스튜어트 섬 다중에너지 마이크로그리드 신뢰성 기반 용량 최적화

초록

본 논문은 전기·열·수소·바이오가스 등 복수 에너지 캐리어를 갖는 독립형 마이크로그리드의 최적 용량 배치를 위한 신뢰성 중심 비용 최적화 모델을 제시한다. 풍력, 전해조·수소 저장·연료전지, 배터리·슈퍼커패시터, 온수 저장 및 전기 히터 등을 포함한 시스템을 스튜어트 섬에 적용해, 연료·전력·열 수요를 만족하면서 총 비용을 최소화하는 최적 설계를 도출한다.

상세 분석

이 연구는 기존 전력 중심 마이크로그리드 설계가 간과해 온 다중 캐리어 간 상호작용과 신뢰성 요구를 동시에 고려한다는 점에서 차별성을 가진다. 먼저, 시스템 구성 요소를 풍력 터빈, 전해조·수소 저장·연료전지, 배터리·슈퍼커패시터 복합 ESS, 온수 저장 탱크, 열교환기·전기 히터, 수소 충전소, 전력 변환 장치 등으로 정의하고, 각 요소의 물리·경제적 특성을 수식화한다. 특히, 수소 서브시스템은 전력‑수소‑열 변환 효율을 상세히 모델링하여, 전력 과잉 시 전해조를 통한 수소 생산과 저장, 필요 시 연료전지로 재전환하는 순환 구조를 구현한다.

신뢰성 지표는 ‘전력·열·수소 공급 연속성’을 보장하기 위해 각 시간 단계별 수요 충족 여부와 저장소 잔량을 제약조건으로 설정한다. 이를 통해 ‘공급 차단’이나 ‘에너지 부족’ 상황을 방지한다. 비용 모델은 초기 투자비, 연간 운영·유지보수비, 연료(수소·전기) 비용을 포함하며, 할인율을 적용해 순현재가치(NPV) 최소화를 목표로 한다.

최적화는 혼합 정수 선형계획(MILP) 형태로 전개되며, 용량 변수(정수형)와 운영 변수(연속형)를 동시에 결정한다. 연구는 Gurobi 솔버를 이용해 24시간 시뮬레이션 기반 연간 수요 프로파일을 입력으로 사용, 스튜어트 섬의 실제 전력·온수·수소 수요 데이터를 적용했다. 결과적으로, 풍력 용량은 약 1.2 MW, 전해조 용량은 300 kW, 수소 저장 용량은 150 kg, 배터리·슈퍼커패시터 용량은 각각 500 kWh·200 kWh가 최적으로 도출되었다. 이러한 구성은 연간 총 비용을 기존 전력‑전기만 기반 설계 대비 약 18 % 절감하면서, 99.8 % 이상의 공급 신뢰성을 확보한다.

핵심 인사이트는 (1) 수소 서브시스템을 통한 전력‑열‑수소 연계가 저장 비용을 크게 낮추고, 피크 전력 수요를 효과적으로 완화한다. (2) 배터리와 슈퍼커패시터의 혼합 사용이 단시간 급변동을 빠르게 대응해 전력 품질을 유지한다. (3) 다중 캐리어 최적화는 지역 특성(풍력 자원, 수요 패턴)에 맞춘 맞춤형 설계가 필요함을 강조한다. 또한, 비용 최소화와 신뢰성 보장을 동시에 달성하기 위해서는 각 서브시스템 간 효율 손실을 정확히 모델링하고, 연간 수요 변동성을 충분히 반영하는 것이 필수적이다.