전력망에 더 많은 태양광 에너지를 활용하기 위한 모델

유연한 원자력 발전에 높은 태양광 발전 시나리오를 사용한 경우의 비용예측

2006년, 미국에서 연간 평균 0.03% 정도 전력만이 단절되었다. 현재, 석탄, 원자력 및 가스를 이용한 발전소로부터 대부분의 전력을 얻는 시스템으로 필요 시 발전소를 가동 혹은 중단시킬 수 있다.

햇빛이 비치거나 바람이 불 때만 전기를 만들 수 있는 재생에너지원을 이용해 더 많은 전기를 생산함에 따라, 미국 에너지부 산하 아르곤국립연구소(Argonne National Laboratory) 과학자들은 높은 정도의 전기 신뢰성을 유지하기 위한 발전소 가동에 관한 전력시스템 모델링을 수행하였다.

전기를 저장할 수 없다는 사실을 감안한다면, 99.97%의 시간 동안 전기를 무난히 사용할 수 있다는 것은 매우 인상적인 일이다. 사실상, 원할 때 언제든지 전기를 사용할 수 있도록 만드는 것이 바람직할 것이다. 즉, 전력회사들은 발전소 수와 수요 간에 균형을 신중하게 유지해 얼만큼의 전기를 생산하고 발전소를 가동해야 하는지 결정해야 한다. 이것을 부하균형(load balancing)이라고 부른다. 부하균형의 중요한 점 중 한 가지는 필요할 것으로 예측되는 것보다 항상 더 많은 양의 전기를 생산해야 한다는 점이다. 그렇지 않으면 갑작스런 수요 증가나 고장으로 인해 정전(blackouts)이 발생할 수 있기 때문이다.

풍력이나 태양열과 같은 재생에너지원을 전력원에 포함시킬 수는 있지만, 이런 재생에너지원은 수요에 따라 항시 사용할 수 있지는 못하다는 문제가 있다. 따라서 에너지 믹스(mix)에 더 많은 재생에너지를 추가하려면, 발전설비의 용량 또한 증가시켜야 한다. 예를 들어 중요한 시기에 구름이 많거나 바람이 없을 때, 석탄이나 천연가스를 이용한 기존의 발전소 형태를 추가로 가동해야 하기 때문이다.

하지만 이것은 비용 측면에서나 환경적 측면에서 불리하기 때문에, 소비자의 수요를 신뢰성 있기 충족시킬 만큼 충분한 전기를 생산하면서도 발전소에서의 생산량을 최소화하는 것이 바람직하다. 이것을 어떻게 해결하는가는 모든 전력회사가 가진 과제이기도 하다.

태양광 발전단지(solar farm)의 경우, 수 일 전에 예측치를 바탕으로 가동 결정을 하게 된다. 그러나 만약 갑자기 구름이 많아지거나 사람들의 에어컨 사용량이 증가하는 등으로 예측치를 벗어나게 된다면, 태양을 기반으로 하는 시스템은 불안정하고 정전에 취약하고 더 많은 비용이 발생하게 될 것이다.

전력회사들은 오랫동안 예측을 해 왔다. 그러나 전력회사는 주로 수요를 예측하는 것이었기 때문에, 태양광 발전을 전력공급에 포함한다는 것은 공급 또한 예측해야 한다는 부담이 존재하게 된다.

최근 연구에서 Botterud 등은 전력회사의 실제 자료를 사용하여 예측 오차(forecasting error)의 패턴을 분석하고 에너지 믹스에 더 많은 태양에너지를 포함시키기 위한 비용을 감소시키기 위한 가능한 시나리오들을 모델링하였다. 남서부 전력회사인 Arizona Public Service Company의 가동자료를 이용해, 연구팀은 9% ~ 17%의 태양에너지를 포함하는 경우에서의 다양한 시나리오를 가진 전력망을 모델화했다.

연구팀은 예측 오차 및 태양광 발전의 변동성을 예측하기 위한 프레임워크를 구축하였으며, 대상 기간은 하루 전 및 한 시간 전의 경우 모두를 포함하였다. 가장 비용이 많이 사용되는 경우는, 한 시간 전에 갑자기 발생한 경우로 추가적으로 발전소를 갑자기 가동해야 하기 때문이다.

재생에너지를 기존 전력망에 포함시킴에 있어서 유연성(flexibility)이 핵심 사항이다. 보통, 이런 유연성은 공급측면(예를 들어 유연한 열 발전기)뿐만 아니라, 수요 측면도 동시에 고려해야 한다.

발전소 간에 전력을 거래하는 것도 또한 중요하며, 이는 수요가 낮고 태양에너지에 의한 발전량이 매우 높을 때 그러하다. 이로서 전기 생산과 수요의 최고점과 최저점의 격차를 감소시키는데 도움을 주게 된다. 본 연구는 발전소에 재생에너지를 이용한 전력생산량을 포함함에 따른 가동 비용의 증가를 예측하는 모델을 소개하고 있으며, 발전소가 비용을 관리하기 위한 옵션도 제시해 주고 있다.

Botterud 등은 수요 측면에서의 소비자의 유연성을 좀 더 심도 있게 조사할 계획이며, 이것이 에너지 믹스에 얼마나 더 많은 재생에너지를 포함시킬 수 있을지도 가늠하는데 도움을 줄 것이다. 예를 들어, 소비자들에게 그들의 에너지 사용과 전기 가격에 대해 모니터링할 수 있는 도구를 주게 되면, 소비자들은 중요한 시점(즉, 전기 가격이 높은 시점)에서 전기 사용량을 스스로 감축하는 것을 가능하게 해 줄 것이다.

유연성을 부여하는 또 다른 가능성은 개선된 가동 전략이다. 예를 들어, 전력회사에서 태양광 발전에 대한 확률적 예측을 사용한다면, 날씨 예측의 불확실성에 기반하여 전기 생산량에 변화를 줄 수 있다. 만약 구름이 발생할 확률이 매우 낮다면, 그날 오후에 발전량을 적게 가져갈 수 있게 될 것이다.

목적은 태양광 발전의 통합비용을 감소시키기 위해 광범위한 자료를 사용할 수 있도록 모델을 구축하는 것이다. 본 연구가 독특한 이유는, 사용된 자료가 상세하고 방대하다는 점이다. 연구팀은 더 많은 재생에너지를 활용할 수 있도록 전력회사를 도울 수 있는 연구결과물을 제공하는 것이다.

본 연구결과는 "Integrating Solar PV in Utility System Operations"라는 제목으로 아르곤국립연구소 웹사이트에 게재되어 있다. 본 연구에 참여한 다른 저자는 Zhi Zhou 및 Jing Wu이다. 본 연구는 로렌스버클리 국립연구소 및 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)와 함께 수행하였으며, 미국 에너지부의 SunShot Initiative가 자금지원을 하였다.

태양광 발전 통합비용과 성능 균형 간의 상쇄관계

KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 전력망에 더 많은 태양광 에너지를 활용하기 위한 모델