Vehicle-to-grid as a competitive alternative to energy storage in a renewable-dominant power system: An integrated approach considering both electric vehicle drivers' willingness and effectiveness

Wonjong Lee, Jongroul Woo, Yong-gun Kim, 구윤모 (2024) · energy 310:133194 · DOI ↗

Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System (2012 V2G) 의 12 년 아크 완성. 소비자 V2G 참여 의향 + 전력시스템 ES-CEP 통합 — 시간 가변 참여 의향 을 capacity expansion problem 에 동시 입력. 결과: EV 의 4.5-15.3% 만 V2G 참여 해도 최적 ESS 용량 36.5-60.6% 절감, 총비용 3.35% 절감, peak netload 18.5% 감소. V2G 가 ESS 의 경제적 대체 임을 정량 입증.

• RQ: V2G 가 ESS (energy storage) 의 경제적 대체 가 될 수 있는가? EV 운전자의 시간 가변 참여 의향 이 전력시스템 최적 설계 에 어떤 영향?
• 방법론: discrete-choice-experiment (V2G 참여 의향, 시간대별) + k-medoids-clustering (참여자 분류) + mixed-integer-linear-programming ES-CEP (Energy Storage Capacity Expansion Problem) 통합
• 데이터: 한국 EV 운전자 DCE + 한국 전력시스템 (PV, 풍력, fossil, nuclear) + 보상 수준 시나리오 (EC 1.0-3.0, DC)
• 주요 발견: (1) EV 의 4.5-15.3% V2G 참여 (EC 1.0) → 최적 ESS 용량 36.5-45.6% 절감 (전력), 39.6-60.6% (에너지). (2) Peak netload 18.5% 감소 (266 MW). (3) 총비용 3.35% 절감 (V2G enrollment 보상 + 6 USD/MWh 배터리 노화 고려). (4) DC scheme (시간 가변 보상) > EC scheme (균등 보상) — DC 20,000 KRW/월 (저녁+밤) > EC 3.0 30,000 KRW/월. (5) 야간 V2G 참여자의 capacity fade 0.92%/년, 연 636,749 KRW arbitrage + 보상 수익.
• 시사점: V2G 가 ESS 의 경제적 대체 — 신규 대용량 ESS 투자 부담 완화 가능. DC (시간 가변) 보상 설계 가 효율적 V2G 공급 확보 의 핵심. 전기차 + 재생 전력 의 통합 정책 패키지 필요.

요약

이 paper 는 구윤모 의 3 기 (2022-2026) V2G 정점 작업 — Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System (2012) 의 12 년 아크 완성. 2012 paper 가 V2G 의 경제성 ex-ante 평가 였다면, 본 paper 는 V2G 의 ESS 대체 효과 를 소비자 참여 의향 + 전력시스템 최적화 결합 으로 정량.

방법론적 핵심은 3 도구 결합:

(i) discrete-choice-experiment (DCE) — EV 운전자의 시간대별 V2G 참여 의향 추정. 저녁 (18:00-22:00) + 밤 (22:00-06:00) 가 상대적으로 높은 참여 의향, 출근/외출 시간대 (오전·오후) 는 낮음.

(ii) k-medoids-clustering — 참여 패턴별 EV 운전자 분류. 일별 charging + driving 패턴이 다양해서 대표 운전자 (medoid) 추출.

(iii) mixed-integer-linear-programming ES-CEP — Energy Storage Capacity Expansion Problem. V2G 참여를 시간 가변 supply 로 입력하고, 최적 ESS 용량 + 발전 mix 동시 결정.

핵심 발견:

(i) EV 4.5-15.3% V2G 참여로 ESS 용량 36.5-60.6% 절감: 즉 V2G 4.5% 만으로도 ESS 의 1/3 이상 대체. ESS 의 capital 비용 절약 이 V2G 보상 비용 보다 큼.

(ii) DC (시간 가변) > EC (균등) 보상 설계: DC 20,000 KRW/월 (저녁 + 밤 한정) 이 EC 3.0 30,000 KRW/월 (균등) 보다 더 많은 참여자 확보 — 시간 가변 시그널이 효율적. 저비용으로 같은 효과.

(iii) 장기 ESS (CAES) vs 단기 ESS (LiB): V2G supply 증가 시 장기 ESS 일관 감소, 단기 ESS 상대적 유지 — V2G 가 장기 storage 의 대체.

(iv) 총비용 3.35% 절감, peak netload 18.5% 감소 (266 MW): 시스템 효율 + 환경 효과의 정량 입증.

(v) 배터리 노화: 야간 V2G 참여 시 capacity fade 0.92%/년 — 합리적 수준. 연 636,749 KRW arbitrage + 참여 보상 수익. 경제성 확보.

구윤모 의 연구 궤적 안에서 이 paper 는 3 기 V2G 정점, Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System 의 12 년 후 완성형. 후속 Economic feasibility and grid benefits of vehicle-to-grid in rental electric vehicle industry in tourism spots (2025 관광지 V2G) 와 V2G 정책 응용 시리즈.

핵심 결과

항목	값
V2G 참여 EV 비율 (EC 1.0)	4.5-15.3%
최적 ESS 용량 절감 (전력)	36.5-45.6%
최적 ESS 용량 절감 (에너지)	39.6-60.6%
Peak netload 감소	18.5% (266 MW)
총비용 절감	3.35%
야간 V2G 참여자 capacity fade	0.92%/년
연 arbitrage + 보상 수익	636,749 KRW

보상 scheme 비교	비용	효과
EC 3.0 (균등 30,000 KRW/월)	높음	중
DC (저녁+밤 20,000 KRW/월)	낮음	높음

방법론 노트

discrete-choice-experiment: 시간대 (오전/오후/저녁/밤) × V2G 참여 여부 + 보상 + SoC after V2G + V2G 시설 접근성 의 trade-off.

k-medoids-clustering: EV 운전자의 주별 driving + charging 패턴 을 PAM 알고리즘으로 typical medoids 추출.

mixed-integer-linear-programming ES-CEP:

$$\min \sum_t (\text{InvCost}_t + \text{OpCost}_t + \text{V2G\_Compensation}_t)$$

s.t. 시간 $t$ 의 공급 - 수요 = 0 균형, ESS 용량 제약, V2G 시간 가변 공급 $\leq$ 참여 EV × max discharge rate, 발전 mix capacity.

식별 가정: (i) DCE 응답이 실제 V2G 참여 근사, (ii) k-medoids 가 대표 운전자 정확 추출, (iii) MILP 의 수렴.

연구 계보

이 paper 는 (i) Kempton & Tomic (2005) 의 V2G 원본 이론, (ii) Brouwer et al. (2016) 의 V2G 시스템 효과 시뮬레이션, (iii) Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System (V2G 한국 ex-ante) 직접 선행 — 의 결합. 구윤모 의 연구 궤적 3 기 V2G 정점, Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System 의 12 년 아크 완성형.

See also

• 구윤모
• Wonjong Lee
• Jongroul Woo
• discrete-choice-experiment
• mixed-integer-linear-programming
• k-medoids-clustering
• vehicle-to-grid
• energy-storage
• energy
• Ex-ante Evaluation of Profitability and Government's Subsidy Policy on Vehicle-to-Grid System
• Environmental time-of-use scheme: Strategic leveraging of financial and environmental incentives for greener electric vehicle charging

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• Economic feasibility and grid benefits of vehicle-to-grid in rental electric vehicle industry in tourism spots
• Environmental time-of-use scheme: Strategic leveraging of financial and environmental incentives for greener electric vehicle charging

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