최근 발표 된 연방 배출 감축 목표, 국가 전력 부문 탈탄 소화 추진, 풍력 및 태양열 비용 급감으로 미국은 많은 양의 재생 에너지를 신속하게 배포 할 준비가되어 있습니다.
소규모로 보면 수백 개의 미국 도시, 주, 기업이 이미 지역 목표 100%를 설정하기 위해 과감한 조치를 취했습니다. 재생 에너지—그리고 로스앤젤레스 100% 재생 가능 에너지 연구(LA100)와 같은 최근 분석을 통해 신뢰할 수 있는 100% 재생 가능 전력망이 실현 가능하다는 확신이 커지고 있습니다.
그러나이 최종 목표를 미국 전체로 확장하는 것은 똑같이 광범위한 도전 과제를 제시합니다. 그리고 그 타당성은 최근 몇 년 동안 에너지 연구 커뮤니티에서 열렬한 논쟁의 주제였습니다. 이제 미국 에너지 부 (DOE)의 NREL (National Renewable Energy Laboratory)과 DOE의 에너지 효율 및 재생 가능 에너지 국 (EERE)에서 온 17 명의 전력 시스템 전문가 팀이 새로운 의견을 제시하고 있습니다.
이 연구는 가변 재생 에너지를 배포 한 실제 경험, 문헌 및 지난 2012 년 동안 다양한 규모로 이러한 문제를 자세히 연구 한 팀의 경험에서 도출 한 관점을 제공합니다. 2021 년 전국 규모의 재생 가능 전기 선물 연구에서 100 년 LAXNUMX에서 작업합니다.”라고 NREL 수석 에너지 분석가이자이 논문의 수석 저자 인 Paul Denholm은 말했습니다. "여기서 우리의 초점은 미국 전력 시스템에 있지만, 해결 된 많은 문제와 교훈은 다른 지역에보다 일반적으로 적용하기 위해 배웠습니다.이 문제는 해결하기 위해 연구 커뮤니티 간의 많은 협력이 필요한 복잡하고 다양한 분야의 과제입니다."
가장 먼저 할 일 : 100 % 재생 가능한 그리드가 의미하는 바 정의
국가 규모의 100% 재생 가능한 전력망을 달성하기 위한 과제를 살펴보면 먼저 해당 문구가 의미하는 바를 정확하게 정의하는 것이 중요합니다. 이 논문에서 저자는 정의의 두 가지 주요 측면을 설명합니다. technology 유형 및 시스템 경계.
"기술 유형은 본질적으로 재생 가능이라는 단어의 정의를 설정합니다. 이는 연구 연구의 매개 변수 또는 재생 가능 목표 또는 정책을 설정하는 커뮤니티의 우선 순위에 따라 달라질 수 있습니다."라고 Denholm은 말했습니다. “여기서 우리는 두 가지 일반적인 유형의 기술을 구별합니다. 단기 기상 조건에 의존하고 일반적으로 풍력 및 태양 광 발전 [PV]과 같은 인버터를 사용하는 가변 기술이라고 부르는 기술입니다. 가변성이 적거나 전혀없는 것들은 일반적으로 수력, 바이오 매스, 지열, 집중 태양열을 포함한 전통적인 동기식 발전기를 사용합니다.”
이 백서에서 100 % 재생 가능 시스템은 태양 광 PV 및 풍력과 같은 가변 기술에만 국한되지 않습니다. 그러나 비가 변 재생 가능 자원은 일반적으로 지리적으로 제한되어 있기 때문에 저자는 일반적으로 가변 자원이 국가 규모에서 100 % 재생 가능 그리드의 많은 부분을 차지할 것이라고 가정합니다.
시스템 경계를 정의 할 때 작성자는 그리드가 항상 100 % 재생 가능 에너지 공급으로 물리적으로 작동하도록 요구합니다. 이것은 재생 가능 에너지 크레딧, 상쇄 또는 기타 재정 메커니즘을 사용하여 100 % 재생 가능 목표를 달성하는 시스템, 비즈니스 또는 기업과 대조됩니다.
우리가 알고있는 것, 우리가 알고 있다고 생각하는 것, 우리가 모르는 것
가장 중요한 질문을 구성하고 솔루션에 대한 연구 의제를 제안하기 위해 저자는 1) 실제 경험을 기반으로 알고있는 것, 2) 우리가 알고 있다고 생각하는 것의 세 가지 라인을 따라 미국 전기 시스템에서 재생 에너지의 증가하는 기여를 탐구합니다. 그리드 계획 및 운영 연구를 기반으로 3) 추가 연구 또는 경험 없이는 우리가 모르는 것.
"우리는 기술 개발 및 엔지니어링을 통해 해결할 수 있다고 생각하는 질문에 중점을두고 있지만, 부지 고려에서 에너지 형평성 문제, 정책, 규제 및 시장 설계 문제에 이르기까지 다른 주제가 매우 중요하다는 것을 알고 있습니다."라고 Denholm은 말했습니다. "우리는 전력 시스템 전환의 다른 복잡한 측면을 더 잘 해결할 수 있도록 기술 및 경제 문제를 해결하기위한 경로를 밝히고 싶습니다."
100 % 재생 가능 그리드의 최종 목표에만 집중하는 대신, 팀은 배포 증가에 따라 재생 가능 에너지 통합의 과제가 어떻게 변하는 지 살펴 봅니다. 이는 부분적으로는 국가 규모의 100 % 재생 가능 시스템에 대한 상세한 엔지니어링 분석이 부족하기 때문이지만 목표 달성을위한 실제 계획이 백지 상태에서 개발되지 않았기 때문입니다. 강력한 100 % 재생 가능 솔루션은 기존 전력 시스템 자산을 최적으로 사용하는 방법을 고려해야합니다.
Denholm은“궁극적으로 재생 에너지의 엔지니어링 과제, 비용 및 이점은 세대 구성의 점유율에 따라 달라집니다. "100 %는 연속체의 한 지점에 불과하므로 모든 수준의 재생 가능 배포에서 비용과 이점을 탐색하는 것이 유용합니다."
이 프레임 워크 내에서이 문서는 모든 기간에 걸쳐 100 % 재생 가능 에너지를 달성하는 기술 경제적 과제를 1) 공급과 수요의 균형을 경제적으로 유지 (균형 과제라고 함) 및 2) 기술적으로 안정적이고 안정적인 설계로 구성합니다. 풍력 및 태양열과 같은 대체로 인버터 기반 자원을 사용하는 그리드 (인버터 챌린지라고 함).
균형 문제 : 경제적으로 수요와 공급 일치
Balance Challenge는 전원 시스템이 예상치 못한 정전을 견디는 데 필요한 중요한 몇 초에서 몇 분까지의 규모부터 예정된 발전소 중단 및 유지 보수에 맞는 계절적 규모까지 다양한 시간 척도에서 경제적으로 공급과 수요의 균형을 맞출 수 있도록하는 것입니다. 수요가 적은 기간.
"가변 리소스는 가변적이므로 본질적으로 다양한 시간 척도에 따라 변동합니다."라고 Denholm은 말했습니다. “우리가 최고 수요시기와 낮 동안 태양열과 풍력 발전이 가장 높은시기 사이에 일주 불일치라고 부르는 것이 있는데, 이는 오리 곡선과 같은 현상에서 볼 수 있습니다. 그 외에도 풍력, 태양열 및 수요 패턴간에 계절적 불일치가 심해 해결하기가 훨씬 더 어렵습니다.”
이 백서의 차트는 재생 에너지의 보급이 증가함에 따라 예상 비용과 과제가 어떻게 변할 수 있는지 측면에서 균형 과제를 개념적으로 설명합니다. 현재 수준에서 재생 가능 에너지는 유틸리티 산업이 시간당 및 하위 시간당 변동성을 비용 효율적으로 처리 할 수 있었기 때문에 미국의 여러 지역에서 전통적인 발전 소스와 비용 경쟁력이 있습니다.
이 수준을 넘어서, 우리는 80 % 재생 에너지 범위에서 연간 기여도에 도달하기 위해 일주 불일치 문제를 비용 효율적으로 해결하는 방법을 연구 한 두 번째 영역에 도달합니다. 그러나이 시점 이후의 세 번째 영역에서 계절 불일치 문제로 인해 아직 대규모로 배포되지 않은 기술이 필요할 수 있으므로 비용과 요구 사항이 명확하지 않습니다.
인버터 과제 : 인버터 기반 리소스에 의존하는 안정적이고 안정적인 그리드 설계
인버터 챌린지는 다양한 시간 척도에서 공급과 수요의 균형을 맞추는 점에서 Balance Challenge와 유사합니다. 그러나 인버터 챌린지는 밸런스 챌린지와 관련된 광범위한 경제 문제와는 대조적으로 특정 엔지니어링 고려 사항 집합에 좁게 초점을 맞추고 있다는 점에서 다릅니다.
인버터 과제는 인버터 기반 자원 (IBR)이 지배하는 그리드로의 전환과 관련된 문제에 관한 것입니다. 주로 풍력 및 태양 광 발전과 배터리 저장 장치가 있습니다.
미국에서 대부분의 전기 에너지는 현재 동기식 발전기에 연결된 터빈에서 파생됩니다. 발전기는 전기적으로 결합되어 동일한 주파수로 회전합니다. 안정적이고 안정적인 그리드를 제공하기 위해 시스템 기획자와 운영자는 회전 관성 (큰 회전 질량에 저장된 운동 에너지) 및 그리드에 많은 양의 전류를 주입하는 기능을 포함하여 동기식 발전기의 몇 가지 고유 한 특성을 활용했습니다. 이러한 특성은 전통적인 전력 시스템 안정성 및 보호의 기초입니다.
NREL의 전력 시스템 엔지니어링 이사 인 Ben Kroposki는“인버터 기반 리소스는 물리적으로 결합 된 관성 응답의 부족과 역사적으로 오류 조건에서 많은 양의 전류를 제공 할 수있는 제한된 능력을 포함하여 동기식 발전기와 매우 다른 특성을 가지고 있습니다. 논문의 중앙 및 공동 저자. 따라서 인버터 기반 리소스에 더 많이 의존하기 때문에 현재 동기식 발전기가 제공하는 서비스를 제공해야합니다. 이는 전력 시스템이 제어되고 보호되는 방식에 변화를 의미 할 수 있습니다.”
그래서 우리가 모르는 것은 무엇입니까?
이 백서는 100 년 내내 전국적인 규모로 XNUMX % 재생 에너지에 가까워 지거나 달성하는 데있어 여전히 해결되지 않은 중요한 질문을 포함하여 Balance Challenge와 Inverter Challenge를 자세히 살펴 봅니다.
"비용이 급격히 증가하거나 신뢰성이 손상되기 전에 재생 가능 배치를 얼마나 늘릴 수 있는지에 대한 간단한 대답은 없습니다."라고 Denholm은 말했습니다. “100 %를 향한 경로의 '마지막 몇 퍼센트'에 관해서는 국가 규모에서 Balance Challenge와 Inverter Challenge를 모두 해결하기위한 명확한 비용 효율적인 경로에 대한 합의가 없습니다.
“연구에서 그리드가 '파괴되는'특정 기술적 임계 값을 찾지 못했으며, 미래에 관해서는 많은 비선형 성과 알려지지 않은 미지의 요소가 있기 때문에 이전 비용 분석에서 외삽 할 수 없습니다. 우리가 아직 모른다는 것을 알고 있습니다.”
저자는 재생 가능한 공급이 모든 기간에 걸쳐 수요 패턴과 일치하는지 확인하는 데 도움이 될 수있는 기술 제품군을 평가하기 위해 추가 연구가 필요하며, 동기식 기계에 의존하는 그리드에서 하나로 그리드를 전환하려면 상당한 엔지니어링 및 설계가 필요하다고 말합니다. 그것은 인버터를 기반으로합니다.
여기서 우리는 어디로 가야합니까? 협업 및 지속적인 재평가 요청
미국의 높은 재생 가능 전기 미래를 실현하려면 100 % 재생 가능 전기를 얻는 데 영향을 줄 수있는 자원 접근, 환경, 시장 및 인간 행동 문제를 해결하는 등 균형 및 인버터 문제를 해결하는 것 이상이 필요합니다. . 이는 어느 한 기관으로도 해결할 수없는 복잡하고 다양한 분야의 과제이며 기술 연구 커뮤니티, 학계, 실험실 및 산업 전반에 걸친 협력이 필요합니다.
NREL의 전략적 에너지 분석 센터의 이사이자이 논문의 공동 저자 인 Dan Bilello는“우리 논문의 답이없는 질문은 비용 효율적인 100 % 재생 가능 시스템을 달성하는 데 필요한 분석, 기술 R & D 및 엔지니어링에 대한 연구 의제를 제공합니다. . "미래 연구를 발전시키기 위해 새로운 도구와 데이터 세트가 필요할뿐만 아니라, 특히 다양한 분야에서 연구자와 연구 기관 간의보다 통일 된 용어와 촉진 된 상호 작용이 필요합니다."
또한 저자는 100 % 재생 가능한 전기를 통하든 저탄소 기술의 다른 조합을 통하든 국가 배출 감소 및 탈탄 소화 목표를 향한 가장 효과적인 경로를 지속적으로 재검토 할 필요가 있다고 지적합니다.
Denholm은“현재로서는 재생 에너지로만 전력을 공급하는 그리드에서 이러한 환경 적 이점을 달성하기위한 경제적 기반을 구축하기가 어렵습니다. “전체 배출량을 경제적으로 줄이는 것은 매우 높지만 잠재적으로 100 % 미만인 재생 가능한 발전을 달성하는 것과 동시에 탈탄 재생 불가능하지만 저탄소 자원을 혼합하여 유지합니다.”
LA100 연구는 국가 규모는 아니지만 차량 및 건물 부문에 전기를 공급하면 대기 질을 크게 개선 할 수 있으며 이러한 이점을 실현하는 것은 주로 특정 재생 에너지와 관계없이 높은 에너지 효율과 전기 화를 달성하는 문제라는 것을 발견했습니다. 전력 부문의 에너지 경로. LA100은 또한 기술 제한으로 인해 최소한의 점진적 배출 감소로 재생 가능 에너지로 전력 수요의 마지막 10 %를 충족 할 때 비용이 증가한다는 사실을 발견했습니다.
"미래를 내다보고, 지속적인 연구, 분석 및 기술 솔루션에 대한 적응 가능한 접근 방식은 전력 산업을 안내하고 100 % 재생 에너지에 대해 이야기 할 때 궁극적으로 목표로 삼고있는 탈탄 소화 목표를 달성 할 확률을 높이는 데 도움이 될 것입니다."라고 Denholm은 말했습니다.