시멘트 제조업의 유연성 강화와 전력 시장 참여를 위한 최적 생산 스케줄링

초록

본 논문은 시멘트 공장의 원료 분쇄(Raw Milling) 공정을 대상으로, 전력 비용 최소화를 위한 1단계 MILP 스케줄링과, 스페인 mFRR(수동 주파수 복구 예비) 시장 참여를 위한 2단계 유연성 평가 모델을 제시한다. 실제 스페인 포틀랜드 시멘트 플랜트를 사례로 PV와 배터리 저장을 포함한 19가지 시나리오를 분석했으며, 월 최대 800 EUR의 수익과 6년 이내 회수 가능한 투자 회수 기간을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 산업용 수요측 유연성(Demand‑Side Response, DSR) 분야에서 실용적인 두 단계 최적화 프레임워크를 제시한다. 첫 번째 단계는 원료 분쇄 설비(raw mill)의 온·오프 상태를 이진 변수로 모델링하고, 실시간 전력 가격, PV 발전량, 배터리 충·방전 한계, 실린더(실로) 재고 흐름 등을 제약식에 포함한 혼합정수선형계획(MILP)으로 전력 구매 비용을 최소화한다. 여기서 핵심은 원료 분쇄가 연속적인 킬른 운전과는 독립적으로 실로에 저장될 수 있다는 물리적 특성을 활용해 부하 이동성을 확보하는 점이다.

두 번째 단계에서는 1단계에서 도출된 기준 스케줄을 기준으로, 스페인 전력 시스템의 3차 규제 서비스인 mFRR에 제공 가능한 상·하향 조정량(ΔPτ)을 평가한다. 이때 조정에 따른 생산 재고(실로)와 설비 가동시간 최소·최대 제약, 배터리 사이클링 비용, 전력 시장 보상 가격 등을 모두 고려한다. 즉, ‘편차 비용’과 ‘시장 수익’을 정량화해 순이익을 산출한다.

모델은 24168시간의 롤링 호라이즌을 시간 단위로 설정하고, 실제 2023년 스페인 전력 시장 데이터와 현장 운영 데이터를 입력한다. 19가지 PV·BESS 조합(16 MW, 1~6 MWh) 각각에 대해 시뮬레이션을 수행했으며, 결과는 다음과 같다.

1. PV와 배터리의 자체소비 및 피크 절감 효과가 전력 비용을 평균 3‑5 % 감소시켰다.
2. mFRR 시장 참여를 통해 월 평균 400‑800 EUR의 추가 수익이 발생했으며, 배터리 용량이 4 MWh 이상일 때 수익률이 급격히 상승한다.
3. 투자 회수 기간은 배터리 비용을 현재 시장 가격 기준으로 계산했을 때 5‑7년 사이이며, 최적 조합에서는 6년 이하로 단축된다.

기술적 기여는 (i) 원료 분쇄와 실로 재고 흐름을 정확히 포착한 제약식, (ii) 배터리 사이클링 비용과 깊이 방전(DoD) 제한을 포함한 에너지 저장 모델, (iii) 실제 전력 시장 가격을 활용한 비용‑수익 균형 평가를 동시에 수행한 통합 MILP 구조에 있다. 또한, 기존 연구가 주로 연속 공정(예: 제철)이나 단일 시장(주파수 조정)만을 다룬 반면, 본 논문은 비연속 공정인 원료 분쇄와 저장, 재생에너지 연계, 그리고 3차 규제 시장을 하나의 최적화 프레임워크에 결합함으로써 산업용 유연성 연구의 범위를 확장하였다.

한계점으로는(1) 전력 가격과 PV 발전량을 확정값으로 가정해 불확실성을 반영하지 않았으며, (2) 설비 고장·정비 일정 등 운영 리스크를 모델에 포함하지 않아 실제 적용 시 추가적인 보완이 필요하다. 향후 연구에서는 확률적 시나리오 기반 최적화와 다중 시장(주파수·에너지·탄소) 연계 모델을 개발할 계획이다.