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표제지
국문초록
목차
제1장 서론 13
제1절 연구 배경 및 필요성 13
제2절 연구 목적 15
제3절 연구 범위 및 흐름도 17
제2장 이론적 고찰 21
제1절 재생에너지 국내외 현황 21
1. 재생에너지 정의 21
2. 세계의 재생에너지 보급 동향 24
3. 우리나라 재생에너지 보급 동향 31
제2절 재생에너지와 전력계통의 유연성 확대방안 37
1. 재생에너지 발전량 예측과 운영능력 제고 37
2. 전통적 발전의 유연성 개선(Conventional Generation Flexibility) 40
3. 전력계통 확장(Grid Expansion) 42
4. 전력 수요반응(Demand Response) 46
5. 에너지 저장 시스템(Energy Storage System) 49
제3절 재생에너지와 마이크로그리드 확산 54
1. 마이크로그리드 정의 54
2. 마이크로그리드 종류 55
3. 마이크로그리드 시장 현황 58
4. 주요 국가의 마이크로그리드 동향 60
5. 우리나라의 마이크로그리드 동향 63
제4절 선행연구 분석 67
제3장 연구방법 및 입력자료 81
제1절 에너지 최적화 연구모형 81
제2절 마이크로그리드 최적화 모형 85
1. HOMER(Hybrid Optimization of Multiple Energy Resources)의 특성 85
2. HOMER의 시스템 입력 방법 86
3. HOMER의 비용 최적화 87
제3절 에너지자립섬 최적화 연구대상 89
1. 우리나라의 도서 현황 89
2. 연구대상 선정 사유 및 가사도 현황 91
3. 가사도 재생에너지 마이크로그리드 구축 후 운영 현황 95
제4절 에너지자립섬 최적화모형의 입력자료 98
1. 전력 수요 데이터 98
2. 시뮬레이션 조건 100
3. 디젤발전 연료 조건 101
4. 일사량 조건 102
5. 풍속 조건 104
6. 발전원의 제원 및 가격 105
제4장 에너지자립섬 마이크로그리드의 최적화 분석 109
제1절 에너지 공급 시나리오 구성 109
제2절 에너지 공급 시나리오 분석 111
1. 기준시나리오 모델링 결과 111
2. 하이브리드시나리오 모델링 결과 115
3. 재생에너지100%시나리오 모델링 결과 127
제3절 에너지자립섬 마이크로그리드의 비용 최적화 135
제4절 에너지자립섬 마이크로그리드의 온실가스 배출 최적화 140
제5장 결론 143
제1절 연구 요약 143
제2절 연구의 한계 및 시사점 148
참고문헌 151
부록: HOMER의 실시간 에너지 출력 계산 159
Abstract 181
〈표 2-1〉 세계의 재생에너지 잠재량(2015) 23
〈표 2-2〉 우리나라 재생에너지 잠재량 33
〈표 2-3〉 우리나라 회사별 풍력 이용률(2014) 36
〈표 2-4〉 풍력발전 발전량 단기 예측 프로그램 39
〈표 2-5〉 표준 석탄발전소의 출력에 따른 연료소비량 41
〈표 2-6〉 우리나라 송변전 설비 현황 45
〈표 2-7〉 국외 선행연구 요약 74
〈표 2-8〉 국내 선행연구 요약 78
〈표 3-1〉 마이크로그리드 연구모형 종류 84
〈표 3-2〉 우리나라 도서 및 발전 설비 현황(2014) 90
〈표 3-3〉 가사도의 현황 및 선정 사유 92
〈표 3-4〉 가사도의 마이크로그리드 시스템 구축설비 현황 94
〈표 3-5〉 가사도의 마이크로그리드 구축 전후의 디젤소비량 96
〈표 3-6〉 가사도의 마이크로그리드 설비 구축 전후의 전력소비량 97
〈표 3-7〉 HOMER 모형의 입력자료 107
〈표 4-1〉 에너지자립섬 마이크로그리드 시나리오 구성 110
〈표 4-2〉 기준시나리오 Base의 최소비용 모델링 결과 111
〈표 4-3〉 기준시나리오 Base의 디젤발전기의 운전현황 113
〈표 4-4〉 기준시나리오 Base의 연간 대기오염물질 배출량 114
〈표 4-5〉 Hybrid1(디젤+태양광)시나리오 최소비용 모델링 결과 115
〈표 4-6〉 Hybrid2(디젤+태양광+ESS)시나리오의 최소비용 모델링 결과 118
〈표 4-7〉 Hybrid3(디젤+태양광+풍력)시나리오의 최소비용 모델링 결과 121
〈표 4-8〉 타워 높이에 따른 풍력발전량 변화 123
〈표 4-9〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시나리오의 최소비용 모델링 결과 123
〈표 4-10〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시스템의 디젤발전 운전현황 126
〈표 4-11〉 Renewable1(태양광+ESS)시나리오 모델링 결과 127
〈표 4-12〉 Renewable2(풍력+ESS)시나리오의 모델링 결과 129
〈표 4-13〉 Renewable3(태양광발전+풍력발전+ESS)시나리오의 모델링 결과 132
〈표 4-14〉 기준시나리오 및 재생에너지100%시나리오 비교 134
〈표 4-15〉 하이브리드시나리오의 비용최적화 시스템 구성 136
〈표 4-16〉 하이브리드시나리오의 초과전력 발생 비율 137
〈표 4-17〉 재생에너지100%시나리오의 전원구성과 초과전력 138
〈표 4-18〉 하이브리드시나리오의 온실가스 배출 최적화 시스템 141
〈그림 1-1〉 연구 흐름도 19
〈그림 2-1〉 세계 최종에너지에서 재생에너지의 비중(2015년) 25
〈그림 2-2〉 세계 전력생산에서 재생에너지의 비중(2016년) 25
〈그림 2-3〉 세계 태양광발전 연도 별 누적설치량 26
〈그림 2-4〉 세계 태양광 모듈 가격 추이 27
〈그림 2-5〉 세계 풍력발전 현황(2016년) 29
〈그림 2-6〉 육상풍력 및 해상풍력 가격 전망 30
〈그림 2-7〉 우리나라 신재생에너지 원별 생산량 및 전년대비 비교(2015) 32
〈그림 2-8〉 태양광발전 그리드 패러티와 전력 가격, 일사량 관계 35
〈그림 2-9〉 중국의 풍력발전 통합시스템 구조 38
〈그림 2-10〉 독일의 송전선로 확장 계획 42
〈그림 2-11〉 미국의 재생에너지 확대를 위한 송전망 계획 43
〈그림 2-12〉 중국의 전력계통 확장 5개년 계획(2016~2020) 44
〈그림 2-13〉 미국의 수요반응 유형 47
〈그림 2-14〉 수요반응 시장의 발전 방향 48
〈그림 2-15〉 전력계통에서 전력저장의 역할 49
〈그림 2-16〉 전력저장기술 종류 51
〈그림 2-17〉 전력저장기술의 정격전압과 에너지 함량 53
〈그림 2-18〉 마이크로그리드 개념 54
〈그림 2-19〉 전력계통과의 관계에 따른 마이크로그리드 분류 56
〈그림 2-20〉 북아메리카의 부문별 마이크로그리드 전망 59
〈그림 2-21〉 마이크로그리드 분야별 국가별 시장 60
〈그림 2-22〉 스마트그리드(지능형전력계통) 개념 64
〈그림 2-23〉 CERTS의 마이크로그리드 구조도 67
〈그림 2-24〉 재생에너지의 변동성과 시스템 유연성 관계 69
〈그림 2-25〉 재생에너지 보급률과 시스템 COE 관계 73
〈그림 3-1〉 HOMER의 초기 화면 86
〈그림 3-2〉 가사도의 마이크로그리드 배치도 93
〈그림 3-3〉 가사도의 전력계통도 95
〈그림 3-4〉 가사도의 연도별 월별 디젤 사용량 96
〈그림 3-5〉 가사도의 발전원별 발전량 97
〈그림 3-6〉 가사도 2016 실측데이터를 이용한 부하 데이터 98
〈그림 3-7〉 전력 부하 데이터 입력 후 HOMER 화면 99
〈그림 3-8〉 디젤발전기 출력에 따른 연료 사용량 및 효율의 변화 102
〈그림 3-9〉 가사도의 일사량 일주일 분포 103
〈그림 3-10〉 가사도의 일사량 월별 시간대별 분포 103
〈그림 3-11〉 가사도의 풍속 일주일 분포 104
〈그림 3-12〉 가사도의 풍속 월별 분포 105
〈그림 4-1〉 기준시나리오 Base의 월별 디젤발전기별 전력생산 112
〈그림 4-2〉 기준시나리오 Base의 부하 추종 운전 112
〈그림 4-3〉 Hybrid1(디젤+태양광)시스템의 전원별 전력생산 116
〈그림 4-4〉 Hybrid1(디젤+태양광) 시스템의 태양광발전 성능 117
〈그림 4-5〉 Hybrid1(디젤+태양광)시스템의 부하, 전원별 전력공급 117
〈그림 4-6〉 Hybrid2(디젤+태양광+ESS)시스템의 연간 배터리 충전상태 119
〈그림 4-7〉 Hybrid2(디젤+태양광+ESS)시스템의 부하, 전력공급, ESS 119
〈그림 4-8〉 Hybrid2(디젤+태양광+ESS)시스템의 전원별 전력생산 120
〈그림 4-9〉 Hybrid3(디젤+태양광+풍력) 시스템의 부하, 전원별 전력공급 122
〈그림 4-10〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시스템의 전원별 전력생산 124
〈그림 4-11〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시스템의 디젤발전1 성능 125
〈그림 4-12〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시스템의 디젤발전2 성능 125
〈그림 4-13〉 Hybrid4(디젤+태양광+풍력+ESS)시스템의 디젤발전3 성능 125
〈그림 4-14〉 Renewable1(태양광+ESS)시스템의 태양광발전 성능 127
〈그림 4-15〉 Renewable1(태양광발전+ESS)시스템의 ESS 성능 128
〈그림 4-16〉 Renewable1(태양광+ESS)시스템의 부하, 태양광발전, ESS 129
〈그림 4-17〉 R2(풍력+ESS)시스템의 풍력발전 성능 130
〈그림 4-18〉 Renewable2(풍력+ESS)시스템의 ESS 성능 130
〈그림 4-19〉 Renewable2(풍력+ESS)시스템의 부하, 풍력발전, ESS 131
〈그림 4-20〉 Renewable3(태양광발전+풍력발전+ESS)시스템의 부하, 태... 133
초록보기 더보기
온실가스를 가장 많이 배출하는 전력 부문 주요 에너지원의 재생에너지로의 전환은 기후변화대응의 최우선과제이다. 최근 태양광발전과 풍력발전 가격하락은 에너지전환의 가능성을 높이고 있으나, 재생에너지의 변동성은 높은 비율의 재생에너지 전력 공급가능성에 의문을 제기하고 있다. 재생에너지를 높은 비율로 공급하기 위해서는 재생에너지 및 전통적 발전의 유연화, 전력계통의 확장, 수요관리 강화, 전력저장장치 등을 통해 전력시스템 전체의 유연성 강화가 필요하다.
에너지 공급 안정성, 재생에너지의 수용성, 에너지 효율을 높이기 위해 소규모 단위에서 전력의 생산과 소비가 독립된 이루어지는 마이크로그리드가 확산되고 있다. 전력망의 지능화를 의미하는 스마트그리드도 마이크로그리드 확산과 함께 발전하고 있다.
본 연구에서는 에너지자립섬 마이크로그리드의 전원구성 최적화를 모색하기 위해 가사도를 연구대상으로 선정하였다. 가사도는 도서가 많은 전남에 위치해 있으며, 우리나라 도서의 전형적인 전력수요 유형인 어업중심 섬의 특성을 나타내고 있기 때문이다. 가사도의 기존 ‘디젤발전시스템’을「기준시나리오」로 설정하고, 대안시나리오로서 ‘디젤+태양광’, ‘디젤+태양광+ESS(Energy Storage System), ’디젤+태양광+풍력‘, ’디젤+태양광+풍력+ESS‘의 「하이브리드시나리오」와 ’태양광+ESS‘, ’풍력+ESS‘, ’태양광+풍력+ESS‘의 「재생에너지100%시나리오」를 구성하고, 실시간 전력수급모형인 HOMER를 이용하여, 경제성과 환경성을 비교, 분석하였다.
대안시나리오 중 ‘디젤+태양광+풍력+ESS’의 「하이브리드시나리오」가 가장 좋은 경제성 및 재생에너지 공급 비율을 나타냈다. ‘기존디젤발전시스템’에 태양광발전과 풍력발전을 단순 추가할 경우에도 전체전력시스템의 경제성을 높일 수 있었으며, ESS가 추가 적용될 경우에는 전체시스템의 경제성 개선과 재생에너지 비율 확대에 크게 기여하였다. 태양광발전과 풍력발전은 함께 적용되는 것이 경제성을 높이고 재생에너지 공급을 높이는데 기여하였다. 「재생에너지100%시나리오」는 모두 「기준시나리오」에 비해 경제성이 현저히 떨어지는 것으로 나타났으며, 재생에너지 100% 공급보다는 높은 비율의 재생에너지 공급이 바람직한 것으로 파악이 되었다.
에너지자립섬에서 태양광발전과 풍력발전은 전력계통 운영상 필요할 경우 출력 제한이 가능하도록 장비를 구축하고, 디젤발전은 부하추종 운전을 함으로써 전력시스템의 수급균형을 이룰 수 있었다. Li-ion ESS는 전력계통의 전압 및 주파수 안정에 기여하고, 전력저장을 통해 전력시스템 전체의 에너지효율성과 경제성을 높이는데 기여하였다. 재생에너지의 공급 비율이 높을 경우 ESS가 설치되어도 재생에너지의 초과전력이 20% 이상 발생하므로 이의 활용이 경제성 개선의 중요한 과제임을 확인하였다.
에너지자립섬 마이크로그리드에서 높은 비율의 재생에너지 공급이 가능하다는 사실은 전력계통이 이웃나라와 연결되지 않은 우리나라 전력계통에서 유연성을 강화한다면 높은 비율의 재생에너지 공급이 가능할 것이라는 시사점을 얻을 수 있다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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