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[미국] 물-에너지 넥서스에 대한 DOE 보고서 발간

미국 에너지부(Department of Energy; DOE)는 물-에너지 넥서스(water-energy nexus)를 위한 통합된 기회와 도전에 대한 새로운 보고서를 발간하였으며, 향후 관련분야를 위한 기초가 될 것으로 보인다.

오늘날 물과 에너지 시스템은 긴밀하게 연결되어 있다. 물은 모든 형태의 에너지 및 전기 생산에 사용되고 있다. 에너지는 추출, 운송 및 다양한 목적에 알맞은 품질로 공급하기 위해 사용된다.

2012년 미국의 1/3 이상이 심각한 가뭄에 직면했을 때, 이용할 수 있는 물의 제한으로 일부 발전소 및 다른 에너지 생산 설비의 가동이 원활하지 못했다. 미국 내 비전형적인 오일 및 가스 개발에 대한 최근 유행은 에너지와 수자원(water resources)의 관계에 대한 복잡성을 증가시키고 있다.

물-에너지 넥서스(water-energy nexus)는 DOE의 두 가지 우선정책을 통합한 것으로, 기후변화 및 에너지 안보가 그것이다. DOE는 수 년 동안 물-에너지 넥서스를 발표해왔다. 하지만, 이 작업은 역사적으로 개별 프로그램을 기반으로 한 것이고 물은 다른 많은 요소들 중 하나로 간주되었다.

2012년 가을, DOE는 여러 부서를 포괄하는 WETT(Water-Energy Tech Team)를 구성해 DOE 프로그램과 물 및 에너지 분야의 외부 핵심 관계 기관 등과의 유대관계를 증가시키고자 하였다. WETT는 `물-에너지 넥서스: 도전과 기회(Water-Energy Nexus: Challenges and Opportunities)`를 개발하여 이런 목표를 달성하고 다음 단계를 위한 방향을 제시하기 위한 분석 기반을 제공하고자 하였다.

물 가용성(water availability)은 물-에너지 넥서스의 미래에 영향을 미친다. 그 영향의 정도는 상당히 불확실하지만, 물 가용성 및 예측성은 온도, 강우패턴의 변화, 다양성의 증가 등에 의해 영향을 받게 된다. 강수 및 온도 경향의 변화는 수력발전, 바이오에너지 원료생산 및 다른 에너지 수요 분야에 더 국지적인 변동성을 일으킬 것이다. 온도 증가는 냉방을 위한 전기 수요를 증가시키며 열전발전의 효율과 용량을 저하시킨다. 이런 문제와 다양성은 에너지 기반구조의 유연성을 위협한다.

인구성장 및 이동 경향도 물 및 에너지 수요뿐만 아니라 연료 사용과 이용되는 에너지 기술에도 영향을 미친다. EIA(Energy Information Administration) 자료에 의하면, 발전소 및 냉각 시스템의 예견된 폐쇄와 신규 건설로 물 사용이 증가하고 사용되는 수자원도 다양화될 것으로 나타나 있다.

물-에너지 넥서스 보고서는 국지적, 지역적 및 국가적 차원에서의 기술 및 해결과제에 대해 소개하고 있다. 본 보고서는 물 희소화, 변동성 및 불확실성이 더욱 두드러지고, 미국 에너지 시스템의 취약성을 증가시킬 것으로 예견하고 있다. 본 보고서는 연구개발을 위한 여섯 가지 전략을 규정하고 있다.
(1) 에너지 생산, 전기 생산 및 최종 사용 시스템의 담수 이용 효율의 최적화
(2) 물 관리, 처리, 분배 및 최종 사용 시스템의 에너지 이용 최적화
(3) 에너지 및 물 시스템의 신뢰성 및 탄력성 향상
(4) 비전통적인 수자원의 안정적이고 생산적인 사용 향상
(5) 물 품질, 생태계 및 지진 영향에 따른 책임 있는 에너지 운용의 촉진
(6) 물과 에너지 시스템간의 생산적인 시너지 추구

본 보고서는 기술 연구, 개발, 시연 및 정착을 위한 다양한 기회들을 규정하고 있다.
(1) 버려지는 에너지의 회수
(2) 냉각 시스템 개선
(3) 탈염(desalination) 및 비전통적 수자원
(4) 폐수 무방출 시스템
(5) 장비 및 기기의 효율화

예를 들어 물 사용과 관련하여 열전기(thermoelectirc) 및 다른 냉각 요구의 감소를 위한 한 가지 방법은, 더 효율적인 전력 사이클(예, 밀폐형 재압축 Brayton cycle)을 통한 폐열 생성의 감소이다. 다른 방법으로는 열전물질의 사용, 열교환기술의 개선과 같은 폐열 이용의 향상과 저온 지열발전과 같은 것이다. 또한 전반적인 에너지 시스템에서 물 사용의 최적화 기회가 존재한다. 수압파쇄(hydraulic fracturing), 지열발전 등에서 가공 및 담수 대신에 대체 유체를 사용할 수도 있다. 탄소 포획, 바이오에너지 생산원료 공급 및 산업공정에서의 담수 이용 공정도 향상될 수 있다.

또한 냉각 시스템에서 공기 흐름 설계, 물 회수 시스템, 하이브리드 혹은 건조 냉각 및 블로우 다운(blowdown)에서 발생하는 물의 처리와 같은 기술의 개량을 통해서도 물 사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.

다음 단계를 위해 DOE는 연방정부, 주정부, 지방정부, 외국, 민간기업, 학교 연구소, 비정부기구 및 시민들과의 협력을 지속할 것이다. 통합과 협력을 통해 더 효과적인 연구, 개발, 핵심 기술의 적용, 정책의 조화 등이 가능해질 것이다.

그림 1> 하이브리드 Sankey diagram에서, 에너지 및 물 흐름의 크기를 보여주고 있다. 열전발전은 냉각을 위해 다량의 물을 사용하고 있고 열에너지를 전기로 전환하는 과정의 비효율성으로 인해 엄청난 양의 에너지를 소비하고 있음을 보여주고 있다. 물 및 에너지 사용의 정도는 발전 및 냉각 기술에 따라 차이가 크다.
그림 2> 물과 관련된 기회와 위협
그림 3> 에너지와 관련된 기회와 위협

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 / 2014년 6월 23일]

[원문보기]

DOE releases report on water-energy nexus

The US Department of Energy (DOE) released a new report that frames an integrated challenge and opportunity space around the water-energy nexus for DOE and its partners and lays the foundation for future efforts.

Present day water and energy systems are tightly intertwined. Water is used in all phases of energy production and electricity generation. Energy is required to extract, convey, and deliver water of appropriate quality for diverse human uses. Recent developments have focused national attention on these connections.

When severe drought affected more than a third of the United States in 2012, limited water availability constrained the operation of some power plants and other energy production activities. Hurricane Sandy demonstrated the compounding ramifications of vital water infrastructure losing power. The recent boom in domestic unconventional oil and gas development has added complexity to the national dialogue on the relationship between energy and water resources.

As the largest single consumer of water, agriculture competes directly with the energy sector for water resources. However, agriculture also contributes indirectly to the energy sector via production of biofuels. Both connections could be strained by increasing concerns over water availability and quality.

The water-energy nexus is integral to two DOE policy priorities: climate change and energy security. DOE’s program offices have addressed the water-energy nexus for many years; however, this work has historically been organized on a program-by-program basis, where water has been considered among a number of other factors.

In the fall of 2012, DOE initiated a department-wide Water-Energy Tech Team (WETT) to increase cohesion among DOE programs and strengthen outreach to other agencies and key external stakeholders in the water and energy sectors. WETT developed The Water-Energy Nexus: Challenges and Opportunities to provide an analytical basis from which to address these objectives and to provide direction for next steps.

Trends. Water availability will affect the future of the water-energy nexus, DOE says. While there is significant uncertainty regarding the magnitude of effects, water availability and predictability will be altered by changing temperatures, shifting precipitation patterns, increasing variability, and more extreme weather.

Changes in precipitation and temperature patterns will likely lead to more regional variation in water availability for hydropower, bioenergy feedstock production, and other energy needs. Rising temperatures have the potential to both increase the demand for electricity for cooling and decrease the efficiency and capacity of thermoelectric generation. These changes and variations pose challenges for energy infrastructure resilience.

Population growth and migration patterns will also determine water and energy needs, as well as changes in fuels used and energy technologies deployed.

According to Energy Information Administration (EIA) data, planned retirements and additions of electricity generation units and cooling systems will decrease water withdrawals, will likely increase water consumption, and will increase the diversity of water sources used.

Challenges. The Water-Energy Nexus: Challenge and Opportunities lays out an array of technical and operational challenges across the water-energy nexus at local, regional, and national scales. The report notes that water scarcity, variability, and uncertainty are becoming more prominent, potentially leading to vulnerabilities of the US energy system.

The report identifies six strategic pillars that will serve as the foundation for coordinating R&D:

Optimize the freshwater efficiency of energy production, electricity generation, and end use systems;
Optimize the energy efficiency of water management, treatment, distribution, and end use systems;
Enhance the reliability and resilience of energy and water systems;
Increase safe and productive use of nontraditional water sources;
Promote responsible energy operations with respect to water quality, ecosystem, and seismic impacts; and
Exploit productive synergies among water and energy systems.

Technology RDD&D opportunities. The report identifies a number of opportunities throughout the stages of technology research, development, demonstration, and deployment:

Recovery of dissipated energy;
Advances in cooling systems;
Alternatives to freshwater in unconventional oil and gas;
Desalination and nontraditional waters;
Net-zero wastewater treatment; and
Efficient equipment and appliances.

As examples of the role technology can play, DOE report notes that one approach to reduce thermoelectric and other cooling requirements, along with associated water use, is to reduce the generation of waste heat through more efficient power cycles (e.g., the recompression closed loop Brayton cycle). Another option is to increase the productive use of waste heat, such as throughthermoelectric materials, enhancements in heat exchanger technologies, or low temperature co-produced geothermal power. There are also opportunities to optimize water use in other parts of the overall energy system. Alternative fluids can replace freshwater in hydraulic fracturing, geothermal operations, and power cycles. Process freshwater efficiency in carbon capture, bioenergy feedstock production, and industrial processes can be improved.

The water efficiency of cooling systems can also be improved through advancements in technologies such as air flow designs, water recovery systems, hybrid or dry cooling, or treatment of water from blowdown.


Representative problem/opportunity spaces in water for energy. Click to enlarge.		Representative problem/opportunity spaces in energy for and from water. Click to enlarge.

To pursue next steps, DOE will work with partners, including other federal agencies, state and local governments, foreign governments, private industry, academic institutions, non-governmental organizations, and citizens. This integration and collaboration will enable more effective research, development, and deployment of key technologies; harmonization of policies where warranted; shared robust datasets; informed decision-making; and public dialogue.

[원문출처 : http://www.greencarcongress.com/2014/06/20140619-waterenergy.html]