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제목 : 재생에너지 시스템 & 사회 기반 시설

2022년, 에너지 부문은 공급 중단, 에너지 가격 상승, 재생에너지에 대한 기록적인 설치와 투자의 특징이 나타났다.

근본적인 변화가 글로벌 에너지 시스템을 재편함에 따라 정책 입안자, 전력망 운영자 및 투자자는 기후 변화 대응을 넘어 재생에너지가 수행할 수 있는 역할에 대해 인식을 강화하고 있다.

재생에너지가 새로운 에너지 시스템에 가져올 수 있는 주요 이점에는 에너지 안보, 경제성, 사회적 가치 창출, 잠재적으로 지정학적 안정성이 있다.

전 세계 에너지 믹스에서 재생에너지가 차지하는 비중은 계속 증가해 2021년에는 전체 최종 에너지 소비(TFEC)의 12.7%, 2022년에는 발전량의 30%에 도달할 것이다. 이러한 추세는 글로벌 에너지 전환을 위한 비가역적 추진력을 창출하고 있다.

풍력, 태양광 발전(PV) 및 기타 재생 에너지의 급증은 주로 전력 부문에서 발생했지만, 열 펌프 및 전기 자동차의 기술 개발로 인해 운송, 산업, 건물 및 농업과 같은 다른 주요 부문에서 재생에너지 설치가 확대되고 있다.

디지털 혁신, 에너지 저장 장치의 성장, 그리드 상호 연결의 중요한 역할로 재생에너지의 잠재력이 확대되어 있다. 불과 10년 전만 해도 상상할 수 없었던 방식으로 활성화 되고 있다. 특히, 재생에너지 기술은 태양광 발전과 풍력 발전의 급속한 성장을 통해 불과 20년 만에 큰 발전을 이루었다.

기술 발전, 비용 감소, 화석 연료에 대한 우려 증가(환경 및 기후 문제, 가격 변동성 및 공급 중단)로 인해 날씨 패턴 및 기타 변수에 따라 출력이 변동될 수 있는 재생에너지 기술 확산은 빠르게 추진력을 얻었다.

2022년 전 세계 태양광 발전의 총 설치 용량은 243GW, 풍력 발전은 77GW 증가했다. 전 세계 발전량에서 다양한 재생에너지가 차지하는 비중은 2022년 처음으로 12%를 초과했다.

몇 몇 국가는 매우 높은 재생에너지 점유율을 보였다.

덴마크 : 총 전력의 61%(풍력55%, 태양광PV 6%), 우루과이 : 36%(풍력33%, 태양광3%), 포르투갈 : 35%(풍력28%, 태양광7%), 그리스 : 34%(풍력21%, 태양광13%), 독일 : 32%(풍력22%, 태양광10%)를 차지한다.

일일 기준으로 순 전력 생산량 중 최대 재생에너지 비율(풍력, 태양광, 수력 및 기타 재생 가능 에너지 포함)은 포르투갈에서 98%, 리투아니아에서 97%, 아일랜드에서 84%, 영국에서 82%에 달했다.

그러나, 유틸리티 그리드에서 높은 점유율을 달성하기 위해 재생에너지를 통합하고 확장하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있다.

효과적인 그리드 통합에는 기술 개발이 필요하며, 다양한 이해관계자 그룹 간의 정책, 투자 증가 및 조정이 요구된다. 태양광 발전과 풍력 발전의 가변적인 특성은 시스템 안정성에 영향을 미쳐 수요와 공급의 균형을 맞추는 것을 더욱 어렵게 만든다.

2021년부터 2030년까지 전력 수요가 매년 약 2~3% 증가할 것으로 예상되어 이러한 어려움은 현실이 될 수 있다. 이러한 증가는 최종 용도의 전기화 증가, 개발도상국의 인구 및 소득 증가, 기온 상승에 따른 공간 냉방 수요 급증과 관련이 있다.

태양광 및 풍력 에너지의 가변적 특성을 고려할 때 전력망 운영자는 전력 시스템에서 이 재생에너지 출력을 완전히 공급할 수 없다. 그 결과, 2021년 영국의 전력망 운영업체는 영국 연간 풍력 발전량의 4%인 7TWh을 줄였다. 독일에서는 2022년 약 5.4TWh가 축소되었으며, 이는 2019년 6.5TWh라는 최고 기록에서 감소한 수치다.

미국에서는 CAISO(California Independent System Operator)가 2020년 유틸리티 규모의 태양광 발전량을 1.4TWh로 줄었다. 이는 전체 생산량의 5%에 해당하는 수치다. 그러나, 운영자를 위한 Dispatching Options을 늘리고 에너지 저장, 부문 결합, 수요 측면 관리 및 향상된 예측 기술을 포함하여 재생 가능 전력의 축소를 줄이기 위한 핵심 솔루션이 존재한다.

에너지 저장 기술은 출력은 높지만 전력 수요가 낮은 시기에 생성된 잉여 에너지를 저장했다가 전력 수요가 높은 시기에 이를 사용할 수 있도록 함으로써 풍력 및 태양 에너지의 가변성을 해결하는 데 도움이 될 수 있다.

양수저장과 배터리를 다양한 재생에너지와 함께 통합하는 것은 전체 시스템에 더 나은 균형을 제공하고 에너지 저장 시스템을 통합한다(그리드 운영 사용자의 요구사항에 대응)

유틸리티 규모의 저장 용량은 메가와트시에서 수백 메가와트시까지 다양하다. 리튬이온(Li-ion) 배터리가 가장 많이 보급되었는데 이는 전기 자동차의 리튬 이온 배터리에 대한 수요 증가로 인해 기술 비용이 감소했고 널리 보급되며 성숙한 배터리 저장 유형이 되었다.

섹터 결합은 다양한 전기, 열 및 운송 애플리케이션 전반에 걸쳐 에너지 공급과 수요를 통합하며 더 높은 수준을 촉진한다. 가변적인 재생에너지가 요구하는 시스템 유연성을 제공하여 재생에너지 점유율을 높인다.

섹터 커플링은 피크 시간대에 과잉된 전력을 사용하여 낭비를 방지하고 시스템 운영을 최적화하여 효율성을 높인다. 이는 주로 전력 부문을 난방/냉방(열 수요 충족) 및 운송(전기 자동차 충전)과 연결함으로써 달성된다. 그러나, 전력을 수소로 변환하는 것과 같은 다른 응용 분야도 연구되고 있다.

디지털 기술은 모니터링, 분석, 모델링 및 자율적인 의사결정을 통합하여 에너지 시스템의 신뢰성을 향상할 수 있다. 수요 관리 측면 또는 수요 대응은 전력 시스템의 유연성을 향상하고 스마트 계량기, 제어 가능한 온도 조절기, 전기 히트 펌프 등 다양한 스마트 기기에 통합된 디지털 기술을 통해 촉진된다.

전기 사용 시간 요금, 실시간 가격 책정, 사전 예약 및 에너지 효율성 인센티브와 같은 접근 방식을 통해 그리드 운영자는 원칙적으로 재생 가능 에너지 생산량이 낮거나 낮은 기간 동안 에너지 사용을 전환하거나 줄임으로써 부하 프로필에 영향을 미칠 수 있다.

수요 측면 관리의 이점은 잠재적으로 두 가지다. 

1) 시스템 운영자는 피크 시간에서 피크 시간이 아닌 시간으로 에너지 사용을 전환함으로써 이익을 얻을 수 있다.

2) 소비자는 전력 사용 시기와 전력량을 조정하여(시스템 설계에 따라) 전기 요금을 줄일 수 있다.