Design and Optimization of a Biomass Production System Combined with Wind Power Generation and LED on Marine Environment

Carbon dioxide was designated as one of greenhouse gases that cause global warming. Among various ways to solve the $CO_2$ emission issue, the 3rd-generation biomass (algae) production is considered as a viable method to reduce $CO_2$ in the atmosphere. In this research, we propose a design of an innovative sustainable production system by utilizing the 3rd generation biomass in the environment of floating production storage and offloading (FPSO). Existing biomass production systems depend on the solar energy and they cannot continue producing biomass at night. Electricity produced from offshore wind farms also need an efficient way to store the energy through energy storage system (ESS) or deliver it real-time through power grid, both requiring heavy investment of capital. Thus, we design an offshore grid structure harnessing LED lights to supply the necessary light energy, by using the electricity produced from the wind farm, resulting in the maximized production of biomass and efficient use of wind farm energy. The final design integrates the biomass production system enhanced by LED lights with a wind power generation. The suggested NLP model for the optimal design, implemented in GAMS, would be useful for designing improved offshore biomass production systems combined with the wind farm.

LED가 결합된 야간풍력발전 활용을 포함한 해상환경 바이오매스 생산시스템의 최적 설계

최근 화석연료의 사용증가에 따라 대량으로 배출되는 이산화탄소는 지구 온난화 현상을 일으키는 온실가스 중 하나로 지정되어 국제협약을 통하여 온실가스의 배출을 저감하도록 규제하고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소를 저감하는 방법 중의 하나로, 3세대 바이오매스 생산시스템인 해조류를 활용한, 지속가능한 신 개념의 FPSO로서 해상환경 바이오매스 생산시스템의 최적구조를 설계하였다. 이를 위해 격자로 구조물을 설치한 후 해조류의 주변에 LED 조명을 비추어 성장을 최대화 시키는 시스템을 구상하였다. 그리고 기존 해조류의 성장자료를 통하여 해조류의 성장 모델을 만든 후 풍력발전기와 LED 조명을 포함하는 바이오매스 생산시스템을 모델링하여 최적화 도구인 GAMS 프로그램을 이용하여 본 시스템이 환경적 관점뿐만 아니라 경제성 측면에서도 타당성을 가질 수 있는 최적구조를 설계하였다. 또한 기존의 해상환경 바이오매스 생산시스템과 비교하여 최적구조를 제안하였다.