In this study, the design framework is developed to design the supply chain with a high spatial resolution for renewable energy systems by considering the geographic characteristics of the target areas using the integrated approach of geographic information systems (GIS) and mathematical optimization.
First, the three-stage framework for designing a microalgae-based biofuel supply chain is developed. The facility design is performed by economic analyses and biorefinery layout designs. Then, the biorefinery candidate locations and distance data between elements of the supply chain are obtained by GIS-based analyses under the geographic criteria and the designed biorefinery layouts. The mixed-integer linear programming optimization model is formulated as a multi-period model with three months as a unit time to consider biomass productivity fluctuations between seasons. The model decides both strategic decisions – location, design, and species of microalgae-based biorefinery and tactical decisions – material flow and production amount in unit time, under the minimization of unit biofuel production cost. Based on the developed model, case studies are performed in Texas U.S., La Guajira Colombia, and Northern Territory Australia, which are selected areas through the global biofuel suitability analysis. The effects of geographic characteristics on the cost and design of the supply chain are analyzed by comparing the results of three selected areas. The scenario analyses are also performed to analyze the effect of productivity fluctuation reduction strategy and alternative resource supply methods on the cost and design of the supply chain.
The design framework is also applied to design offshore wind farms (OWF) with modifications considering characteristics of OWF. Similar to the biofuel supply chain design, the specification of wind turbines and electric cables are defined. Then, the candidate locations for wind turbines are screened considering geographical characteristics related to a wind power system. The optimization model is formulated to design the optimal wind turbine locations and cable routes under the unit capital cost of OWFs. The case study is performed in Jeju Island, South Korea to suggest optimal OWF locations and their layouts according to the energy plan of Jeju Island. The scenario analyses are performed to analyze the effect of spatiotemporal resolutions on the design and economics of OWF by changing minimum distances between turbines and unit time of wind speeds and directions. The design capability of the model under the high spatial resolutions and versatility of the model has shown through the two applications of renewable energy supply chain design.
본 연구는 지리 정보 시스템과 수학적 최적화 모델을 결합하여 목표 지역의 지정학적인 특성을 반영하면서 최적의 경제성을 갖는 재생 에너지 공급 사슬망을 높은 지정학적 해상도 하에서 디자인하는 모델을 구축하였다.
첫번째 시스템으로써 미세조류 바이오연료 공급 사슬망을 디자인하는 3단계 디자인 모델을 구축하였다. 바이오리파이너리 설비 디자인을 통해 경제성 분석과 공간 규격 디자인을 수행하였고 지정학적인 요소와 바이오리파이너리 공간규격을 고려하여 미세조류 바이오리파이너리의 최적 후보 지역들을 탐색하도록 하였다. 최적화 모델은 계절에 따른 바이오매스 생산성 변동을 고려하기 위해 단위 시간을 3개월로 한 다중 기간 디자인이 가능하도록 설계하였다. 최적화를 통해 바이오연료 단위 생산 비용을 최소로 하는 바이오리파이너리 위치, 공정 디자인, 미세조류 종, 건설 시점 등의 전략적 의사결정과 단위 시간당 원재료 공급, 바이오연료 생산량 및 운송량 등의 물질 흐름을 제시할 수 있도록 디자인하였다. 전 세계를 대상으로 한 바이오연료 잠재성 평가를 통해 선정된 미국 텍사스, 콜롬비아 라 과히라, 오스트레일리아 노던 준주 세 지역에서 디자인 모델을 이용해 공급 사슬망을 설계하였다. 각 지역의 공급사슬망 디자인과 경제성을 비교함으로써 지정학적인 특성이 공급사슬망에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 또한 미세조류 생산량 변동성을 줄이기 위한 바이오매스 저장 및 대체 자원 공급원 등 경제성을 개선하기 위한 시나리오를 적용하고 공급 사슬망의 디자인과 경제성이 어떻게 변화하는지에 대해서도 분석하였다.
미세조류 시스템에 적용한 3단계 모델을 확장하여 해상 풍력 시스템 또한 디자인하였다. 바이오연료 디자인과 같이 해상풍력 터빈 및 전력 케이블 사양을 설정하고, 풍력에 영향을 미치는 지정학적 요소를 고려하여 풍력 터빈 설치 후보지역을 선정하였다. 또한 후류 효과로 인한 발전 손실을 계산하기 위한 수학적 모델을 적용하여 각 후보 지역의 손실도 계산하였다. 최적화 모델은 전력 생산량 대비 장비비용을 최소로 하는 목적함수를 기반으로 최적의 풍력 터빈 위치, 전력 케이블 경로를 디자인하도록 하였다. 개발한 모델을 기반으로 제주도에서 사례 분석을 수행하여 최적의 해상 풍력 발전 단지 위치와 각 단지의 터빈 및 케이블 배치를 디자인하여 제시하였다. 사례 연구 결과를 바탕으로 터빈간 최소 거리와 풍속 및 풍향 데이터의 단위 시간을 조절하여 시나리오 분석을 수행함으로써 시공간적 해상도가 디자인과 비용에 미치는 영향을 분석하였다. 두 재생에너지 시스템에 대한 디자인을 통해 디자인 모델의 고해상도 시스템 디자인 능력과 다양한 시스템에 적용 가능한 범용성을 보여주었다.
