탄소집약도를 고려한 확률계획법 기반의 재생에너지 연계형 다중 에너지 통합 생산 시스템 최적화 프레임워크

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지 기반 전력을 활용하여 수소와 암모니아를 생산하는 통합 에너지 시스템의 설비 용량을 최적화하기 위한 확률계획법 기반 프레임워크를 제안한다. 전 세계적으로 기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위한 정책이 강화됨에 따라 수소는 무탄소 에너지원으로 관심을 받고 있다. 특히 재생에너지 전력을 이용한 수전해 방식은 생산 과정에서 이산화탄소 배출이 거의 없기 때문에 가장 이상적인 청정수소 생산 기술로 평가된다. 그러나, 실제 대규모 수소 및 암모니아 생산시설은 재생에너지의 변동성의 불확실성을 내재하고 있어, 초기 설계 단계에서 이러한 불확실성을 고려하지 않을 경우에는 경제성과 안정성, 나아가 환경성과 정책 기준까지 모두 충족하기 어려운 한계를 가진다.
재생에너지원인 태양광 발전 및 풍력 발전은 기상 조건 변화에 영향을 크게 받는 특성으로 인해 출력 변동성이 매우 크다. 이러한 변동성이 충분히 고려되지 않은 설비 용량 설계는 과소 또는 과대 투자 문제를 초래할 수 있으며, 실제 운영 단계에서는 수전해설비와 암모니아 합성설비의 잦은 기동·정지, 저부하 운전 빈도 증가 등으로 인해 효율 저하뿐 아니라 설비 열화 및 유지보수 비용 증가를 유발한다. 또한, 재생에너지 발전량 부족 시 이를 보완하기 위해 외부 전력망을 활용하게 되면, 수소 생산 과정에서 수소의 탄소집약도가 증가하게 되는 문제가 발생한다.
기존의 결정론적 설계 방식은 평균값 기반의 단일 시나리오만을 고려함으로써 실제 환경에서 나타나는 변동성 및 불확실성을 반영하지 못한다는 근본적 한계를 가진다. 따라서, 본 연구에서는 기상 자원의 확률적 변동성뿐 아니라 수소 및 암모니아 수요의 불확실성까지 포함하여 다양한 시나리오를 고려할 수 있는 확률계획 기반의 설비 용량 최적화 모델을 구축하였다. 모델은 태양광 및 풍력 발전량, 수전해 설비 부하 제약, 암모니아 합성설비의 운전 허용 범위, 배터리 및 수소 저장탱크 운영 제약을 포함하며, 각 시나리오별 운전 결과를 통해 기대 탄소집약도를 계산함으로써 현실성 높은 설계 결과를 도출할 수 있도록 구성되었다.
본 논문은 기존 벤더스 분해(Benders Decomposition) 방식이 설비 용량 결정 과정에서 환경적 지표, 즉 탄소집약도를 직접적으로 반영하기 어렵다는 한계를 해결하기 위해 탄소집약도 기반 제약조건(Carbon Intensity–based Cut)을 제안한다. 이 제약식은 각 시나리오의 운영 최적화 모델(Subproblem) 수행을 통해 계산된 기대 탄소집약도 정보를 Master model에 반영함으로써, 목표 탄소집약도 기준을 초과할 가능성이 있는 설계해를 반복적으로 배제한다. 결과적으로 외부 전력 의존도가 과도한 설비 조합은 자동으로 탐색 영역에서 제외되며, 수소 생산의 경제성뿐 아니라 청정수소 인증 기준 준수까지 동시에 고려한 설비 용량을 결정할 수 있다. 또한 이 제약식은 반복 과정이 진행될수록 점진적으로 강화되는 형태를 가지므로, 전통적 벤더스 구조 대비 수렴을 빠르게 유도하는 장점도 가진다.
본 연구에서 사용한 모델은 재생에너지 기반 전력 생산의 불확실성, 수전해 및 암모니아 합성 설비의 동적 특성, 에너지 저장 시스템(ESS 및 수소 저장)의 상호작용, 외부 전력 사용량의 환경적 영향 등을 종합적으로 고려하여 설비 투자비, 운영비, 외부전력 사용비용, 탄소집약도 등을 동시에 최소화하는 최적해를 제공한다.
결론적으로 본 논문은 불확실성 하에서 재생에너지 기반 수소 및 암모니아 생산시설의 설비 용량을 결정하기 위한 통합적이며 실용적인 최적화 프레임워크를 제시한다. 이는 향후 대규모 수소경제 인프라 구축, 청정수소 인증 제도 준수, 국제 수소 공급망 설계 등 다양한 분야에서 의사결정의 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.