화석연료에서 재생에너지로 : 전력망의 미래 (1)

재생에너지가 들러붙고 수요는 점점 증가함에 따라 요구사항이 늘어나는 전력 시스템 - 출처 : 이코노미스트

발전기의 내부 : 영국 드랙스 발전소

영국 요크셔의 드랙스 발전소에는 6개의 거대한 터빈이 터빈 홀에 있는데, 각각은 28개의 터빈 서브 어셈블리로 구성되어 있으며, 1분에 3,000번씩 축으로 회전하고 있으며, 무게는 2,800톤입니다. 터빈은 천장에 매달린 거대한 보일러에서 생산된 고압 증기에 의해 구동됩니다. 보일러의 벽은 꼼꼼하게 단열되어 있지만, 여전히 1,100°C(2,000°F)의 열을 느낄 수 있습니다.

재생 에너지로의 전환

드랙스의 생애 대부분 동안 보일러는 석탄으로 연료를 공급받고, 석탄을 분쇄시키고 불에 태워버렸습니다. 그러나 오늘날 대부분의 드랙스 보일러는 바이오매스를 대신 연소하며, 이는 전 세계적으로 재생 가능 에너지로의 전환의 신호입니다. 전기 발전에서 화석 연료를 제거하는 것은 일반적으로 대기 중의 온실 가스 수준을 안정화하는 데 필요한 단계로 간주됩니다. 재생 에너지의 매력은 분명하며, 저렴한 가격에 많은 비화석 연료 에너지 자원을 이용할 수 있습니다.

전기를 생산하고 공급하는 물리적 프로세스

바람에 의해 회전하는 무동 유리 패널과 블레이드를 통한 전기 생산은 힘들이지 않고 미래적인 것처럼 보이지만, 기가와트가 넘는 전력을 소비자에게 공급하는 것은 매우 물리적인 과정으로 남아 있습니다. 드랙스 내에서는 에너지가 연료에서 불꽃으로, 증기로 흘러 회전하지만, 벽을 넘어 세상에 봉사하기 위해서는 마지막 변신이 필요합니다. 터빈의 구동축은 전기 발전기의 구리선으로 둘러싸인 강력한 자석을 회전시켜 운동 에너지를 전기 회로에서 발전기에 연결된 모든 것이 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환합니다. 이를 통해 드랙스는 영국의 국가 전력망에 전기를 공급하게 됩니다.

그리드: 매우 역동적이고 물질적인 인프라

국내 소켓에서 사용할 수 있는 50Hz 교류(AC) 전력은 드랙스 및 기타 발전소의 진동 바닥을 국가적으로 표현한 것입니다. 그리드는 이상하게 중요하지 않고 매우 역동적이며 공급이 실시간으로 수요에 부합해야 하기 때문에 끊임없이 변화할 수 있습니다. 주어진 시간에 작업을 수행하기 위해 그리드에서 끌어내는 전력량(부하)은 투입되는 전력량과 일치해야 합니다. 현대 생활의 구성 요소들이 사용하는 전력의 양은 생성되는 양과 같아야 합니다. 이는 그리드가 일정한 플럭스 상태에 있으며 어떤 종류의 불균형으로 인해 그리드가 충돌하지 않도록 지속적인 감독이 필요하다는 것을 의미합니다.

전기 인프라의 필요성

주전원 전기의 초기에는 고객에게 공장 전용 발전기 또는 인근의 단일 발전소에서 전력을 공급했습니다. 그러나 리소스 풀링의 이점은 곧 명백해졌습니다. 고압 라인이 서로 다른 발전기의 전류를 결합할 수 있도록 발전기 주파수를 50Hz(미국의 경우 60Hz)로 동기화했습니다. 고전압은 소비자에게 좋지 않기 때문에 변압기는 이러한 고전압을 가정용 저전압으로 낮추기 위해 개발되었습니다. 변압기를 수용하는 주탑과 변전소의 친숙한 건축물이 나타나기 시작했습니다. 그 물리적 인프라는 전기 공급을 견고하고 정적인 것처럼 보이게 했습니다. 산업용 가구의 일부입니다.

재생에너지가 포함된 발전소의 그림 -  출처 : 이코노미스트

재생 에너지를 더 많이 추가해야 하는 과제

국가들이 탄소 배출량을 줄이기 위해 노력함에 따라 풍력과 태양열과 같은 재생 가능 에너지가 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나, 더 많은 재생 가능 에너지를 그리드에 통합하는 것은 중요한 과제입니다. 재생 가능한 에너지원은 종종 전력이 필요한 곳에서 멀리 떨어져 있으며, 이는 새로운 송전선이 필요하다는 것을 의미합니다. 게다가, 재생 가능한 에너지원은 간헐적인데, 이것은 바람이 불거나 태양이 빛날 때만 전력을 생산한다는 것을 의미합니다. 이로 인해 그리드에서 공급과 수요의 균형을 맞추기가 어려울 수 있습니다.

에너지 스토리지의 필요성

재생 가능 에너지원의 간헐성을 해결하기 위해서는 에너지 저장 솔루션이 필요합니다. 여기에는 배터리, 양수 저장 장치 또는 기타 기술이 포함될 수 있습니다. 에너지 저장은 재생 가능 에너지원의 가변성을 원활하게 하여 그리드를 보다 안정적이고 신뢰할 수 있도록 합니다. 그러나 에너지 저장은 비용이 많이 들 수 있으며 재생 에너지 기반 그리드를 지원하기 위해 대규모로 배치되어야 합니다.

수요 관리 및 제어

그리드의 공급과 수요의 균형을 맞추기 위해서는 수요 관리 시스템도 필요할 것입니다. 이러한 시스템은 에어컨 사용이 많은 더운 여름 오후와 같이 피크 시간대에 수요를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 이를 통해 정전을 방지하고 그리드가 안정적으로 유지되도록 할 수 있습니다. 또한, 현재의 방법은 증기 터빈이 전력을 생산하는 방식에 뿌리를 두고 있기 때문에 그리드를 제어하고 균형을 맞추는 방법을 재고할 필요가 있습니다.

그리드 업그레이드 비용

재생 가능한 에너지 기반 시스템을 지원하기 위해 그리드를 업그레이드하는 것은 비용이 많이 들 것입니다. 에너지 전환 위원회의 최근 연구는 세계가 순 제로 목표에 도달하려면 2050년까지 매년 1조 1천억 달러가 전력망에 사용되어야 한다는 것을 발견했습니다. 이 투자는 새로운 발전 용량 비용을 기반으로 할 것입니다. 하지만 이는 전례가 없는 수준의 경영진의 결단을 요구할 것입니다.

장애물 극복

그리드 업그레이드의 가장 큰 장애물 중 하나는 새로운 인프라에 대한 지역적 반대입니다. 이러한 반대는 새로운 송전선로의 환경적 영향이나 부동산 가치의 손실에 대한 우려에서 비롯될 수 있습니다. 다른 장애물로는 규제, 투기, 정치, 시위의 지연이 있습니다.

재생 에너지 비중, 그리드 및 과제

풍력과 태양열 발전과 같은 재생 가능한 에너지원은 점점 더 전통적인 에너지원의 실행 가능한 대안이 되고 있습니다. 그러나 이러한 소스로 광범위하게 전환하려면 그리드에 연결해야 합니다. 그러나 이러한 연결 프로세스는 어려운 작업이 될 수 있습니다. 선진국에서 사용되는 그리드는 급격한 변화에 익숙하지 않습니다. 그들은 일반적으로 오래된 공장과 동일한 연결을 사용하여 점진적으로 새로운 수요를 충족하도록 설계되었습니다. 따라서 재생 가능한 에너지원을 그리드에 연결하는 과정이 느릴 수 있습니다.

높은 비용 및 특수 구성 요소

변압기와 같은 고도로 전문화된 부품은 전력망의 최고 전압에서 전기를 올리거나 내리는 데 필요합니다. 이 변압기는 맞춤형 기술을 사용하여 만들어진 거대한 기계입니다. 일반적으로 무게는 300톤이며 가격은 3천만 유로(3천200만 달러)이며 주문 후 약 3년 후에 배송 준비가 완료됩니다. 그리드가 빠르게 확장되려면 이러한 이국적인 자동차를 만들 수 있는 세계의 역량을 확장하는 것이 필수적입니다. 하지만 그것은 쉽게 이루어지지 않습니다. 제공자가 거의 없고 신중합니다. 시멘스는 경쟁업체와 마찬가지로 기존 공장의 생산성을 높이기 위해 노력하고 있지만, 수요의 일회성 급증에 대비하여 많은 새로운 용량을 구축하는 것을 꺼리고 있습니다.

낮은 투자 욕구

지난 반세기 동안 정부와 규제 기관은 두 가지 주요 목표, 즉 안정적이고 안전한 그리드와 공급하는 전력 가격에 가능한 한 적게 추가하는 그리드에 초점을 맞추었습니다. 대부분의 경우 그리드는 이러한 목표를 저렴하게 달성했습니다. 보수적인 규제는 전략적 투자에 대한 인센티브나 범위를 제공하지 않았습니다. 그리드는 건설이 보장된 프로젝트에 연결을 제공하거나 만성적인 혼잡을 완화하는 데 필요한 비용만 지출할 수 있었습니다. 연결 요청은 일반적으로 경매나 전략적 계획과 같은 다른 메커니즘이 아니라 공정하게 하기 위해 선착순으로 처리되었습니다.

시나리오 별 (넷제로, 공약 및 현상황 유지) 전체 에너지에서 전기로 소비되는 에너지 비중 - 출처 이코노미스트

그리드 액세스: 가장 큰 제한 요소

충분한 그리드 연결을 제공할 수 없다는 것은 전 세계적으로 새로운 생성 프로젝트가 그리드에 도달하기 전에 대기열이 길어지는 상황에 직면한다는 것을 의미합니다. 이러한 대기열은 새로운 용량을 사용할 수 있는 속도를 늦추고 투자 비용을 증가시킵니다. 영국의 에너지 회사인 옥토퍼스 리뉴얼 에너지의 최고 경영자인 Zoisa North-Bond에 따르면, 그리드 액세스는 재생 에너지의 시장 점유율을 증가시키는 "가장 큰 제한 요인"입니다. 2022년에 영국 전력의 약 54%가 탄소를 배출하지 않고 생산되어 영국의 그리드는 세계에서 가장 큰 탈탄소 상태 중 하나가 되었습니다. 하지만 그렇다고 해서 대기열 문제가 해결된 것은 아닙니다. 2022년에 그리드에 연결된 프로젝트는 평균적으로 요청한 날짜로부터 약 4년 후에 수행되었습니다.

 

연결을 얼마나 빨리 제공할 수 있는지에는 실질적인 한계가 있습니다. 그리드를 확장하면 특성이 변경되고 안정성이 저하됩니다. 하지만, 재생 에너지 프로젝트가 직면하는 지연은 필요 이상으로 훨씬 더 깁니다. 예를 들어 내셔널 그리드의 윌슨 씨는 매우 최근까지 영국의 그리드 규제 기관인 Ofgem은 연결 요청이 확인되기 전에는 업그레이드에 대한 투자를 허용하지 않았기 때문에 대기 행렬이 비정상적인 길이로 증가했다고 말합니다.

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2023.04.11 - [Technology] - 떠오르는 분산전원과 각국의 전력망 투자 : 전력망의 미래 (2)

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