탈탄소 전력망을 구현하는 방법 : 전력망의 미래 (4)

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Dall e가 그린 탈탄소화 시스템

독일 전력망 관리의 변화하는 특성

독일의 전력망 관리는 재생 가능한 에너지원으로의 전환으로 인해 새로운 과제가 발생하면서 빠르게 변화하고 있습니다. 이 기사는 독일의 시스템 운영자인 Amprion의 국가 전력망 관리 경험에 초점을 맞추고 있습니다.

전력망 운영자의 진화하는 역할

20년 전만 해도 독일 전력망를 관리하는 것은 비교적 간단한 작업이었습니다. 수요의 대부분이 화석 연료와 원자력으로 충족됨에 따라 석탄과 가스 발전소는 수요의 변동을 충족시키기 위해 필요에 따라 증가하거나 감소할 수 있습니다. 하지만, 원자력 발전소의 폐쇄와 풍력과 태양열 발전의 성장과 함께, 상황은 더 복잡해졌습니다.

전력망 관리의 당면 과제

앰프리온과 같은 전력망 사업자가 직면한 주요 과제 중 하나는 재생 가능 에너지원의 예측 불가능성입니다. 햇빛이 좋고 바람이 많이 부는 날에는 바람과 태양열이 대부분의 수요를 충족시킬 수 있지만, 고요한 밤에는 필요한 수요의 극히 일부만 제공할 수 있습니다. 전력망 운영자는 정전을 방지하고 안정적인 전력망를 보장하기 위해 지속적으로 공급과 수요의 균형을 유지해야 합니다.

기상예보 및 배터리 저장의 역할

이러한 불확실성을 관리하는 것을 돕기 위해 앰프리온은 일기예보의 열렬한 소비자가 되었습니다. 그들은 또한 특히 단기적으로 공급과 수요의 균형을 맞추기 위해 배터리를 사용합니다. 최근 몇 년 동안 리튬 이온 배터리의 가격이 크게 하락하여 전력망 관리를 위한 경제적인 옵션이 되었습니다.

배터리 저장의 한계

배터리 저장의 장점에도 불구하고, 그것은 만병통치약이 아닙니다. 풍력 및 태양광 발전의 계절적 변동은 전력망가 연중 다양한 발전 수준에 대응하도록 설계되어야 한다는 것을 의미합니다. 또한, 겨울철에는 낮은 바람과 태양열 발전의 장기화로 인해 "덩켈플루트" 또는 "블랙아웃"으로 알려진 것이 발생할 수 있어 전력망 운영자에게 큰 문제가 될 수 있습니다.

점점 증가하는 재생에너지 발전량 - 출처 : 이코노미스트

유럽의 재생 에너지 공급의 도전

풍력과 태양열 발전과 같은 재생 가능한 에너지원은 탄소 배출량을 줄이고 기후 변화에 대처하는 데 도움이 되는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나, 그들의 가변적인 특성은 특히 바람과 햇빛이 적은 기간 동안 전력망에 도전을 제기합니다. 이는 덩켈플루트 이벤트로 알려진 상당한 공급 부족으로 이어질 수 있으며, 이는 전기 시스템의 안정성에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.

격차 해소를 위한 CESA의 역할

유럽 대륙 동기 지역(CESA)은 유럽 본토의 대부분을 커버하는 전력망 네트워크로, 공급과 수요의 균형을 맞추기 위해 설계되었습니다. 던켈플루트 행사 동안, 재생 가능한 공급품과 시스템이 필요로 하는 것 사이의 격차는 50GW에 이를 수 있는데, 이는 더 많은 화석 연료를 태우고 다른 나라로부터 전기를 수입함으로써 채워집니다. CESA의 매력 중 일부는 다른 나라의 원자력 발전소와 재생 가능한 자원으로부터 전기에 대한 접근을 제공함으로써 수입을 더 쉽게 한다는 것입니다.

전력망 상호 연결의 잠재력

Delft 공과대학의 Bowen Li와 동료들에 의한 최근 연구는 덩켈프루트 사건이 북해와 발트해 지역을 둘러싼 모든 국가에서 동시에 일어나지 않는다는 것을 발견했습니다. 이것은 CESA의 다른 부분들 사이의 더 많은 장거리 HVDC 연결이 덩켈플루트의 부작용을 줄이는 데 도움이 될 것이라는 것을 시사합니다. 하지만, 지역마다 여전히 다른 수준의 재생 에너지 공급 상황에 처해있기 때문에 완전한 솔루션은 아닙니다.

솔루션으로서의 스토리지 및 수요 관리

공급 부족 문제를 해결하는 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 전기 시스템에서 고려되지 않았던 일인 에너지를 대량으로 저장하는 것입니다. 다른 하나는 수요를 보다 적극적으로 통제하는 것입니다. 그러나 에너지 저장은 현대 전기 시스템의 기반이 되는 발전기/전력망/사용자 패러다임에 쉽게 맞지 않습니다. 일부 에너지는 필연적으로 전력망 구성 요소 주변의 전기장과 자기장 모두에 저장되어 전력망 운영자가 "반응 전력"이라고 부르는 소스를 제공하지만, 소비자가 사용할 수 있는 에너지는 아닙니다.

배터리의 역할

배터리는 짧은 시간 동안 도움을 주기 위해 점점 더 중요해지고 있으며 재생 에너지에 의존하는 전력망은 배터리에 더욱 더 의존하고 있습니다. 그러나 배터리를 사용하여 몇 주 동안 심각한 공급 부족을 초래하는 데 필요한 규모의 스토리지를 제공하는 것은 실현 불가능한 비용이 됩니다.

간헐성 문제를 해결하기 위한 전력망 관리

펌프식 하이드로

많은 전력망는 추가 전력이 필요할 때 탱크의 물을 터빈을 구동하고 전력이 충분할 때 펌프를 사용한 다음 탱크를 다시 채우는 "펌프식 하이드로" 발전소에서 전력을 생산할 수 있습니다. 전력망 영역에 상당한 고도의 계곡을 제공하는 산이 있다면, 이 기술로 많은 것을 할 수 있습니다.

수소 저장

수십 기가와트의 공급 과잉이 발생할 경우 이를 해결하기에 가장 적절하다고 생각되고 있는 방법은 친환경 수소의 제작입니다. 이러한 수소는 여분의 전력이 필요할 때까지 저장될 수 있으며, 이때 천연 가스를 태우는 것과 달리 이산화탄소를 배출하지 않는 터빈에서 수소가 연소될 수 있습니다. 국가들이 탄소 무배출 전력망의 목표를 달성하면, 그 전력을 사용하여 만들어진 수소도 그린 수소가 될 것입니다.

수소 생산의 과제

배터리 저장소는 재생 에너지 옆에 위치하는 경우가 많으며, 일부에서는 전력망에 전력이 필요하지 않을 때 재생 에너지나 원자력 발전소의 잉여 에너지를 사용하여 전기 분해를 같은 방식으로 분산시켜야 한다고 제안합니다. 하지만, 수소 생산 허브를 건설할 계획인 영국 회사 H2 Green의 사장인 루크 존슨은 수소 생산이 경제적이기 위해서는 전력망를 통해 이루어져야 한다고 주장합니다. 그 이유 중 하나는 수소를 만드는 것이 중단 없이 이루어지는 것이 가장 좋기 때문입니다. 특히 발전소가 일부 시간만 작동하면 자본 비용을 감당하기 어렵기 때문입니다. 

수요 관리

예를 들어, 산업용 냉동기는 에너지가 저렴할 때 필요한 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각될 수 있으며, 에너지가 부족할 때 최대 안전 온도로 다시 예열될 수 있습니다. 영국의 유틸리티 기업인 옥토퍼스는 수요 관리 자동화를 위해 노력하는 회사 중 하나입니다.

탈탄소전력망은 가능할까요?

2015년 파리에서 설정된 기후 목표에 도달하는 세계를 보는 국제 에너지 기구의 시나리오에는 2030년까지 500GW의 수요 측면 대응이 설치되어 있습니다. 현재 총계는 50GW입니다. 에너지 시스템 전반에 있어서 재생 에너지의 간헐성을 다루는 것이 탈탄소에 대한 가장 큰 도전 과제라는 것은 의심의 여지가 없습니다. 대규모 전력망, 원거리 리소스에 대한 상호 연결, 새로운 형태의 스토리지가 모두 필요하며 수요 관리도 마찬가지입니다.