[미국]물 소비량 절약에 도움을 주는 천연가스
매년 가장 많은 전기를 생산하고 있는 텍사스 주에서 진행된 한 연구에 따르면 석탄에서 천연가스 발전으로의 전환은 수자원을 절약하면서 가뭄에 대한 취약성도 보완할 수 있는 것으로 나타났다.
수압파쇄(Hydraulic Fracturing) 기술의 도입은 천연가스의 폭발적인 붐을 가져왔지만 다량의 물 소비도 필요하게 되었다.
그러나 텍사스 주의 연구에 따르면 석탄에서 천연가스 발전으로의 전환이 물 소비 전체효율성 측면에서 다량의 물 소비 문제를 쉽게 보완할 수 있는 것으로 나타났다.
연구진은 천연가스 발전으로의 변화를 통해 절감할 수 있는 물의 양은 수압파쇄 기술로 인한 물 소비보다 25~50배 정도 많은 것으로 추정하였다. 또한 천연가스 발전은 물을 소비하지 않는 풍력발전을 보완하기 위한 피킹 발전소(Peaking Plant) 역할을 수행함으로써 가뭄에 대한 문제를 해결하는데 도움을 줄 것으로 보았다.
텍사스대학 오스틴캠퍼스(University of Texas at Austin)의 한 연구팀은 이와 같은 연구결과를 Environmental Research Letters에 발표하였다.
연구진은 2011년을 기준으로 텍사스 주가 천연가스를 추출하기 위한 수압파쇄기술 도입으로 다량의 물을 소비하더라도 석탄화력발전소 대신 천연가스발전소를 활용한다면 320억 갤런의 추가적인 물을 소비했을 것이라 추정하였다.
수압파쇄는 물, 모래 및 화학물질을 정(Well) 안의 천연가스가 존재하는 암석지대에 고압으로 투입하여 쉽게 흐르도록 하는 기술이다. 수압파쇄와 수평 드릴링 기술은 현재 미 천연가스 생산 붐을 일으키는 원동력이 되고 있다.
환경학자 및 다른 이들은 이 기술을 적용하기 위해 필요한 대량의 물 때문에 염려하고 있다. 특히 수압파쇄기술은 빠르게 확장되고 있는 반면 3년째 지속되는 심각한 가뭄으로 물 수급은 점차 줄고 있는 텍사스 주에서 이러한 문제가 강조되고 있다.
대부분의 발전소는 냉각수에 대한 의존도가 높기 때문에 가뭄시 전력수급이 취약해질 수 있다. 이번 연구를 담당하고 있는 텍사스 대학의 Bridget Scanlon는 "수압파쇄 기술은 천연가스 생산을 증대하면서 대량의 물이 필요한 석탄발전 기술의 전환을 유도하여 텍사스 주 전력시스템을 보다 안정적으로 만들 것"이라고 밝혔다.
?텍사스 발전소의 가뭄 저항성을 연구하기 위해 Scanlon과 연구진은 EIA(Energy Information Administration), TCEQ(Texas Commission on Environmental Quality and the Texas Water Development Board)로부터 텍사스 주 423개 발전소에 대한 물소비 데이터를 확보하였다.
지난 1990년대 이후 텍사스에 지어진 발전소의 대부분은 냉각탑을 갖고 있는 천연가스 복합발전(Natural Gas Combined Cycle, NGCC)이었다. 이 복합발전소는 기존 스팀 터빈(Steam Turbine) 기술 대비 보다 효율적으로 연료와 냉각수를 활용한다. 텍사스 발전소의 약 1/3은 NGCC 방식으로, 석탄스팀터빈(Coal Steam Turbine, CST) 발전 대비 약 1/3의 물만을 소비한다.
텍사스 주에 있는 다른 주요 천연가스 발전소는 천연가스연소터빈(Natural Gas Combustion Turbine, NGCT) 발전소이다. NGCT 발전소는 풍력에너지를 지원하기 위한 피킹전력(Peaking Power)을 공급함으로써 발전과 관련한 물 소비를 절감하는데 도움이 된다.
풍력터빈은 냉각수가 필요하지 않지만 전기가 필요한 시간에 언제나 바람을 이용할 수 없다. NGCT 발전기는 갑작스러운 전력수요 변화를 보완할 수 있도록 몇 초 이내에 전기를 공급할 수 있다. NGCT 발전과 풍력발전을 연계함으로써 석탄화력발전소와 비교했을 때 물 소비를 절감할 수 있는 것이다.
이번 연구는 텍사스 주에 초점을 맞추어 실시되었지만, 이 결과가 미국 내에 있는 다른 주에도 적용 가능할 것으로 저자는 보고 있다. 예를 들어, 수압파쇄기술의 확장, 냉각탑을 보유한 NGCC 발전설비, 기존 석탄스팀터빈발전소 등이 일반적으로 유사하다.
주 전기 그리드를 담당하고 있는 텍사스 전기 신뢰성 위원회(Electric Reliability Council of Texas)는 현재 시장 조건이 2029년까지 지속된다면 새로운 발전의 65%는 NGCC 발전소, 35%는 천연가스터빈발전소에서 얻어질 것으로 추정하고 있다. 천연가스터빈발전소는 냉각수를 사용하지 않지만 NGCC 발전소 대비 에너지 효율은 더 낮다.
Scanlon은 "텍사스 주는 발전에 사용되는 물의 양을 지속적으로 줄이고 있다"고 밝혔다. 수압파쇄 기술은 텍사스 주 물소비의 1% 이하를 차지하는 것으로 나타났다. 그러나 2011년 연구에 따르면 일부 지역의 집중도가 높았기 때문에 지역 물 수급에 문제가 되는 것으로 나타났다.
천연가스는 일반적으로 생산된 지역으로부터 원거리에서 사용되고 있기 때문에 천연가스 발전으로의 전환에서 얻어지는 물 사용량 절감이 수압파쇄로 인해 더 많은 양의 물을 소비하는 지역에 도움을 주지 못할 수도 있는 것이다.
[원문보기]
Natural Gas Saves Water, Even When Factoring in Water Lost to Hydraulic Fracturing
A new study finds that in Texas, the U.S. state that annually generates the most electricity, the transition from coal to natural gas for electricity generation is saving water and making the state less vulnerable to drought.
Even though exploration for natural gas through hydraulic fracturing requires significant water consumption in Texas, the new consumption is easily offset by the overall water efficiencies of shifting electricity generation from coal to natural gas.
The researchers estimate that water saved by shifting a power plant from coal to natural gas is 25 to 50 times as great as the amount of water used in hydraulic fracturing to extract the natural gas. Natural gas also enhances drought resilience by providing so-called peaking plants to complement increasing wind generation, which doesn't consume water.
The results of The University of Texas at Austin study are published this week in the journal Environmental Research Letters.
The researchers estimate that in 2011 alone, Texas would have consumed an additional 32 billion gallons of water -- enough to supply 870,000 average residents -- if all its natural gas-fired power plants were instead coal-fired plants, even after factoring in the additional consumption of water for hydraulic fracturing to extract the natural gas.
Hydraulic fracturing is a process in which water, sand and chemicals are pumped at high pressure into a well to fracture surrounding rocks and allow oil or gas to more easily flow. Hydraulic fracturing and horizontal drilling are the main drivers behind the current boom in U.S. natural gas production.
Environmentalists and others have raised concerns about the amount of water that is consumed. In Texas, concerns are heightened because the use of hydraulic fracturing is expanding rapidly while water supplies are dwindling as the third year of a devastating drought grinds on. Because most electric power plants rely on water for cooling, the electric power supply might be particularly vulnerable to drought.
"The bottom line is that hydraulic fracturing, by boosting natural gas production and moving the state from water-intensive coal technologies, makes our electric power system more drought resilient," says Bridget Scanlon, senior research scientist at the university's Bureau of Economic Geology, who led the study.
To study the drought resilience of Texas power plants, Scanlon and her colleagues collected water use data for all 423 of the state's power plants from the Energy Information Administration and from state agencies including the Texas Commission on Environmental Quality and the Texas Water Development Board, as well as other data.
Since the 1990s, the primary type of power plant built in Texas has been the natural gas combined cycle (NGCC) plant with cooling towers, which uses fuel and cooling water more efficiently than older steam turbine technologies. About a third of Texas power plants are NGCC. NGCC plants consume about a third as much water as coal steam turbine (CST) plants.
The other major type of natural gas plant in the state is a natural gas combustion turbine (NGCT) plant. NGCT plants can also help reduce the state's water consumption for electricity generation by providing "peaking power" to support expansion of wind energy.
Wind turbines don't require water for cooling; yet wind doesn't always blow when you need electricity. NGCT generators can be brought online in a matter of seconds to smooth out swings in electricity demand. By combining NGCT generation with wind generation, total water use can be lowered even further compared with coal-fired power generation.
The study focused exclusively on Texas, but the authors believe the results should be applicable to other regions of the U.S., where water consumption rates for the key technologies evaluated -- hydraulic fracturing, NGCC plants with cooling towers and traditional coal steam turbine plants -- are generally the same.
The Electric Reliability Council of Texas, manager of the state's electricity grid, projects that if current market conditions continue through 2029, 65 percent of new power generation in the state will come from NGCC plants and 35 percent from natural gas combustion turbine plants, which use no water for cooling, but are less energy efficient than NGCC plants.
"Statewide, we're on track to continue reducing our water intensity of electricity generation," says Scanlon.
Hydraulic fracturing accounts for less than 1 percent of the water consumed in Texas. But in some areas where its use is heavily concentrated, it strains local water supplies, as documented in a 2011 study by Jean-Philippe Nicot of the Bureau of Economic Geology.
Because natural gas is often used far from where it is originally produced, water savings from shifting to natural gas for electricity generation might not benefit the areas that use more water for hydraulic fracturing.
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