WASP모형 내 신재생에너지 방법론 개선을 통한 발전설비확장계획 도출 및 소요비용 분석

조경주 아주대학교 2019 국내석사

2015년 우리나라는 2030년까지 BAU(기존 전망)대비 37%의 온실가스를 감축하는 국가 온실가스 자발적 감축목표를 발표하였다. 이에 8차 전력수급계획에서는 석탄화력 및 원자력 발전기의 수를 축소하고, 재생가능 에너지 발전량을 전체 전력량의 20%까지 증가시키는 탈석탄·탈원전 정책을 실행하고 있다. 국가 장기 전력수급계획 작성의 기초가 되는 WASP(Wien Automatic System Planning Package)모형을 통하여 탈원전·탈석탄 및 신재생에너지 확대에 따른 국가전력시스템 변화여건 및 소요비용을 검토하고자 한다. WASP모형을 이용한 대부분 기존 연구에서는 신재생에너지 발전을 급전가능 발전기로 취급하였다. 신재생에너지발전은 자연조건에 따라 변하여(예를 들면 구름이 햇빛을 가리거나 밤낮이 바뀌거나) 원하는 시간대 또는 발전출력이 필요한 시간에 발전할 수 없다. 따라서 이것을 급전가능 발전기로 취급하여 발전기 건설계획을 수립하면 미래의 시스템운용에서 공급신뢰도의 유지에 문제가 생긴다. 본 연구에서는 WASP 실행과정에서 신재생에너지발전을 급전가능발전기로 취급하는 기존 연구방법론을 부하차감을 통하여 개선을 시도한다. 시간대별 예측 수요에서 신재생에너지 발전의 시간대별 출력을 차감하여 시간대별 수요를 생성하여 비용최소화 발전기건설계획 수립에 반영하는 방법이다. 부하차감 방법을 이용하여 2018년-2048년도의 발전기건설계획, 년도 별 설비용량 및 소요비용을 도출하고자 한다.

에너지커뮤니티 기반 멀티에너지 가상발전소 최적운영 연구

이진욱 가천대학교 일반대학원 2023 국내박사

최근 재생에너지의 발전 비중 증가는 변동성으로 인한 잉여전력 및 출력제한 문제를 발생시키고 있다. IEA(International Energy Agency)에서는 2035년에 대한민국이 대규모 출력제한이 발생하는 VRE(Variable Renewable Energy) 5단계에 이를 것으로 전망하고 있다. 이에 따라 재생에너지 잉여전력 문제에 대응하기 위한 솔루션의 필요성이 증가하고 있다. 재생에너지 잉여전력 문제의 대응책 중 하나로써, 섹터커플링(Sector Coupling) 또는 P2X(Power-to-X)가 대두되고 있다. P2X 중 P2H(Power to Heat)은 기존 기술 및 인프라 활용이라는 측면에서 선제적으로 적용할 수 있는 방법으로 주목받고 있으며, 국내외에서도 이를 적용하기 위한 실증프로젝트들이 다수 수행되고 있다. 하지만 P2H를 효과적으로 적용할 수 있는 운영사업자의 정의 및 운영체계, 더 나아가 전력도매시장에서 수익성을 추가 확보할 수 있는 최적 운영에 대한 연구는 부재한 실정이다. P2H를 효과적으로 적용하기 위해서는 기존의 전력 및 열에너지를 통합하여 운영하는 사업자가 선도적으로 적용하는 것이 타당하다. 본 논문에서는 재생에너지 출력제한에 대응하기 위한 에너지커뮤니티 기반의 멀티에너지 가상발전소 최적운영 모델을 제안하였다. 이에 앞서, 선행연구를 토대로 지역 에너지커뮤니티 기반 MEVPP(Multi-Energy Virtual Power Plant)라는 새로운 개념을 정의하고 운영체계를 제안하였다. 추가적으로 본 논문에서는 하루전시장 및 실시간시장 환경에서 망 비용을 고려한 MEVPP의 하루전 멀티에너지 공급계획과 하루전시장 입찰계획을 동시에 계획할 수 있는 통합에너지 최적화 모델을 제안하였다. 또한, 재생에너지 출력제한에 대응하기 위한 P2H 전략 기반 운영계획 조정 모델을 제안하였으며, 시장 페널티 및 낙찰 불확실성을 고려한 실시간시장 최적 입찰모델을 제안하였다. 사례연구에서는 제안하는 MEVPP 최적운영 모델을 검증하기 위해 재생에너지 출력제한 상황과 그에 따른 MEVPP의 대응 전략을 기준으로 시나리오를 구성하였다. 사례연구 결과로서, 제안하는 MEVPP는 재생에너지 출력제한 상황에서 기존의 재생에너지 사업자 대비 약 8-14%, VPP 사업자 대비 2-6%, 일반적인 MEVPP 사업자 대비 2-4% 운영수익 손실 저감효과가 있음을 검증하였다. 또한, 출력제한 비율에 따른 하루전시장 및 실시간시장 수익에 대한 민감도 분석과 실시간시장 추가 낙찰 결과에 따른 민감도 분석을 수행하였다. The recent increase in the proportion of renewable energy generation leads to surplus power and output curtailment problems due to its volatility. The International energy agency (IEA) predicts that South Korea will reach the fifth stage of variable renewable energy (VRE) where substantial output restrictions occur by 2035. Consequently, there is an increasing need for solutions to cope with surplus power problems caused by VRE. Among the measures to deal with to surplus power of VRE, sector coupling or power-to-X (P2X) is being spotlighted. Among P2X, power to heat (P2H) is being noticed as a proactive method that can be applied based on existing technology and infrastructure, and various pilot projects to apply it, are being conducted domestically and abroad. However, the definition of operating entities capable of effectively implementing P2H, their operating systems, and the research on optimal operation for securing profitability in the wholesale electricity market are limited. For effective P2H application, it is appropriate for an entity that integrates and operates existing electricity and heat energy to take the lead. This paper proposes an optimal operation model of a multi-energy virtual power plant based on an energy community to address VRE output curtailments. Prior to this, based on previous studies, a new concept called multi-energy virtual power plant (MEVPP) based on the local energy community was defined, and an operating system was proposed. Additionally, this paper proposes an integrated energy optimization model that can simultaneously plan the day-ahead multi-energy supply plan and the day-ahead market(DAM) bidding plan of MEVPP considering grid costs in multi-market environments. Moreover, a P2H strategy-based operation plan adjustment model to address VRE output curtailments and an optimal real-time market bidding model considering market penalties and bidding uncertainties were proposed. In the case study, scenarios were set based on VRE output curtailment situations and the corresponding MEVPP response strategies to validate the proposed optimal operation model of MEVPP. According to the results of the case study, the proposed MEVPP under the situation of VRE output curtailments was verified to have more operation profit than 8-14% compared to traditional renewable energy operators, 2-6% compared to VPP operators, and 2-4% compared to general MEVPP operators, respectively. In addition, sensitivity analysis on DAM and RTM profits depending on curtailment rate, and on sensitivity to additional RTM bidding results, were performed.

태양광발전기와 연계된 에너지저장장치 경제성 평가를 통한 최적 용량 산정 연구

김하양 아주대학교 대학원 2019 국내석사

한국 정부에서는 신·재생에너지 보급을 활성화하기 위하여 신·재생에너지의무할당제 정책을 사용하여 일정 규모 이상의 발전 사업체들에게 일정 비율을 신·재생에너지로 공급하도록 하여 보급을 활성화시키고 있다. 현재 에너지저장장치 (Energy Storage System, ESS)는 설비가 고비용이기 때문에 신·재생에너지공급인증서 (Renewable Energy Certificate, REC) 가중치를 적용 받지 않는 시스템의 경우에는 단독 운행되는 태양광 발전기 (Photovoltaic, PV)보다 경제성이 낮게 나타난다. 따라서 PV에 BESS (Battery Energy Storage System)를 연계시킨 시스템이 경제성을 확보하기 위한 REC 가중치 조건에 대한 경제성 분석이 필요하다. 이러한 배경에서 본 연구는 전국 수평면 전 일사량과 BESS의 최적 용량과의 상관성에 대해서 알아보고 REC 가중치 감소에 따른 경제성은 발전량에 기초한 균등화 발전비용 (Levelized Cost of Energy, LCOE)을 통해 분석하고 최적 용량을 산정하였다. 분석 결과 최소/최대/중앙 값의 수평면 전 일사량을 가지는 PV에 BESS를 연계하는 경우 경제성을 높게 가지는 PCS (Power Conversion System) 용량은 동일하게 PV 용량의 0.4배였으며 BESS의 용량은 2.4~2.8배를 보였다. 이때 2019년과 2020년에 부과되는 REC 가중치를 적용하는 경우 단독 운행되는 PV보다 경제적 우위를 보였다. 하지만 신·재생에너지와 연계된 BESS의 REC가중치는 점차 감소할 것으로 예상되며 그에 따른 경제성이 발생하기 위해서는 BESS의 설치비용 하락이 절대적으로 필요한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 계통 연계형 BESS를 사용하여 PV의 발전량이 발전과 동시에 한국 전력 거래소로 보내지는 것으로 가정함으로써 전력수요를 고려하지 않은 한계가 존재한다. 향후 전력 수요를 고려하는 추가적인 분석이 필요하다.

송배전망에서의 ESS 운영 및 제어 알고리즘

김지형 아주대학교 2020 국내석사

최근 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)는 전기 에너지를 저장하여 원하는 시간에 필요한 양만큼 공급할 수 있다는 장점으로 수용가의 부하 이동, 신재생에너지 출력보정, 주파수 안정화 등 다양하게 활용되고 있다. 특히 신재생에너지 계통연계 비율이 높아지면서 신재생에너지의 변동성과 계통의 유연성에 기여할 수 있는 자원으로써의 활용성이 높아지고 있다. 이와 같이 ESS의 활용범위는 송배전계통에 걸쳐 30여 가지로 다양하게 사용될 수 있다. 그러나 국내 대부분의 ESS 기술은 주로 수용가 측 최대부하 감소, 신재생에너지 연계 ESS를 통한 REC 거래, 전력계통의 전기 품질 및 안전도를 유지용 주파수 조정과 같이 세 가지로 집중되어 있다. 따라서 본 논문에서는 송배전계통에서 사용될 수 있는 에너지 저장장치의 활용성을 높이기 위해서 현재 활발히 연구되고 있지 않는 ESS 운용기술 세 가지에 대해서 ESS 운영 알고리즘을 제 안한다. 세 가지 알고리즘은 계통한계가격 ESS Arbitrage 알고리즘, ESS Peak Shaving 알고리즘, PV-ESS 오차보상 알고리즘이다. 이를 위해서 우선 알고리즘에 사용되는 배터리 매커니즘에 대한 수식적인 모델링을 수행하였다. 그후 세 가지 알고리즘을 기술의 배경과 함께 순서대로 설명하였다. 알고리즘에서 설계한 목적함수의 해를 찾기 위해서 Greedy Algorithm과 Particle Swarm Optimization 기법이 사용되었다. 각각의 알고리즘은 과거 계통한계가격과 과거 계통전체부하, 과거 PV발전 데이터를 통해 실효성을 검증하였다. In recent years energy storage system has been used various ways such as shifting loads of customers, adjusting renewable energy power, and regulating frequency because it has the advantage of storing electrical energy and supplying it on time. In particular, as the ratio of renewable energy power is increasing, the utilization as a resource that can cover the variability and flexibility of renewable energy is increasing. As such, the ESS can be used in various ways over 30 in transmission and distribution systems. However, most of ESS technologies in Korea are mainly used in three ways: reducing the maximum load on the consumer side, REC trade through renewable energy-linked ESS, and regulating the frequency to maintain the electrical quality and safety of the power system. Therefore, in this paper, we propose the ESS operation algorithm for three ESS operation technologies that are not actively studied to increase the utilization of ESS in transmission and distribution systems. Three algorithms are SMP ESS arbitrage algorithm, ESS peak shaving algorithm, PV-ESS forecasting error compensation algorithm. To this purpose, we first set the mathematical modeling of the battery charging-discharging mechanism used the algorithm. after that, these tree algorithms are described in order with the background of the technology. Greedy algorithm and Particle Swarm Optimization are used to find the solution of the objective function. Finally, we validate and analyze each algorithm from historical system marginal price, system loads and PV generation data.

Modeling the performance of lithium-ion batteries for electric vehicle and energy storage applications

이동철 아주대학교 2023 국내박사

Lithium-ion batteries (LIBs) with the advantages of high energy, power density, and energy efficiency are a key power source for sustainable development in the field of mobility systems and electrical energy storage in climate emergencies. The performance of LIBs is affected by factors such as operating and environmental conditions and duration of use, which may reduce their lifespan and cause safety issues. Therefore, it is important to operate the battery system appropriately by calculating the electrical and thermal behavior and cell deviations of the LIB in an environment considering actual applications, such as electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESSs). LIB performance modeling can play an important role in battery management system algorithm strategies for EVs and ESS applications. The first part of this thesis describes a methodology for quantitatively devising a fast charge protocol to prevent lithium plating in an LIB cell. A lithium plating line was derived by detecting the voltage plateau that occurred during charging with a high current using differential voltage analysis (DVA). To account for the safety effects at a certain margin from the lithium plating line during fast charging, a novel index was expressed as a margin of safety (MS). Two-dimensional modeling was performed to predict the charge curves and thermal distributions of the LIB cell under various conditions according to the margin of safety. To validate the modeling approach in the design of the fast-charge protocol, cycling tests were performed under five fast-charge protocols and discharge. The higher the MS of the fast charge protocol, the better the performance and lifetime impact of the LIB cell. The second part of this thesis describes a methodology to estimate the combined effects of cyclable lithium loss and electrolyte depletion on the capacity and discharge power fading of LIBs. An LIB cell based on LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622) was used to model the discharge behavior in multiple degradation modes. The discharge voltages for nine different levels of cyclable lithium loss and electrolyte depletion were experimentally measured. When there was no cyclable lithium loss, 50% electrolyte depletion resulted in a 5% reduction in discharge capacity at 0.05 C discharge rate, while when it was coupled with 30% cyclable lithium loss, it resulted in a 46% reduction. A 50% electrolyte depletion with no cyclable lithium loss caused a 1% reduction in discharge power during 0.5 C discharge at a state of charge (SOC) level of 0.8, while it resulted in a 13% reduction when it was coupled with 30% cyclable lithium loss. The modeling results obtained using the one-dimensional finite element method were compared with the experimental data. The modeling methods are justified by the high degree of concordance between the predicted and experimental values. Using the validated modeling methodology, the discharge capacity and usable discharge power can be estimated effectively under various combined degradation modes of cyclable lithium loss and electrolyte depletion in LIB cells. The final part of this thesis describes a methodology that considers the effect of cell variation on the performance of LIB modules in energy storage applications to improve the reliability of the power quality of energy storage devices and the efficiency of energy systems. Ohm’s law and the law of conservation of charge were employed as governing equations to estimate the discharge behavior of a single strand composed of two LIB cells connected in parallel based on the polarization properties of the electrode. Using the modeling parameters of a single strand, the particle swarm optimization algorithm was adopted to predict the discharge capacity and internal resistance distribution of 14 strands connected in series. Based on the model of the LIB strand to predict the discharge behavior, the effect of cell variation on the deviation of the discharge termination voltage and the depth of discharge imbalance was modeled. The validity of this model was confirmed by comparing the experimental data with the modeling results. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도, 고출력 및 에너지 효율이 높다는 장점이 있어 기후 비상사태를 직면한 요즘 모빌리티 시스템 및 전기에너지 저장 분야에서 지속가능한 발전을 위한 핵심 동력원이다. 리튬이온전지의 성능은 운영 및 환경 조건, 사용기간 등의 요인에 따라 변화될 수 있어 장기수명 및 안전성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전기자동차, 에너지저장장치의 실제 운영조건을 고려한 환경에서 리튬이온전지의 전기적 및 열적 거동, 셀 간 편차 등을 계산해 배터리 시스템을 적절하게 운용하는 것이 중요하다. 리튬이온전지의 성능 모델링은 전기자동차 및 에너지저장시스템 애플리케이션에서 배터리 관리 시스템의 운용 전략에 중요한 역할을 할 수 있다. 첫 번째는 리튬 플레이팅을 방지하기 위해 급속충전 프로토콜을 정량적으로 고안하는 방법론을 설명한다. 차동 전압 분석(differential voltage analysis)에 기반하여 높은 전류로 충전했을 때 전압 곡선의 변곡점을 구하여 리튬 플레이팅 라인을 도출했다. 급속충전시 리튬 플레이팅 라인으로부터 일정한 마진에서의 안전효과를 설명하기 위해 새로운 지수를 MS(margin of safety)를 개발하였다. 안전 마진에 따른 리튬이온전지의 충전 전압과 열 분포를 예측하기 위해 2차원 모델링을 수행했다. 급속충전 프로토콜 설계를 위한 모델링 접근 방식을 검증하기 위해 5가지 급속충전 프로토콜 및 방전 하에서 사이클링 시험을 수행했다. 두 번째는 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 리튬이온전지의 용량 및 방전 출력 감소에 대한 비가역적인 리튬 손실과 전해질 고갈의 결합된 효과를 추정하는 모델링 방법론이다. 1차원 유한요소법에 기반한 리튬이온전지를 사용하여 9가지 다른 수준의 비가역적인 리튬 손실 및 전해질 고갈에 대한 방전 성능을 모델링했다. 모델링 방법론의 타당성은 모델링결과와 실험값을 비교하여 검증했다. 마지막은 에너지 저장 장치의 전력 품질의 신뢰성과 에너지 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 셀 간 편차가 리튬이온전지 모듈의 성능에 미치는 영향을 고려하는 모델링 방법론에 대해 설명한다. 리튬이온전지 셀이 2개로 구성된 단일 가닥의 모델링 파라미터를 사용하여 직렬로 연결된 14개 가닥의 방전 용량 및 내부 저항 분포를 예측하기 위해 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘을 채택했다. 방전 거동을 예측하기 위한 리튬이온전지 가닥의 성능 모델을 기반으로 방전 전압, 방전 깊이(depth of discharge)의 불균형에 대한 셀 간 편차의 영향을 계산했다. 실험 데이터와 모델링 결과를 비교하여 모델의 타당성을 확인하였다.

아민 수용액을 이용한 CO2 포집 기술에서 공정 구성에 따른 에너지 소모량 연구

이성기 아주대학교 2014 국내석사

CO2 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Capture and Storage)에서 알카놀아민 수용액을 사용하는 화학흡수법은 석탄화력발전소 배가스와 같이 저농도 CO2를 포함한 대규모 가스로부터 CO2 포집을 위해 상용되고 있다. 현 기술 수준에서 흡수제 재생 및 CO2 압축을 위해 많은 열과 전기 에너지가 소비되며, 이를 절감하기 위한 다양한 공정 개선안이 제시되고 있다. 본 연구에서 상용 CO2 화학흡수 공정의 에너지 소모량 분포를 분석함으로써 공정구성의 개선 요소을 고찰하였다. 에너지 절감 효과를 정량적으로 평가하기 위하여 ASPEN Plus V7.3(AspenTech)를 활용하였다. 모델의 신뢰성을 확보하기 위하여 30 wt% 실험실 규모의 MEA 수용액을 사용하는 CO2 흡수장치를 모사하여 실험결과와 비교하였다. 공정 변수가 재비기 요구 열량에 미치는 영향을 현열, 물 기화열, 흡수열로 구분하여 분석함으로써 최적 운전영역을 도출하였다. 개선된 공정으로 Absorber Intercooling, Rich Amine Recycle, Rich Amine Split, Rich Amine Split Heat Recovery, Lean Amine Flash, Condensate Evaporation, Stripper Overhead Compression 7가지 공정 구성을 고찰하였다. 공정에서 소비되는 열 에너지와 압축, 유송 등에 소비되는 전기 에너지를 총 일당량으로 비교하였다. 7 가지 개선 공정과 이들을 조합한 공정구성은 기존 상용 공정 대비 재비기 요구 열량은 2.43–25.42%, 총 일당량은 1.55–10.90% 절감하였다.

차동전력조절 구조 기반 태양광 발전 시스템의 전력 생산 효율화 및 안정성 개선을 위한 새로운 MPPT 제어 방식

최종용 가천대학교 일반대학원 2023 국내석사

본 논문에서는 차동전력조절(Differential Power Processing ; DPP) 구조 기반 태양광 발전 시스템에서 전력 생산 효율 향상을 위한 새로운 MPPT 제어 방식을 제안한다. 태양광 발전시스템에서 PV 패널의 생산 전력을 최대화하기 위해 최대전력점(Maximum Power Point ; MPP)을 찾고 전력을 생산할 수 있도록 제어를 수행해야 되며 이를 최대전력점추종(Maximum Power Point Tracking ; MPPT)라고 한다. 이미 태양광 발전시스템에 PV 패널의 전력 생산을 최대화하기 위해 다양한 MPPT 제어 기법들이 연구되었고 그중 가장 대표적으로 간단한 알고리즘으로 구현이 가능하고 많이 사용되고 있는 제어 기법은 바로 P&O 제어 기법이다. P&O 제어 기법은 구현하기 쉽다는 장점이 있지만 급격한 온도 변화에 취약하다는 단점을 가지고 있다. 또한, 전압 변동 크기인 값에 따라 최대전력점 지점에 도달하는 시간이 달라지는 단점이 있다. 이러한 단점으로 인하여 생산 전력 효율이 낮아질 수 있다. 따라서 기존의 P&O 문제점을 보완하여 생산 전력 효율을 증대시키는 연구가 필요하다. 이에 따라 본 논문에서는 P&O 제어 기법의 단점을 보완하고 전력 생산 효율을 증대시키기 위해 새로운 MPPT 제어 기법을 제안한다. 제안하는 MPPT 제어 기법은 P&O 기법과 다양한 조건에서 모의실험을 통해 비교하여 우수성을 검증하였다. 따라서 제안하는 MPPT 제어 기법을 차동전력조절 구조 기반 태양광 발전 시스템에서 사용시 전력 생산에서의 효율을 최대화에 기여할 수 있다고 판단된다.

2층 노심 AMBIDEXTER에 대한 방사성핵종 생성/소멸 특성해석 코드개발

함태규 아주대학교 대학원 2008 국내석사

As the AMBIDEXTER-DUPIC is a fluid-fuel reactor system and has two types of different lattices, such as the seed and the blanket, design analysis for fuel and physics with conventional depletion codes is limited. Therefore, AMDEC(A Computer code for Molten Salt Reactor to Calculate Nuclide DEcay and Creation) was developed to assess the radioactive nuclide depletion characteristics of advanced nuclear energy systems. In addition, validation tests required for a conceptual design code were executed. DUPIC technology, recognized as a highly transparent method for reprocessing the PWR spent fuel, is used to produce AMBIDEXTER fuel materials. While the seed lattice zone of the reactor core dominantly functions of producing thermal power and surplus neutrons, the blanket lattice zone of it transmutes fertile actinides to fissile by neutron capture reactions. In addition, the blanket lattice zone has a fast neutron spectrum which is similar as fast reactor so that burning of Pu is elevated. Among the fission products produced by fuel burn up, the noble gases are removed by separation from solvent, the noble metal group is removed by plating out on the surface of metal components, and several other nuclide groups are removed by high temperature chemical process and then, the reconditioned fuel salt is re-entering into core after the purification treatment. The AMDEC is designed to simulate these nuclide generation, destruction, purification, and fuel flow processes so that it can calculate nuclide concentration change over time in different reactor components. By replacing the ORIGEN2 code by the AMDEC, the physics design code system for MSR-type reactors would improve its calculation accuracy. The AMDEC uses a matrix exponential method to solve the coupled, non-linear first-order ordinary differential equation system, and is capable of analyzing physics performances of the double-banked AMBIDEXTER core, including the effects of the on-line reprocessing and on-line fuel feeding process. Besides, this code can simultaneously handle different library sets corresponding to the reactor and fuel types. A library set includes data of half life, decay type, microscopic cross-section, and the fraction of (n,g), (n,2n), (n,3n), (n,), (n,p), (n,fission) and fission products. The equation used in the AMDEC can be simplified as follows : dX/dt X = [A]X+B Matrix A is combination of total number of the reactor core zone types and the system components, that affect the isotopic concentration characteristics of the reactor system. In this study, only two core zone types, the seed core and blanket core zones, in the double-banked AMBIDEXTER are considered and, therefore, the dimension of A is 3400x3400. The diagonal elements in matrix A are non-zeros. These entries represent the loss rate of a nuclide by radioactive disintegration, neutron capture, flowing form the zone or the component, and removed by reprocessing. Matrix A is a sparse matrix that maximum number of non-zero off-diagonal elements in each row is 14. The vector B presents the rate of fuel material feeding from outside. To demonstrate the usefulness of the AMDEC, full power operation of the 250 MWth AMBIDEXTER was simulated. Changes in the nuclide concentrations in the fuel salt due to depletion by fuel burn up under fuel-flows were examined and compared with ORIGEN2 cases. The followings are derived as conclusions after considering all the factors; - The AMDEC, compared to ORIGEN2 simulations, can calculate the nuclides concentration changes within 1% deviation in various core zones and reactor system components by using different library sets which are weighted with each neutron spectrum; - Fuel-flow effects coupled with nuclear reactions is well reflected in the AMDEC; - The blanket lattice introduced to improve the Pu solubility problem would work well. It reduces the accumulation of fertile Pu about 20%; and - Between the serial and the parallel connections of the seed and blanket lattice zones, the serial would be more effective in burning up actinide more than 5%. To improve the efficiency and accuracy of the code; - Updating the library sets are necessary at every 100~150 FPD operation, that could take into account the effects of rapid changes in transuranic elements concentrations which affect the neutron energy spectrum; and - Simplifying the matrix algebra should significantly reduce computing time for sparse matrix A manipulation. 용융염핵연료를 이용하는 원자력시스템 설계는 액체상태 핵연료의 특성 및 가동중 연료정화공정의 특성 때문에 기존 코드에서 사용하는 핵종 생성 및 붕괴 모델로는 원자로 및 핵연료 설계의 신뢰성 확보에 제약이 있다. 따라서 본 연구에서는 액체핵연료를 이용하는 미래형 원자력에너지시스템의 방사성핵종 생성/소멸 특성해석에 적합하도록 AMDEC(A Computer code for Molten Salt Reactor to Calculate Nuclide DEcay and Creation) 코드를 개발하였으며 개념설계 코드로서 신뢰성을 확인하는 연구를 포함하였다. AMBIDEXTER의 핵연료물질은 국내에서 개발 성공한 DUPIC 핵연료주기 기술을 이용하고 있으며, 노심의 씨드 격자영역에서는 열 출력 및 잉여중성자를 생산하고, 블랑킷 영역에서는 잠재 핵분열성물질을 중성자 포획반응으로 핵분열성물질로 전환시킬 뿐만 아니라 고속중성자원자로와 유사한 중성자 에너지 분포를 나타내어 Pu의 연소효율을 높이도록 설계되고 있다. 핵연료가 연소하면서 생성되는 핵분열생성물질 가운데 핵연료용융염에 용해되지 않는 불활성기체는 주입 헬륨가스에 포획되어 제거하며, 불활성금속은 열교환기, 파이프, 등 금속성용기 표면에 흡착되어 제거하고, 다른 핵종들은 소규모의 온라인 고온전기화학공정을 이용하여 분리한 후에 정화된 핵연료용융염은 핵반응으로 손실양을 보충하여 원자로내로 재유입 된다. AMDEC 코드는 이와 같이 핵종의 생성, 소멸 현상뿐 아니라 연속적으로 분리, 주입하는 정화공정에 의한 원자로 계통 내에서의 핵종농도 변화를 시간 종속함수로 계산 할 수 있으므로 지금까지 AMBIDEXTER 개념설계 연구에 사용해온 ORIGEN2 코드를 대체하여 설계의 신뢰성을 향상시키는데 기여할 것이다. AMDEC 코드의 이론은 잘 알려진 1700여 핵종 농도 균형조건을 나타내는 비선형 일차연립미분방정식을 연속주입 및 추출모델을 포함하는 이층노심에 적합하도록 확장하였다. 그리고 원자로형 및 핵연료 물질에 대응하는 1군 라이브러리를 사용하 는 ORIGEN2 코드와는 달리 중성자 스펙트럼이 상이한 각 영역 별로 각각 다른 라이브러리를 사용하여 핵종농도의 연소를 계산하였는데 붕괴상수 라이브러리는 각 핵종의 반감기, 붕괴모드, 회수모드, 회수가능 열에너지, 자연 존재비, 방사성독성, 자료를 포함하고, 핵반응단면적 라이브러리는 (n,g), (n,2n), (n,3n), (n,), (n,p), (n,fission)와 각 핵분열생성물질의 생성 분율 상수를 제공한다. AMDEC 코드는 ORIGEN2와 유사한 1차 연립 미분방정식, dX/dt = [A]X+B 로 간단하게 표현할 수 있으며, 행렬 A의 차수는 노심 영역수 및 계통 기기수의 조합으로 결정되지만 본 연구에서는 2층 노심의 AMBIDEXTER-DUPIC에 적합하도록 3400x3400로 제한하였다. 행렬의 대각선 항은 방사선 붕괴, 중성자 포획 및 인접한 영역으로 유출, 그리고 정화공정에 의한 제거율의 합으로서 핵종의 손실율을 나타내며, 핵종별 최대 14개의 비대각선 항이 다른 핵종으로부터의 붕괴, 핵분열생성 및 중성자포획 및 인접한 영역으로부터 유입의 합으로서 핵종의 생성율을 나타내므로, 이 밖의 대부분의 비대각선 항은 0의 값을 갖는 sparse matrix특성을 갖는다. 또한 벡터 B는 연소로 손실된 핵연료를 외부에서 공급하는 연속 주입율을 나타낸다. 개발된 AMDEC 코드의 효용성을 검증하기 위해 AMBIDEXTER-DUPIC을 대상으로 ORIGEN2 시뮬레이션과 비교하였다. 즉, PWR 사용 후 핵연료를 DUPIC 기술의 전처리공정과 저온 불화공정을 이용하여 95%의 잉여우라늄을 제거한 불소화합물을 NaF-ZrF4에 용해한 핵연료용융염이 장전된 2층 노심의 AMBIDEXTER-DUPIC을 ORIGEN2의 씨드격자 노심, 블랑킷격자 노심 및 씨드-블랑킷격자 2영역 노심모델경우와 동일한 출력분율로 가동한다고 가정하고, 각 핵종농도의 시간변화율을 계산, 비교하였다. 결과를 종합하면, ●AMDEC 코드는 중성자 스펙트럼이 상이한 영역에 대해 차별화된 중성자 스펙트럼으로 가중된 유효 미시단면적 라이브러리를 사용함으로써 서로 다른 영역에서의 연소에 의한 핵종변화를 1% 오차로 모사 할 수 있으며, ●핵연료의 유동에 의해 다른 영역간의 커플링 효과도 고려 할 수 있었다. ●Pu의 융해도 한계문제를 해결하기 위해 제안된 블랑킷 노심을 연결함에 있어 씨드 블랑킷이 병렬로 연결된 2영역 노심 모델보다 씨드 블랑킷이 직렬로 연결되어 있는 2층노심이 블랑킷에 의한 악티나이드 연소에 5%더 효과적임을 알 수 있었다. 그리고, 신뢰성 및 정확성을 개선하기 위해 ●운전주기 동안 초우란 악티나이드 핵종들과 같은 핵종들의 성분비율이 빠르게 변하기 때문에 발생하는 스펙트럼의 변화에 의한 라이브러리 보정이 100~150 마다 필요하다 ●AMBIDEXTER-DUPIC 원자로에서 핵분열 반응에 상당한 비중을 차지하는 Pu239의 보다 정확한 농도변화계산이 필요하며 ,ORIGEN2의 결과와 차이를 보이는 Cm 계열의 핵종농도 변화검증이 필요하다. ●또한, 핵종농도계산 뿐만 아니라 물질수지 계산을 위하여 각 핵종의 reaction rate를 계산하는 subroutine이 필요하며, ●행렬 A의 비대각선 항 대부분이 0의 값을 갖는 Sparse matrix이므로 수치해석계산에서 제외한다면 계산시간과 컴퓨터용량을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대되므로 위 사항에 대해 연구가 계속되어야할 것이다.

한국과 IEA 에너지밸런스 표 비교 분석 연구 : 2007~2009년도 중심으로

손중찬 아주대학교 2014 국내석사

우리나라의 현행 에너지밸런스는 온실가스 배출통계, 온실가스 저감정책, 에너지수급분석 등의 각종 연구 및 정책 수립 시 이용되는 국내 에너지 현황 파악의 중요한 척도이다. 최근 KEEI 에너지밸런스에 대한 연구를 통해 기초자료의 문제점, IEA 기준과의 상이함, 중복 계산 등의 현재 에너지 수급 상황을 올바르게 반영하지 못한다는 문제점 등이 제기되어 왔다. 본 연구에서는 2007~2009년 에너지밸런스를 이용하여 KEEI 기준과 IEA 기준 에너지밸런스와 수치상의 실제적인 차이를 파악하기 위해 KEEI 에너지밸런스의 총발열량, 순발열량 기준과 IEA 에너지밸런스를 기준별 공통 에너지원, 에너지흐름 순서로 세분화하여 비교한다. 비교 결과, 공급부문에서는 수입에서 경유, 중유, JA-1의 차이 비율이 크게 나타났다. 현행 KEEI 총발열량과 IEA의 기준의 차이는 2009년 기준 경유 15.39%, 중유 8.09%, JA-1 5.87%로서 주요 에너지원 중 공급비율 6%인 기준별 공통 에너지원 중에서는 총발열량 뿐만 아니라 순발열량 기준까지 모두 5.8% 이상의 차이 비율이 나타난 것으로 확인하였다. 전환부문에서는 세분화 대상 에너지원의 기준별 공통 세부부문에서 값이 없는 것으로 나타났다. 이는 기준별 분류체계의 상이함으로 인해 비공통 에너지원 및 부문에서 차이가 나타나는 것으로 유추할 수 있다. 또한 최종소비 부문에서는 원료탄이 산업부문 제조업의 1차금속에서 KEEI 총발열량과 IEA의 기준의 차이가 2007년 8.24%, 2008년 8.91%, 2009년 7.88%로 나타남을 확인하였다.

에너지저장장치 운용조건에 따른 리튬이온전지 모듈의 열적 거동 해석

강서희 아주대학교 2023 국내석사

에너지원의 간헐성을 보완하고 안정적으로 에너지를 저장 및 운반하기 위해 적절한 에너지저장시스템을 선택하는 것은 중요하다. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명 등의 장점으로 에너지저장장치 시장에서 큰 인기를 얻고 있다. 하지만, 리튬이온전지는 정상 작동범위를 벗어날 경우 지속적인 열화로 용량, 출력에 손실이 발생하거나 최악의 경우 화재사고로 이어질 수 있다. 따라서 리튬이온전지의 안정적인 운용을 위해 실제 에너지저장장치의 작동 환경에서 리튬이온전지의 열적 거동을 해석하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 에너지저장장치의 운용조건에 따른 리튬이온전지의 열적 거동을 해석하기 위해 3차원 모델링을 수행하였다. 63Ah 셀의 전위 및 전류밀도 분포 모델링 결과를 이용하여 리튬이온전지 모듈의 열해석을 진행하였다. 해석 대상 모듈은 2개의 셀이 병렬로 연결되어 하나의 가닥을 이루고 14개의 가닥이 직렬로 연결되어 있다(2P14S). 모델링 결과를 검증하기 위해 15℃, 25℃, 35℃에서 방전 시험을 진행하였고, 각각의 시험 결과와 모델링 결과를 비교하여 모델링의 타당성을 검증하였다. 모델링 결과를 토대로 에너지저장장치용 리튬이온전지 모듈 내 최적의 온도 센서 위치를 제안하여 리튬이온전지의 안정적인 운용에 효과적으로 활용할 수 있도록 하였다. It is important to choose an appropriate energy storage systemto compensate for intermittent energy sources and to stably store and transport energy. Lithium-ion batteries have gained great popularity in the energy storage market due to their advantages such as high energy density and long cycle life. However, if the lithium-ion battery deviates from its normal operating range, continuous deterioration may cause a loss of capacity and output, or in the worst case, a fire. Therefore, for the stable operation of lithium-ion batteries, it is essential to interpret the thermal behavior of lithium-ion batteries in the operating conditions of actual energy storage devices. In this study, three-dimensional modeling was performed to analyze the thermal behavior of lithium-ion batteries according to the operating conditions of energy storage devices. Thermal analysis of the lithium-ion battery module is advanced by utilizing the potential and current density distribution modeling results of the 63Ah cell. In the module to be analyzed, two cells are connected in parallel to forma strand and 14 strands are connected in series (2P14S). To verify the modeling results, discharge tests were conducted at 15°C, 25°C, and 35°C. Based on the modeling results, we proposed the optimumtemperature sensor position in the lithium-ion battery module for energy storage devices, and made it possible to effectively utilize it for stable operation of the lithium-ion battery