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이제 그리드 신뢰성을 재고할 때입니다

이 기사는 “신뢰성에 대한 실제 이야기”라는 제목의 시리즈 중 첫 번째로, 100% 청정 전기를 향해 나아가고 기후가 안정적인 미래를 향한 길에서 더 많은 최종 용도를 전기화함에 따라 그리드의 신뢰성 요구 사항을 검토할 것입니다. 이 글은 Energy Innovation의 전기 프로그램 수석 정책 분석가인 Michelle Solomon이 작성했습니다.

여름이 시작되면 많은 사람들에게 햇빛과 휴가가 찾아오지만, 이러한 따뜻한 달에는 기후 변화로 인해 악화되는 증상인 극심한 더위가 점점 더 많이 동반됩니다. 광범위한 폭염으로 인해 사람과 기업은 안도감을 위해 에어컨을 가동하여 전력 수요를 증가시키고 전력망에 스트레스를 가중시킵니다. 동시에 이 전기는 점점 더 깨끗해지고 있습니다. 2022년에 미국은 전기의 40%를 무탄소 자원에서 생산했습니다. 15%는 풍력과 태양 에너지에서 생산되었으며, 두 가지 모두 현재 가장 저렴한 전력원이자 가장 빠르게 성장하고 있습니다.

다가오는 시즌에 대비하여 국가의 전력망을 준비하는 데 도움을 주기 위해 북미 전력망의 신뢰성과 보안에 대한 위험을 효과적이고 효율적으로 줄이는 임무를 맡은 비영리 규제 기관인 북미 전기 신뢰성 공사(NERC) —최근 연례 여름 신뢰성 평가를 발표했습니다.

그들의 보고서는 산불 및 가뭄과 관련된 위험 평가를 포함하여 예상되는 여름 전력 수요를 충족할 수 있는 미국과 캐나다의 능력을 조사하고 잠재적인 부족분을 극복하는 방법에 대한 단기 권장 사항을 제공했습니다.

NERC의 조사 결과는 지난 몇 년간의 추세를 따르며, 일반적인 여름 조건에서는 전국적으로 전력 공급이 충분하지만 폭염 기간에는 여러 지역에서 공급 부족 위험이 있다는 점을 강조합니다. NERC는 이러한 역동성의 요인으로 노후화되고 값비싼 화석 연료 발전소의 폐쇄를 언급했지만, “풍력, 태양광 및 배터리의 증가하고 빠른 배치가 올해 긍정적인 변화를 만든다”는 사실을 발견했습니다. 신뢰성을 강화하는 도구는 새로운 청정 발전 용량을 추가하는 것입니다.

보다 깨끗한 전기 시스템을 향해 나아가면서 정책 입안자, 공공 시설, 시스템 운영자 및 전기 소비자 모두의 신뢰성이 점점 더 중요해지고 있으며, 그럴 만한 이유가 있습니다. 생명은 계속 유지되는 전력에 달려 있습니다.

에너지 전환으로 인해 신뢰성 고려 사항 변경

우리의 그리드는 확실히 전환 과정에 있습니다. 청정 전기 및 전기 최종 용도로의 전환은 연방 정책 및 인센티브, 주의 청정 에너지 목표 및 유틸리티 리더십에 대응하여 속도를 높이고 있습니다. 2022년 풍력과 태양광은 새로운 유틸리티 규모 발전 용량의 74%를 차지한 반면, 새로운 천연가스 용량은 25%에 불과했습니다. 배터리 저장 용량도 지난해 전국적으로 4기가와트(GW)를 추가해 저장 용량이 거의 두 배로 늘어나는 등 급격한 증가세를 보였습니다. 전력 수요가 증가하고 비경제적인 화석 연료 발전소가 폐쇄됨에 따라 이렇게 빠르게 성장하는 재생 가능 에너지 및 저장 장치의 추가는 환영받습니다. 그리드 운영자가 그리드 신뢰성, 안전성 및 경제성에 영향을 주지 않고 전환을 관리하기 위해 신속하게 작업함에 따라 기타 수요 측면 리소스 및 운영 변경 사항도 도구 상자에 포함됩니다.

물리적 시스템에 대한 이러한 모든 변화와 함께 우리는 안정성에 대해 생각하는 방식도 발전시켜야 합니다. GridLab의 전무이사인 Ric O’Connell은 에너지 전환에서 가장 큰 오해 중 하나가 기저부하 전력, 즉 건설 비용은 비싸지만 운영 비용은 저렴하여 거의 항상 가동되는 발전소가 필요하다는 점을 강조합니다. O’Connell은 “우리는 협력하여 필요할 때 리소스 적절성 또는 에너지를 제공할 수 있는 그리드의 리소스 포트폴리오가 필요하다는 것을 알고 있지만 해당 포트폴리오에 반드시 기본 부하 또는 연중무휴 리소스가 포함될 필요는 없습니다. ”

이 새로운 패러다임으로의 전환은 과제를 제시하지만 우리는 깨끗한 그리드의 신뢰성에 대한 확신을 얻고 있습니다. O’Connell은 이전에는 “풍력이나 태양열과 같은 날씨에 의존하는 소량의 전력원을 그리드에 추가하는 것조차 두려워했습니다”라고 말했습니다. “이제 중서부, 텍사스, 캘리포니아의 크고 정교한 전력망은 한 번에 몇 시간 동안 정기적으로 70% 이상의 풍력 및 태양열 전력을 사용하여 가동됩니다.” 우리는 날씨에 의존하는 자원의 비율이 훨씬 더 높은 소규모 전력망의 사례를 입증했습니다. 카우아이 섬은 한 번에 최소 9시간 동안 100% 재생 가능 에너지로 운영할 수 있었습니다. 여러 연구에 따르면 미국 전력망은 현재 이용 가능한 기술을 통해 최대 80%의 청정 전기로 운영될 수 있습니다.

이 포트폴리오를 구축하려면 유틸리티, 규제 기관 및 전력망 운영자가 리소스 적절성과 운영 신뢰성에 대한 각 리소스의 기여도를 정확하게 평가할 수 있어야 합니다. 연방 에너지 규제청장인 Allison Clements는 최근 이렇게 말했습니다. “우리가 해결하려는 문제를 이해하고 정량화하는 데 필요한 데이터 중심 분석 작업으로 시작한다면 신뢰성 논의는 보다 비용 효율적인 솔루션으로 이어질 것입니다.”

신뢰성의 기본 요소

전력망이 여전히 화석연료가 많이 사용되는 시스템에서 깨끗하고 탄소가 없는 전력 생산으로 구동되는 시스템으로 전환하는 동안 우리가 대답해야 할 세 가지 질문이 있습니다. 첫째, 깨끗하고 무탄소 전력망이 오늘날과 동일하거나 더 나은 신뢰성을 제공할 수 있습니까? 둘째: 전환하는 동안 그리드를 신뢰할 수 있습니까? 셋째, 클린 그리드가 신뢰성을 훼손하지 않고 더욱 전기화된 최종 용도의 수요를 충족할 수 있습니까? 이 시리즈의 목표는 이러한 질문에 대한 대답이 “예”라는 점을 보여주는 것입니다. 그러나 올바른 계획과 정책이 없으면 그렇지 않습니다.

위의 질문에 답하기 전에 전기 신뢰성의 기본 사항(자주 사용되지만 항상 일관되지는 않는 용어)을 이해하는 것이 도움이 됩니다. 그리드의 전력을 안정적으로 보장하기 위해 4개의 개별적이지만 상호 연결된 부분이 있습니다. 첫 번째는 자원의 적절성이는 공급측 발전이나 수요측 분산 자원의 형태로 수요를 충족할 만큼 충분한 에너지를 보유하고 있음을 의미합니다. 두 번째는 안정적인 작동 전력의 생성, 송전 및 배전을 포함한 그리드의 모니터링 및 제어, 수요에 맞게 에너지 공급의 균형을 맞추고 송전선과 시설이 안전한 작동 한도 내에서 유지되도록 보장합니다. 세 번째는 회복력이는 전기 시스템과 기타 연결된 시스템(교통, 보건, 안전 등)이 정전 발생 시 신속하게 복구하거나 복구할 수 있는 능력입니다. 탄력성과 연결되는 것은 그리드 강화이는 그리드가 중단 없이 이러한 주요 상황을 견딜 수 있도록 돕는 수많은 기술 및 운영 솔루션을 의미합니다.

신뢰성은 개별 자원이 기여하는 전체 전력 시스템의 특성입니다. 모든 전력 공급원은 균형 잡힌 포트폴리오에서 서로를 보완해야 하는 다양한 특성을 가지고 있습니다. 자원 적절성과 관련하여 어떤 자원도 항상 100% 사용 가능하지 않습니다. 예를 들어, 태양광 및 풍력 출력은 하루, 연도 및 기상 조건에 따라 달라지며, 배터리와 송배전(T&D) 라인은 에너지가 생성된 시기와 장소에서 필요한 시기와 장소로 에너지를 이동합니다. 대규모 원자력 발전소는 일관된 전력을 제공하도록 건설되지만 필요할 때 공급을 조정하기 위해 전력을 늘리거나 줄이는 것이 어렵습니다. 가스 및 석탄 발전소는 일반적으로 “배치 가능”하거나 수요에 따라 이용 가능한 것으로 간주되지만 가동 중단을 겪을 수 있으며, 특히 최근 겨울 폭풍 Uri와 Elliott에서 볼 수 있듯이 극단적인 기상 현상으로 인한 가동 중단이 발생할 수 있습니다. 안정적인 전력망을 유지하려면 모든 자원의 기여도를 정확하게 평가하고 연중 내내 공급과 수요의 균형을 맞추는 발전 포트폴리오를 구축해야 합니다.

전기 공급과 수요가 일치하면 전기는 일정한 주파수와 전압으로 그리드를 통해 흐르지만 하루 종일 공급과 수요가 변하기 때문에 주파수와 전압이 변동되기 시작할 수 있습니다. 그리드 서비스는 주파수 응답, 전압 조절 등과 같은 안정성을 유지하기 위해 다양한 리소스가 제공하는 기여입니다. 역사적으로 가스, 석탄 및 원자력으로 구동되는 회전 터빈은 안정성을 보장하는 데 도움이 되었지만 대중의 수용, 정책, 금융 및 경제로 인해 기존 자원이 퇴출됨에 따라 새로운 솔루션이 이 역할을 채우기 위해 경쟁할 수 있습니다. 회전하는 터빈과 비교하여 그리드 서비스를 제공하는 풍력, 태양광 및 배터리의 능력은 Milligan Grid Solutions의 아래 그림에 자세히 나와 있습니다.

인버터 기반 및 동기식 자원을 통해 제공되는 그리드 서비스입니다. 출처: Milligan Grid Solutions.

NERC, 전기 공급자, 규제 기관 및 시스템 운영자는 신뢰성의 각 측면에 대해 책임을 공유합니다. NERC는 국가 자원의 적절성을 평가하고, 운영 신뢰성 표준을 설정하고, 해당 표준 준수 여부를 모니터링하며, 준수하지 않는 신뢰성 당국에 처벌을 가할 수 있습니다. 전력 공급자는 미래 자원 혼합을 계획하고 서부와 남동부에서는 대량 전력 시스템을 운영합니다.

신뢰성을 유지하고 전환이 최대한 원활하게 진행되도록 정책 입안자는 새롭고 깨끗한 리소스를 구축하고 이를 그리드에 연결하는 데 대한 장벽을 제거해야 합니다. O’Connell에 따르면 현재 미국 발전 용량의 거의 두 배에 달하는 전국의 상호 연결 대기열에서 대기 중인 새로운 송전선은 “충분한 새로운 청정 에너지를 추가하는 데 가장 큰 장벽”이며 “정책은 우리가 계획하는 방식에서 중요한 역할을 합니다.” , 허가하고 전송 비용을 지불합니다. 좋은 정책은 우리가 필요한 기간에 전송을 구축할 수 있다는 것을 의미하므로 청정 에너지가 가동되고 신뢰성을 유지할 수 있습니다.” 추가 연방 리더십이 필수적이지만 최근 부채 협상에서 여러 전송 개혁 정책을 고려했지만 최종 결과에는 실질적인 조치가 부족했습니다. 열 펌프, 전기 자동차 등 더욱 전기화된 최종 용도를 지원하는 데 필요한 배전 시스템 업그레이드는 예상하지 못한 경우 규제 및 유틸리티 프로세스로 인해 방해를 받을 수도 있습니다.

탈탄소화와 전기화라는 공동 목표를 지원할 수 있는 깨끗하고 안정적인 전력망은 가능하지만 저절로 이루어질 수는 없습니다. 이 시리즈의 나머지 부분에서는 청정 에너지를 사용한 신뢰성 서비스의 미래, 그리드 신뢰성을 유지하기 위한 공급 및 수요 측면 접근 방식, 극한 기후 및 기후 변화의 영향, 그리고 깨끗하고 확고한 힘이 필요합니다.