 확충 가능

수용가(공장, 가정 등)에 설치: 전력요금이 저렴할 때 전력을 저장,전기요금이 비싼 피크시간대에 저장된 전력 사용

에너지 저장장치 필요성: 신재생 에너지 발전의 특성상 불규칙한 전력발전을 나타냄(태양광 발전 → 일조량, 풍력 발전 → 풍속)

신재생 에너지 발전원(태양광, 풍력 발전)과 에너지 저장장치를 함께 이용시가장 좋은 효율을 보임


서 론: Motivation

발전원 및 에너지 저장장치 설치 대수에 관한 최적화 모형 및 경제성 평가

본 연구에서는, 해수 담수화 플랜트 운영을 위한 신재생 에너지 발전원 및 에너지저장장치의 설치 대수 최적화 모형과 경제성 평가를 수행함.


최적화 문제


최적화 문제

가정 사항

해수 담수화 플랜트 운영을 위한 전력공급: 태양광, 풍력, 국가전력, 에너지 저장장치

해수 담수화 플랜트의 시간당 전력소요량: 25kW/h

3개의 발전원(태양광, 풍력, 국가전력망)에서 해수 담수화 플랜트로 송전 후 잔여 전력

→ 에너지 저장장치에 저장

에너지 저장장치의 전기 잔여량: 5시간 동안의 플랜트 운전량 유지 (최소 125kW/h)


최적화 문제

가정 사항

태양광 발전, 풍력 발전, 에너지 저장장치 1대의 시간당 최대 발전량: 1kW/h

국가 전력 사용비: 산업용 고시제 전력 요금 (단위: 원/kwh)

태양광 발전, 풍력 발전, 에너지 저장장치 1대 설치 단가: 최초 설치시 비용발생

시간대봄∙가을철

(3~6, 9~10월)여름철(7~8월)

겨울철(11~2월)

경부하 56.00 56.00 61.80

중간부하 77.80 105.70 104.00

최대부하 105.90 181.00 155.70


최적화 문제: 변수

사용 변수

24시간 시간대별 신재생 에너지 발전원(태양광, 풍력)별 발전량

24시간 시간대별 국가 전력 사용량 및 에너지 저장장치 저장량

태양광 발전 및 풍력 발전 설치 대수


최적화 문제: 상수

상수

신재생 에너지 발전원(태양광, 풍력) 및 에너지 저장장치 설치 단가

연간 시간대별 태양광 평균 발전량 및 풍력 평균 발전량

24시간 시간대별 국가 전력망 1kW 사용당 단가


최적화 문제(Formulation)


최적화 문제

목적함수(Objective Function): 설치 단가 및 전기 사용 비용 최소화

제약조건(Constraints)

시간당 태양광 발전량에 대한 제약식

시간당 풍력 발전량에 대한 제약식

시간당 담수화 플랜트의 에너지 요구량에 대한 제약식

에너지 저장장치 잔여량에 대한 제약식 (5시간 동안의 플랜트 운전량 유지)

태양광 및 풍력 발전기 최대 개수에 대한 제약식 (시간당 플랜트 요구량 반영)

비음 및 정수 조건에 대한 제약식


최적화 문제: 목적함수

목적함수(Objective Function): 설치 단가 및 전기 사용비용 최소화


최적화 문제: 제약조건

시간당 태양광 및 풍력 발전량

시간당 담수화 플랜트의 에너지 요구량

에너지 저장장치 잔여량

태양광 및 풍력 발전기 최대 개수

비음 및 정수 조건에 대한 제약식


실험 결과


실험 결과: 발전원별 설치 대수

신재생에너지 발전원 및 에너지 저장장치 설치 대수 (각 1kW급 기준)

태양광 발전기 설치 대수𝑵𝑺 : 12

에너지 저장장치(125대)

풍력 발전(25대)

태양광 발전(12대)

풍력 발전기 설치 대수𝑵𝑾 : 25

에너지 저장장치 설치 대수𝒎𝒂𝒙(𝒙𝑬𝟎, 𝒙𝑬𝟏, … , 𝒙𝑬𝟐𝟒) : 125



1일 평균 신재생 에너지 발전량 (태양광, 풍력)

태양광 발전 총량: 74.4216kW (태양광 → 에너지저장장치: 3.3891kW)태양광 발전 총량: 74.4216kW (태양광 → 담수화 플랜트 : 71.0325kW)

시간

발전

량

일조 시간대(05시 ~ 19시)에만 태양광 발전



1일 평균 신재생 에너지 발전량 (태양광, 풍력)

풍력 발전 총량: 493.5284kW (풍력 → 에너지저장장치: 91.3403kW)풍력 발전 총량: 493.5284kW (풍력 → 담수화 플랜트: 402.1880kW)

시간

발전

량

제주도 우도의 특성상 모든 시간대(1 ~ 24시간)에 바람이 불어 발전 가능



태양광 발전과 풍력 발전의 전력생산 차이

풍력 발전의 효율: 제주도 우도의 특성상 바람이 일정함

발전

량

시간

풍력 발전

태양광 발전

태양광 발전의 경우 일조량이 없는 시간대에 발전을 하지 않음



에너지 저장장치 → 담수화 플랜트로 송전되는 전력량

발전 총량: 123.4004kW (에너지 저장장치 → 담수화 플랜트)

태양광 발전량이 없고, 전력 가격이 저렴한 시간대에 주로 사용

시간

발전

량


경제성 분석


경제성 분석: 경제성 평가 방법

경제성 분석

해수 담수화 플랜트 운영을 위한 신재생 에너지 발전원 설치 대수, 에너지 저장장치

설치 대수, 국가 전력 사용량의 조합 최적화를 위한 수리적 모형 결과값을 경제적

수익률 계산을 통해 해의 타당성을 결정

NPV(Net Present Value)

자본예산기법의 하나로투자금액을 투자로부터산출되는 순현금흐름의현재가치로부터 차감한것이 ‘순현가(NPV)’이며,NPV가 0보다 클 경우 투자안을 받아들임.

IRR(Internal Rate of

Return)

PV of outflow와 PVof inflows의 합을 같게 하는 ‘rate’ 즉, NPV를 0으로 만드는 ‘rate’.

PB(Payback Period)

투자에 소요된 자금을그 투자로부터 발생하는 현금흐름에 기반하여 모두 회수하는 데 걸리는 기간


경제성 분석: 모델 비교

Model A: 최적화 모형 Model B: 국가 전력만 사용


경제성 분석: 초기 투자비

Model A 초기 투자비

신재생 에너지 발전(태양광, 풍력) 및 에너지 저장장치 내구연한: 20년

초기 투자비용: 198,750,000원

2,500,000원(태양광 발전기 설치 단가) ⅹ 12대 = 30,000,000원

3,000,000원(풍력 발전기 설치 단가) ⅹ 25대 = 75,000,000원

750,000원(에너지 저장장치 설치 단가) ⅹ 125대 = 93,750,000원


경제성 분석

Model B 사용시 비용

시간대봄∙가을철

(3~6, 9~10월)여름철(7~8월)

겨울철(11~2월)

경부하 56.00 56.00 61.80

중간부하 77.80 105.70 104.00

최대부하 105.90 181.00 155.70

국가 전력 사용비 평균: 86.431원/kW (산업용 고시제 전력 요금 평균)

1년간 국가 전력 사용시 총 비용 (시간당 25kW 충족): 18,934,983원


경제성 분석

Model A 도입시 매년 발생 수익

발전소 및 에너지 저장장치 설치비는 최초에만 발생하는 고정비→ 매년 국가 전력 사용 비용만 발생

18,934,983원(1년 국가 전력 사용비) – 679,995원(제안 모형 1년 국가 전력 사용비)= 18,254,988원 (매년 발생 수익)


경제성 분석

NPV(Net Present Value)

자본예산기법의 하나로 투자금액을 투자로부터 산출되는 순현금흐름의 현재가치로부터 차감한 것이 ‘순현가(NPV)’이며, NPV가 0보다 클 경우 투자안을 받아들임.

순현가(NPV) 85,829,970 > 0 으로 경제성이 있음


경제성 분석

IRR(Internal Rate of Return)

Outflow의 Present Value와 Inflow의 Present Value의 합을 같게 하는 ‘rate’ 즉, NPV를0으로 만드는 ‘rate’.

내부수익률(IRR) 7% > 기준이율(2.5%)으로 경제성이 있음


경제성 분석

PB(Payback Period)

투자에 소요된 자금을 그 투자로부터 발생하는 현금흐름에 기반하여 모두 회수하는 데 걸리는 기간

발전소 내구연한 (20년) > 투자회수 기간(약 10년) 으로 경제성이 있음


경제성 분석

경제성 분석 결과

제안 모형 도입시 최초 발생 비용: 198,750,000원

제안 모형 도입시 매년 발생 수익: 18,254,988원(1년 국가 전력 사용비 – 제안 모형의 1년 국가 전력 사용비)

NPV(Net Present Value): 85,829,970 > 0

IRR(Internal Rate of Return): 7% > 2.5%

PB(Payback Period): 10.081년

신재생에너지 발전 및 에너지저장장치의 내구 연한(20년) 기준으로 경제성 평가

각 평가 지표의 기준에 적합(NPV>0, IRR>2.5%)

각 평가 지표의 기준에 적합(NPV>0, IRR>2.5%)하며 태양광 및 풍력 발전기와 에너지저장장치 최초 설치 후 10년째에 투자 비용의 회수가 가능

→ 제안하는 최적화 모형의 해는 경제성이 있음.


결 론


경제성 분석

에너지원 조합 최적화를 위한 수리적 모형

에너지 발전량 부족으로 인하여, 신재생에너지(Renewable Energy)에 대한 관

심이 집중되고 있고 신재생에너지(태양광, 풍력) 발전원 이용시 불규칙한 출력

보완을 위해, 여러 종류의 발전원과 에너지 저장장치(Energy Storage)를 함께

이용함.

본 연구에서는 신재생에너지 발전원 설치 대수, 에너지 저장장치 설치 대수, 국

가 전력 사용량의 조합 최적화를 위한 수리적 모형을 위해 혼합 정수 계획법

(Mixed Integer Programming)을 사용함.


경제성 분석

에너지원 조합 최적화를 위한 수리적 모형

실측 데이터 이용: 제주도 우도(2012년 1월 1일 ~ 2012년 12월 31일)에서 측

정된 연평균 태양광 발전량과 풍력 발전량, 각 발전원의 단가를 이용하여 수리

적 모형 구성

최적화 모형의 해: 태양광 발전 설치대수(12대), 풍력 발전 설치 대수(25대),

에너지 저장장치 설치 대수(125대), 발전원별 예상 발전량


경제성 분석

경제성 평가

최적화 모형의 결과값을 경제성 평가 방법을 이용하여 타당성 검증

경제성 평가 방법으로 NPV, IRR, PB를 이용

NPV(Net Present Value) >0, IRR(Internal Rate of Return): 7%

PB(Payback Period): 10.081년

태양광 발전소, 풍력 발전소, 에너지 저장장치의 내구연한 20년 기준으로

약 10년에 투자비 회수 가능 → 제안 최적화 모형의 경제성 확인

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