지열 에너지 저장 시스템의 지속 가능한 운영을 위한 혼합 정수 계획법 기반 모델 예측 제어

Core Concepts

지열 에너지 저장 시스템의 지속 가능한 운영을 위해 혼합 정수 계획법 기반 모델 예측 제어 기법을 제안하였다.

Abstract

이 논문은 지열 에너지 저장 시스템(ATES)의 지속 가능한 운영을 위한 모델 예측 제어(MPC) 기법을 제안한다. ATES 시스템은 지하수 포화 대수층에 열 에너지를 저장하여 건물의 난방과 냉방을 지원한다. 논문에서는 다음과 같은 내용을 다룬다: ATES 시스템의 동적 모델링: 지하수 온도 분포를 나타내는 편미분 방정식과 열교환기 모델을 결합하여 ATES 시스템의 PWA(Piecewise Affine) 모델을 개발하였다. 지속 가능한 운영을 위한 MPC 기법: 운영 비용 최소화, 건물 열 수요 추적, 에너지 균형 유지를 목적으로 하는 혼합 정수 계획법 기반 MPC 기법을 제안하였다. 상태 관측기 설계: 지하수 온도 측정치를 활용하여 상태를 추정하는 무향 칼만 필터(UKF)를 설계하였다. 실제 데이터를 활용한 사례 연구: 벨기에 병원의 ATES 시스템 데이터를 활용하여 제안한 MPC 기법의 성능을 평가하였다. 기존 제어기 대비 에너지 균형 달성에 성공하였다. 이 연구는 ATES 시스템의 지속 가능한 운영을 위한 효과적인 제어 기법을 제시하였다.

Stats

ATES 시스템이 2005년 한 해 동안 건물에 공급한 총 열량은 3416.67 MWh이고, 냉량은 2722.22 MWh로 열량이 694.45 MWh 더 많았다. 제안한 MPC 기법을 적용한 결과, ATES 시스템이 건물에 공급한 총 열량은 402 MWh로 냉량과 균형을 이루었다.

Quotes

"ATES 시스템은 지하수 포화 대수층에 열 에너지를 저장하여 건물의 난방과 냉방을 지원한다." "ATES 시스템의 운영은 지하수원 보호와 같은 법적 제한 사항을 준수해야 한다." "제안한 MPC 기법은 운영 비용 최소화, 건물 열 수요 추적, 에너지 균형 유지를 목적으로 한다."

Key Insights Distilled From

MPC using mixed-integer programming for aquifer thermal energy storages

by Johannes van... at arxiv.org 04-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.09786.pdf

Deeper Inquiries

ATES 시스템의 지속 가능한 운영을 위해 고려해야 할 다른 요소는 무엇이 있을까?

ATES 시스템의 지속 가능한 운영을 위해 고려해야 할 다른 요소로는 지열 저장지의 지질학적 특성, 지하수의 영향, 지열 저장지의 온도 변화에 따른 지하 화학 반응 및 바이오 화학 반응 등이 있습니다. 또한, ATES 시스템의 운영이 지하수 자원을 보존하고 지속 가능한 에너지 공급을 유지하는 데 중요하며, 온도 변화로 인한 지하 화학적 또는 생물학적 반응의 가능성을 고려해야 합니다. 또한, ATES 시스템의 에너지 불균형은 시스템 운영의 낮은 신뢰성과 지하수 저장고의 고갈로 이어질 수 있으므로 이러한 측면도 고려해야 합니다.

ATES 시스템 외에 다른 지열 에너지 저장 기술들의 최적 제어 방법은 어떻게 달라질 수 있을까?

ATES 시스템 외의 다른 지열 에너지 저장 기술들의 최적 제어 방법은 해당 기술의 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 지열 히트펌프를 사용하는 경우, 지열 에너지 저장과 열 회수를 위한 히트펌프의 효율적인 제어가 중요합니다. 이를 위해 온도, 압력, 유속 등의 매개변수를 고려하여 최적 제어 알고리즘을 적용할 수 있습니다. 또한, 지열 에너지 저장 탱크의 크기, 지열 교환기의 효율성, 지열 시스템의 열 손실 등을 고려하여 최적 제어 방법을 조정할 수 있습니다.

ATES 시스템의 지속 가능성을 높이기 위해 건물 설계 단계에서 고려해야 할 사항은 무엇일까?

ATES 시스템의 지속 가능성을 높이기 위해 건물 설계 단계에서 고려해야 할 사항으로는 ATES 시스템과 건물 간의 효율적인 열 교환을 위한 설계가 중요합니다. 건물의 열 수요와 ATES 시스템의 운영을 조화롭게 맞추기 위해 적절한 열 교환기 설계와 시스템 통합이 필요합니다. 또한, 건물의 구조와 열 흐름을 고려하여 ATES 시스템의 효율적인 운영을 지원할 수 있는 설계를 고려해야 합니다. 또한, 건물의 에너지 효율성을 높이고 ATES 시스템과의 통합을 원활하게 하기 위해 건물의 절연성과 공간 활용도를 최적화하는 것이 중요합니다.