Dynamic Optimization and Techno-Economic Assessment of Renewable Energy Systems and Storage Technologies

Abstract

This study performs dynamic operation optimization for renewable powered systems and their comprehensive economic assessment. Furthermore, it addresses the effective means of utilization for curtailed renewable energy. The study also addresses the impacts of digital currency mining on the climate and presents effective solutions to mitigate the power crisis and presents an economic outlook to mitigate it using renewable energy systems along with direct air capture for CO2 capturing. In Chapter 1, an overall introduction is given to the broad topics discussed in the following chapters of the thesis. Issues like global CO2 emissions, renewable energy curtailments, operation of datacenters and mining of digital currencies are explained for readers to grasp the basic issues and their proposed solutions. In Chapter 2, considering a battery energy storage system (BESS), a dynamic operation-based techno-economic evaluation of a standalone solar photovoltaic (PV)-powered alkaline water electrolyzer (AWE) was conducted using actual solar data. Different process configurations were designed and simulated to quantify the available potential of a standalone solar-powered hydrogen production system in Korea. Furthermore, economic evaluation metrics, such as levelized cost of hydrogen (LCOH) and Monte Carlo simulation, were used to assess the potentials of different configurations under variable market prices and future technology costs to estimate the future potential. The results showed that Case 1 (standalone solar-powered AWE without BESS) offers the lowest LCOH (9.55 $/kg) but with daytime operation only. Meanwhile, Case 4 (standalone solar-powered AWE with BESS) reported the second-lowest LCOH (11.67 $/kg) compared with the other cases. The results also suggested that systems with BESS can increase operational reliability by minimizing operational fluctuations and maximizing operational hours but with a slightly higher LCOH. The conducted sensitivity analysis showed that the technology cost (solar PV, AWE, and BESS) has the highest impact on LCOH, which is promising, in light of the decreasing trend in the future costs of such technologies. Chapter 3 evaluates a model for curtailed renewable energy (wind and solar) utilization via Case 1: battery energy storage system (BESS), Case 2: alkaline water electrolyser (AWE) as hydrogen energy and Case 3: hybrid system (BESS and AWE) is examined based on hourly data for California renewable energy curtailment for year 2020. Dynamic optimization is adopted to solve the mixed-integer linear programming (MILP) problem to maximize the profits for various case scenarios i.e., curtailed power source (wind, solar, or hybrid), energy storage option (BESS, hydrogen or hybrid), and utilization percentage (25%, 50%, 75%, or 100%). Results reveal that for California, 100% solar curtailment utilization for Case 3 can generate the highest profit, whereas 100 % solar curtailment for Case 2 can exhibit the fastest payback. Furthermore, it is observed that, solar curtailment dominates wind curtailment, given large solar installation capacity, which is why utilizing curtailed wind alone is not profitable. Thus, the study provides an outlook from both operator's and investor's perspectives while covering all the dimensions in which the curtailed energy can be effectively utilized and converted into profit rather than a waste. From sensitivity analysis it was observed that the technology costs were the most sensitive parameters and may reduce capital expenditures in the near future and generate more profit. In Chapter 4, an optimization problem is formulated to minimize the annual system costs for various case scenarios with a chance-constrained optimization approach to handle uncertainties. System components included natural-gas–powered combined cooling, heating, and power systems, electrolyzers, hydrogen fuel cells, heat pumps, hydrogen tanks, and battery energy storage systems. The results revealed that powering data centers with a mix of curtailed renewable energy and fossil fuels (Case 2) was the most economical option. Using only renewable sources (Case 3) allowed for a zero-emission alternative but was the most expensive; the data center powered by fossil fuels had 49,009 tons of annual CO2 emissions. From a sizing perspective, combined cooling, heating, and power systems dominated in Case 2, and for Case 3, a fuel cell was the major power source and a heat pump was the only cooling option. Sensitivity analysis demonstrated that the annual costs were most sensitive to the technology costs and may reduce capital expenditures in the near future. Overall, this work presents a comprehensive step toward economic and environmentally-friendly data centers comprising both operator and investor perspectives. In Chapter 5 a techno-economic analysis of 50 states and a federal district (Washington D.C.) in the US in terms of the feasibility of bitcoin mining using carbon capture and renewable energy was conducted. We analyzed the profitability of bitcoin mining in the US states using grid and renewable power resources along with high-temperature and low temperature direct air capture technologies for CO2 capture and storage and methanol as a product. From both economic and environmental perspectives, we evaluated the net CO2 emission for each state to determine its competitive advantages. Overall, this work offers a holistic overview of where bitcoin mining can be economically viable across US states. Additionally, it provides insights into achieving environmentally friendly cryptocurrency mining regulations based on carbon capture and renewable energy and gauging the costs of bitcoin mining powered by the grid and high renewable penetration across the US states while pursuing carbon neutrality. Chapter 6 attempts to discover the optimal planning and operation of a bitcoin mining farm to minimize renewable energy curtailments. Specifically, renewable energy curtailments for the Energy Reliability Council of Texas (ERCOT) at an hourly resolution and the difficulty and price, respectively of bitcoin mining during 2020 and 2021, were considered in our analysis of the cost and profitability of bitcoin mining using curtailed renewable power. The results demonstrated that 93% of the curtailed energy could be used at a minimal cost to generate a $239 million profit. From an investor's perspective, 69.8% of the curtailed power could be used to generate a profit of $605 million. Sensitivity analyses and Monte-Carlo simulations were performed to investigate the effect of system parameters on the optimization results for an in-depth analysis of possible policy and investment decisions from the perspectives of both the ISOs and investors. Despite the uncertainties associated with the price of bitcoin, it was estimated that ERCOT, with its current renewable energy curtailments, would still be profitable in the case of profit maximization if the bitcoin price remains above $6,800 throughout the year. Accordingly, bitcoin mining has substantial potential for becoming an effective medium to prevent renewable energy curtailments and turn energy oversupply into profit. Chapter 7 summarizes the key takeaways of the thesis. The issues described in the previous chapters and their proposed solutions are comprehensively addressed and discussed. Economic feasibility of standalone solar systems, mitigation of curtailed renewable energy, sustainable data centers, mining bitcoins with carbon capture, and leveraging curtailed power for profit via bitcoin mining are studied in detail with their plausible solutions and way forward.

본 연구는 재생 가능한 에너지 시스템에 대한 동적 운전 최적화와 종합적인 경제 평가를 수행한다. 더 나아가, 이 연구는 재생 가능 에너지의 출력제한에 대한 효과적인 활용 수단을 다룬다. 이 연구는 또한 암호 화폐 채굴이 기후에 미치는 영향을 다루고 전력 위기를 완화하기 위해 이산화탄소 포집을 위한 직접 공기 포집과 함께 재생 에너지 시스템을 사용한 효과적인 해결책과 그 경제 전망을 제시한다. 제1장에서는 논문에서 논의되는 광범위한 주제에 대한 전반적인 소개가 제공된다. 즉, 독자가 기본 문제들과 제안된 해결책들을 이해할 수 있도록 글로벌 이산화탄소 배출량, 재생 가능 에너지 출력제한, 데이터 센터 운영 및 디지털 통화 채굴과 같은 문제가 설명된다. 제 2장에서는 실제 복사 데이터를 고려하여 배터리 에너지 저장시스템(Battery Energy Storage System, BESS)를 사용하는 독립형 태양광(Photovoltaic, PV) 알칼라인 수전해기(Alkaline Water Electrolyzer, AWE)의 동적 운전과 기술-경제성 평가가 수행되었다. 다양한 공정 구성을 설계, 모사하여, 한국의 독립형 태양광 발전 수소생산 시스템의 가능성을 정량화하였다. 또한 수소 균등화 비용(Levelized Cost of Hydrogen, LCOH) 및 몬테카를로 방법을 사용하여 가변 시장 가격 하에서 다양한 구성의 잠재력과 미래 기술 비용을 평가하여 미래 잠재력을 추정하였다. 연구 결과, 사례 1(BESS가 없는 독립형 태양광 발전 AWE)이 가장 낮은 LCOH(9.55$/kg)를 제공하지만 주간에만 작동하는 것으로 나타났다. 한편, 사례 4(BESS가 있는 독립형 태양광 발전 AWE)는 다른 사례와 비교하여 두 번째로 낮은 LCOH(11.67$/kg)를 갖는 것으로 나타났다. 결과는 BESS를 사용하는 시스템은 운전 변동을 최소화하고 운전 시간을 최대화하여 신뢰성을 높일 수 있지만, LCOH는 약간 더 높다는 것을 시사했다. 민감도 분석 결과, 이러한 기술의 미래 비용 감소 추세에 비추어 기술 비용(태양광, AWE, BESS)이 LCOH에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 제3장에서는 2020년 캘리포니아 재생 에너지 출력제한 데이터를 사용하여 사례 1(BESS), 사례 2(수소를 생산하는 AWE), 사례 3(하이브리드 시스템(BESS 및 AWE))에 대해 신재생 에너지(풍력과 태양광) 출력제한 활용 모델이 평가되었다. 다양한 시나리오 즉, 출력제한(풍력, 태양광 또는 하이브리드), 에너지 저장 옵션(BESS, 수소 또는 하이브리드) 및 활용률(25%, 50%, 75%, 또는 100%)에서 이익을 최대화하는 동적 최적화 문제를 해결하기 위해 혼합 정수 선형계획법(Mixed-Integer Linear Programming, MILP)이 채택된다. 그 결과, 캘리포니아의 경우 사례 3의 경우 태양광 발전 출력제한의 활용도가 100%일 때 가장 높은 수익을 창출할 수 있는 반면, 사례 2의 경우 태양광 발전 출력제한의 활용도가 100%일 때 가장 빠른 투자 회수가 가능하다는 것을 보여준다. 게다가, 설치된 태양광 발전의 큰 용량을 감안할 때, 태양광 발전 출력제한이 우세함이 관찰되었으며, 풍력 발전의 출력제한만을 활용해서는 이익을 얻을 수 없다는 것을 의미한다. 따라서, 이 연구는 출력제한 된 신재생 에너지를 효과적으로 활용하여 낭비보다는 이익으로 전환할 수 있는 모든 수단을 다루면서 사업자와 투자자의 관점에서 전망을 제공한다. 민감도 분석을 통해 기술 비용이 가장 민감한 변수이며 가까운 미래에 자본 지출을 줄이고 더 많은 이익을 창출할 수 있다는 것이 관찰되었다. 제4장에서는 불확실성을 처리하기 위해 기회제약 최적화 접근법을 사용하여 다양한 시나리오에 대한 데이터 센터의 연간 시스템 비용을 최소화하는 최적화 문제가 공식화된다. 시스템 구성 요소에는 천연가스 구동 냉각, 난방, 전력 시스템, 수전해장치, 수소 연료전지, 히트 펌프, 수소 탱크, 배터리 에너지 저장 시스템이 포함되었다. 최적화 결과 데이터 센터에 재생가능 에너지와 화석연료(사례 2)를 혼합하여 전력을 공급하는 것이 가장 경제적인 옵션이라는 것이 밝혀졌다. 재생 가능한 자원(사례 3)만 사용하면 탄소 중립 대안으로 사용할 수 있지만, 비용이 가장 많이 들었다. 화석 연료로 구동되는 데이터 센터의 연간 탄소 배출량은 49,009톤이었다. 정치 크기의 관점에서 보면, 사례 2에서는 냉각, 가열, 전력 시스템이 복합적으로 지배적이었으며, 사례 3에서는 연료전지가 주요 동력원이었고 히트 펌프가 유일한 냉각 옵션이었다. 민감도 분석은 연간 비용이 기술 비용에 가장 민감하며 가까운 미래에 자본 지출을 줄일 수 있다는 것을 보여주었다. 전반적으로, 이 연구는 운영자와 투자자의 관점을 모두 포함하는 경제 및 환경 친화적인 데이터 센터를 향한 포괄적인 로드맵을 제시한다. 제5장에서는 탄소포집과 재생에너지를 이용한 비트코인 채굴의 타당성 측면에서 미국의 50개 주와 연방관구(워싱턴 D.C.)를 대상으로 기술-경제성 분석을 실시했다. 우리는 제품으로서 CO2 포집 및 저장을 위한 고온 및 저온 직접 공기 포집 기술과 메탄올과 함께 그리드 및 재생 가능 전력 자원을 사용하여 미국 주에서의 비트코인 채굴의 수익성을 분석했다. 경제적, 환경적 관점에서, 우리는 경쟁 우위를 결정하기 위해 각 주에 대한 순 CO2 배출량을 평가했다. 전반적으로, 이 연구는 미국 주 전체에서 비트코인 채굴이 경제적으로 가능할 수 있는 곳에 대한 전체적인 개요를 제공한다. 또한 탄소 포획 및 재생 에너지에 기반한 환경 친화적인 암호화폐 채굴 규제를 달성하고, 탄소 중립성을 추구하면서 그리드 및 높은 재생 가능 침투로 구동되는 비트코인 채굴 비용을 측정하는 통찰력을 제공한다. 6장에서는 재생 에너지 출력제한을 최소화하는 비트코인 채굴 공장의 최적 설계화 운전이 시도된다. 구체적으로, 텍사스 에너지 신뢰성 위원회(ERCOT)의 재생 에너지 출력제한과 2020년과 2021년의 비트코인 채굴의 난이도와 가격이 출력 제한된 재생 전력을 사용하는 비트코인 채굴의 비용과 수익성 분석에 고려되었다. 최적화 결과는 최소의 비용으로 출력 제한된 에너지의 93%를 사용하여 2억 3,900만 달러의 이익을 얻을 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 투자자의 관점에서, 출력 제한된 전력의 69.8%를 사용하여 6억 5백만 달러의 이익을 창출할 수도 있었다. 독립 전력 공급자와 투자자의 관점에서 가능한 정책 및 투자 결정을 심층적으로 분석하기 위해 최적화 결과에 대한 시스템 매개 변수의 영향을 민감도 분석과 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 비트코인 가격과 관련된 불확실성에도 불구하고, ERCOT는 현재 신재생 에너지 출력제한과 함께 비트코인 가격이 연중 6,800달러 이상을 유지한다면 이익 극대화 시나리오의 경우 여전히 이익이 날 것으로 추정되었다. 이에 따라 비트코인 채굴은 재생 에너지 출력제한과 같은 에너지 과잉공급을 수익으로 전환하는 효과적인 매체가 될 수 있는 상당한 잠재력을 갖고 있다고 판단된다. 마지막으로 7장은 논문의 핵심 내용을 요약한다. 이전 장에서 설명한 문제와 제안된 해결책이 포괄적으로 다뤄지고 논의된다. 독립형 태양광 시스템의 경제적 타당성, 축소된 재생 에너지의 완화, 지속 가능한 데이터 센터, 탄소 포집을 통한 비트코인 채굴 및 비트코인 채굴을 통한 이익을 위한 출력 제한된 전력 활용이 실현 가능한 해결책과 앞으로의 방향과 함께 자세히 논의된다.