지역:에너지문제 클래스:LP, MIP, MINLP
미국의 발전 부문은 CO2 배출의 주요 원인입니다. 따라서 이 부문의 배출 감소는 기후 변화에 대처하기 위한 CO2 배출 감소 노력의 조정에서 중심 역할을 할 것입니다. 발전 부문이 이러한 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 기술 옵션 중 하나는 무료 슬롯 및 저장(CCS)입니다. 무료 슬롯 기술은 화석 연료 발전소에서 발생하는 CO2 대기 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 포집된 CO2는 파이프라인 네트워크를 통해 운반되어 안전하게 저장됩니다. 온실가스 배출을 크게 줄이고 청정 에너지 포트폴리오에 기여하려면 이러한 기술을 광범위하게 배포하는 것이 필요합니다. 하지만 배포에는 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 이러한 기술을 온라인으로 가져오는 데는 업계에서 20~30년이 걸릴 수 있습니다.
미국 에너지부는 무료 슬롯 기술 발전을 목표로 하는 두 가지 프로젝트에 GAMS를 사용하고 있습니다. NETL CO2 포집, 운송, 활용 및 저장(CTUS) 모델은 CO2 파이프라인 및 저장 인프라의 잠재적 네트워크를 최적화합니다. 미국 에너지부가 설립한 무료 슬롯 시뮬레이션 이니셔티브(CCSI)는 산업에서 무료 슬롯 기술을 보다 쉽게 이용할 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 최적화 도구 세트를 사용하면 업계에서 이러한 신기술을 신속하게 평가하고 활용할 수 있습니다. GAMS는 무료 슬롯을 성공시키기 위해 고안된 이러한 프로젝트에 참여하게 된 것을 자랑스럽게 생각합니다.
무료 슬롯 에너지부는 GAMS를 사용하여 CCS가 배출 목표를 달성하는 데 역할을 할 수 있는 잠재적인 CO2 배출 감소 시나리오를 분석합니다. DOE 국립 에너지 기술 연구소(National Energy Technology Laboratory)에서 개발한 NETL CO2 포집, 운송, 활용 및 저장(CTUS) 모델은 GAMS로 작성되었습니다. 혼합 정수 프로그램(MIP)을 통해 운송 및 저장 네트워크 비용을 최소화하고 CCS 지원 전기 부문에서 포집된 CO2의 운송 및 저장을 처리할 수 있는 CO2 파이프라인 및 저장 인프라의 잠재적 네트워크를 평가하여 최적화합니다. 이러한 유형의 문제는 처리되는 데이터의 양, 솔루션 방법론, 다른 모델링 플랫폼과 통합하는 능력, 궁극적으로 보다 전체적인 에너지 경제 모델에 통합하기 위해 이 기능에 필요한 해결 시간에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 GAMS에 특히 적합했습니다.
지금까지 CTUS 모델은 NEMS(National Energy Modeling System)에 통합되었으며 MARKAL 에너지 모델에도 통합되고 있습니다. CTUS 하위 모듈로 NEMS에 통합되면 에너지 경제 예측에서 무료 슬롯 및 저장에 대한 자세한 설명이 제공됩니다. 이 기능을 통해 CCS 시스템을 기후 완화 시나리오의 옵션으로 간주하므로 에너지 경제 예측에 비용 변동성과 용량 제약이 도입됩니다. 이 기능을 통해 예측 기간 동안 이동 및 저장된 CO2의 위치 및 시간별 양을 식별할 수 있습니다. CTUS 버전이 수정되어 미국 에너지정보청(EIA)의 NEMS 버전에 통합되었으며, 차례로 연간 에너지 전망을 생성하는 데 사용됩니다.
무료 슬롯 기술의 배포 프로세스를 가속화하는 것이 무료 슬롯 시뮬레이션 이니셔티브의 명확한 목표입니다. 2011년 미국 에너지부에 의해 설립된 CCSI는 국립 연구소, 산업 및 학술 기관 간의 파트너십입니다. CCSI 최적화 도구 세트는 업계가 고급 무료 슬롯 및 에너지 관련 기술을 개발하고 배포하는 데 도움이 됩니다.
신기술의 기술적, 경제적 성과는 장비 구성 및 작동 조건에 크게 좌우됩니다. 따라서 신기술을 엄격하게 선별하고 평가하려면 최적의 프로세스를 사용하는 것이 중요합니다. 최적화 도구는 잠재적인 CO2 포집 프로세스에 대한 최적의 장비 구성 및 작동 조건을 식별하여 구현과 관련된 비용, 시간 및 위험을 크게 줄입니다.
CCSI 연구 그룹은 FOQUS(불확도 및 대용의 최적화 및 정량화 프레임워크) 도구의 일부로 두 가지 고급 최적화 기능을 개발했습니다. 둘 다 GAMS를 필수 요소로 활용합니다. 첫 번째 도구는 엄격한 모델을 기반으로 공정 최적화와 열 통합을 동시에 수행합니다. 열 통합 하위 문제는 GAMS에서 LP 및 MIP로 모델링되고 CPLEX로 해결됩니다. 다른 도구는 CO2 포집 시스템의 설계 및 작동을 최적화합니다. 무료 슬롯 시스템은 MINLP 모델로 표현되며, 이는 GAMS로 구현되고 DICOPT 또는 BARON으로 해결됩니다. CO2 포집 프로세스에 대한 최적의 구성 및 조건을 식별함으로써 이러한 CCSI 최적화 도구를 사용하면 미래 기술에 대한 재료 및 개념을 보다 효과적으로 스크리닝할 수 있습니다.
CCSI 도구 세트에는 다음이 포함됩니다.
- 엄격한 프로세스 모델.
- 시뮬레이션 기반 프로세스 최적화, 열 통합(GAMS), 불확실성 정량화, 대수 대체 모델 생성 및 동적 축소 모델 구축을 가능하게 하는 FOQUS(최적화, 불확실성 및 대용의 정량화를 위한 프레임워크)
- 고급 상부구조 최적화 모델(GAMS).
- 고급 프로세스 제어 프레임워크.
- 데이터 관리 프레임워크.