태평양 북서부 지역(Pacific Northwest)의 컬럼비아 강 유역은 수력발전의 잠재적 가치가 아주 높다. 이미 그곳에서의 수력발전소는 20,000MW 이상의 전력을 생산한다. 이제, 개발된 시뮬레이션 모델이 광범위한 댐 시스템 운영의 최적화를 돕게 될 것이다.
독일 일메나우의 프라운호퍼 연구소 옵트로닉스, 시스템 기술 및 이미지 익스플로이테이션 IOSB(Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB) 연구진들은, 수력발전 시스템을 더욱 효율적으로 만드는 정보기술을 개발 중이다. 선진 시스템 기술(AST, Advanced System Technology) 부서는 기후 데이터, 수위 그리고 시장의 가격과 같은 외부 요소와 시스템 인프라시설을 통합하는 시뮬레이션 및 최적화 모델을 만들고 있으며, 수문의 개폐, 저장 수위 조절 그리고 수력발전용 터빈 운영 등과 같은 운영 시설의 최적화 계획을 생성 중이다. 이 정보는 운영자들이 현재의 에너지 경제를 만족시키고 가장 높은 수익률로 생산된 전력을 팔 수 있도록 각각의 수력발전소의 생산전력을 미세하게 조정할 수 있도록 한다.
컬럼비아 강 유역의 2,000MW 독일과 중국에서의 프로젝트 이후에 그리고 독일-미국 기업인 델타레스(Deltares)사와의 협력을 통해, 이 연구소 연구진들은 그들의 전문적인 능력을 세계에서 가장 큰 수력발전 운영회사 중 하나에 적용하는 중이다. 미국 북서부 지역의 비피에이(BPA, Bonneville Power Administration)사는 컬럼비아 강 유역에서 복잡하고 광범위한 댐 시스템을 운영하면서, 약 22,000MW의 전력을 생산한다. 이것은 독일 전체의 5배를 넘는데, 독일은 강에 7,500개의 수력발전소를 운영하면서 4,300MW의 전력을 생산한다. 12백만 명 이상의 사람들이 비피에이(BPA)사 공급지역에 살고 있는데, 이 지역은 미국의 오리건주, 워싱턴주, 몬태나주, 캘리포니아주, 네바다주, 유타주 및 와오밍주의 일부를 커버한다. 델타레스(Deltares)사와 공동으로, 하이프롬(HyPROM) 프로젝트에 참여하는 연구진들은 미리 결정된 파라미터에 기반을 두고 최상의 댐 시스템 운영이 가능하도록 하는 기능형 시뮬레이션 및 최적화 모델을 개발했다.
“수력발전에는 매우 다양한 파라미터가가 역할을 하게 된다. 즉, 강수량 수준, 물의 용량과 속도 그리고 일반적인 기후조건은 말할 필요도 없다. 동시에, 어류 보호, 홍수 관리 또는 환경 가이드라인과 관련된 법적 사항도 수용되어야 한다”고 이 연구소 프로젝트팀의 디바스 카리만지라(Divas Karimanzira) 박사는 말했다. “수력발전소는 모든 변수를 고려할 때에만 최적으로 운영할 수 있다. 추가적인 도전으로, 하이프롬(HyPROM) 프로젝트는 광범위하게 네트워크 연결된 컬럼비아 강 유역 댐 시스템의 복잡성을 들었다. 이 지역은 평균 흐름 속도가 1초에 7,500㎥이며 10개의 수력발전소, 10개의 저수조 그리고 고도 차이가 3,500m인 2개의 다른 강을 포괄하고 있다”고 카리만지라 박사는 덧붙였다.
현재, 연구진들은 풍력에너지와 태양열 에너지의 가변적인 이용가능성과 불규칙하게 변동되는 시장 가격을 마음에 두고, 더 에너지-경제성을 갖춘 측면을 적용시키기 위해 시뮬레이션과 최적화 모델을 확장시키는 연구를 진행 중이다. “그러면, 우리는 계산에 더 많은 정보를 통합시킬 수 있다. 이것은 더 현실에 가까운 시나리오를 창조하게 될 것”이라고 카리만지라(Karimanzira) 박사는 설명했다.
프로젝트 파트너는 새롭게 개발된 기술을 시스템에 통합시켜, 노동자들이 시설 운영에 올바른 결정을 할 수 있도록 할 것이다. 미래의 목표는 비피에이(BPA)사가 변화하는 조건에 따라 1시간 이내에 전체를 관리할 수 있는 시스템으로 만드는 것이다. 이를 통해, 이 회사는 가격이 적정할 때만 수력발전을 판매하게 될 것이다. 다른 시간에는, 나중에 경제적으로 의미가 있거나 기술적으로 필요할 때 물을 비우려고 저장소에 물을 보충하게 될 것이다. “수력발전 에너지뿐 아니라 풍력과 태양열 발전과 같이 가변적인 공급체인을 가진 다른 에너지 소스를 판매하는 운영회사에는, 가격은 특히 중요한 요소”라고 카리만지라(Karimanzira) 박사는 설명했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 8월 6일]
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Simulation models optimize water power
The Columbia River basin in the Pacific Northwest offers great potential for water power; hydroelectric power stations there generate over 20 000 megawatts already. Now a simulation model will help optimize the operation of the extensive dam system.
Researchers at the Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation IOSB in Ilmenau are developing information technology to make water power generation systems more efficient. The Advanced System Technology (AST) department is creating simulation and optimization models that consolidate external factors such as weather data, water levels and market prices with system infrastructure and generate optimized plans for operational facilities, such as the opening and closing of sluice gates, reservoir water level regulation and hydro turbine operation. This information helps the operator to fine-tune each hydroelectric power station’s generating power to meet current energy economics and to sell the generated power for the highest possible return.
22,000 MW in the Columbia River basin
Following projects in Germany and China, and in cooperation with the Dutch-American company Deltares, IOSB researchers are now applying their expertise to one of the world’s largest hydropower operators. The Bonneville Power Administration (BPA) in the northwest of the United States runs a complex and extensive dam system in the Columbia River basin that collectively generates around 22,000 megawatts (MW). This is more than five times the output in Germany, which operates some 7500 hydroelectric plants on rivers and lakes and generates 4300 MW. More than 12 million people live in the BPA’s catchment area, which covers parts of the U.S. states Oregon, Washington, Montana, California, Nevada, Utah and Wyoming. Together with Deltares, researchers on the HyPROM project have developed a functioning simulation and optimization model that ensures the best possible operation of the BPA dam system based on predefined parameters.
“Very different parameters come into play when it comes to generating hydroelectric power – rainfall levels, volume and speed of the water, not to mention general climate factors. At the same time, regulations regarding the protection of fish, flood control or environmental guidelines have to be accommodated,” says Dr. Divas Karimanzira from the IOSB project team. “Hydroelectric plants can be operated optimally only when you take all the variables into account. As an additional challenge, HyPROM takes on the complexity of the extensively networked Columbia River basin dam system – it covers two different rivers with an average water flow of 7,500 cubic meters per second, ten hydro plants, ten reservoirs and an altitude difference of 350 meters.”
Currently, researchers are working on expanding the simulation and optimization model to better encompass energy-economic aspects, bearing in mind the fluctuating availability of wind and solar energy as well as randomly changing market prices. “Then we can incorporate even more information in our calculations. This creates a scenario that comes much closer to reality,” explains Karimanzira.
The project partners plan to integrate the newly developed technology into a system that will help employees to make the right decisions in running the facility. The aim for the future is to enable BPA to adjust its entire control and management system in under an hour to react to changing circumstances. That way, BPA could choose to sell hydroelectric power only when the price is right. At other times, it could replenish its reservoirs to empty them later, when it makes economic sense or is technically necessary. “For operators who sell not only hydroelectric energy but also other energy sources with a fluctuating supply, such as wind and solar energy, the price is an especially important factor,” says Karimanzira.
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태평양 북서부 지역(Pacific Northwest)의 컬럼비아 강 유역은 수력발전의 잠재적 가치가 아주 높다. 이미 그곳에서의 수력발전소는 20,000MW 이상의 전력을 생산한다. 이제, 개발된 시뮬레이션 모델이 광범위한 댐 시스템 운영의 최적화를 돕게 될 것이다. 
