많은 국가의 에너지 정책은 풍력이나 태양발전 같은 재생가능자원이 발전 과정에서 생산되는 온실가스 배출(Greenhouse Gas Emissions)을 크게 절감하기 위해서는 대규모 저장능력이 필요하다는 전제를 깔고 있다. 그렇지만 하버드대학의 새로운 연구는 이러한 일반적인 사회적 통념에 새로운 방향성을 제시하고 있다. Energy & Environmental Science 저널을 통해 소개된 이번 연구내용은 풍력 및 태양발전 공급이 추가적인 저장능력 없이도 10배 정도 성장할 수 있다고 주장했다.
하버드 대학의 David Keith 교수는 “지금보다 우수하면서 더 많은 수의 저장능력을 확보하고 장기적인 측면에서 그리드에 더 많은 저장 능력을 구축하는 일은 틀림없이 좋은 일이다. 그러나 지금보다 더 다양한 재생가능 에너지를 적용하기 위해서 이를 기다릴 필요는 없다”고 말한다.
Keith 교수와 하바드 공학응용과학대학(School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) 대학원생인 Hossein Safaei가 수행한 이번 연구는 발전 과정에서 발생하여 지구온난화의 원인이 되고 있는 탄소배출이 극적으로 절감되기 위해서 에너지 저장 기술이 얼마나 많은 전기를 저장해야만 경제적으로 효율성이 있는가를 묻고 있다. 여기서 전기를 저장하는 기술이라는 것은 양수발전(Pumped Hydroelectric) 설비나 흐름전지(Flow Battery)를 이용하는 것이다.
재생가능 자원의 대표적인 예인 바람은 항상 존재하는 것은 아니며 태양도 언제나 밝게 비추지 않기 때문에 정작 에너지가 필요한 시기에 전기를 공급하기 어려울 수 있다. 따라서 많은 사람들은 풍력터빈이나 태양발전 단지가 국가 전기수요의 큰 부분에 기여하기 위해 대규모 에너지 저장이 필수적이라 보고 있다. 그러나 Safaei는 에너지 저장이 저탄소 전기그리드를 구현하기 위한 유일한 전략은 아니다고 밝혔다. 예를 들어 가스 터빈(Gas Turbine)은 우수한 배출 성능과 낮은 자본비로 경제적인 탄소 완화 방안 후보가 될 수 있다. 또한 수력, 원자력 및 바이오매스(Biomass)와 같은 제로탄소(Zero-carbon) 발전 기술은 간헐적인 특징을 가진 재생가능 에너지를 대체하거나 연계하여 적용될 수 있다”고 밝혔다.
스탠포드 대학(Stanford University) Sally M. Benson 교수는 그리드 규모의 전력 저장에 있어 배터리 적용을 확대하는 일은 우리가 사용하는 재생가능 에너지의 양을 크게 증대시키기 위한 전제조건은 아니라고 밝혔다. 이번 연구에 참여하지 않았던 Benson 교수는 전제조건이 되지 못하는 이유가 대규모 에너지 저장비용 감소 및 생산 확대를 위해서는 지금보다 더 많은 시간과 R&D가 필요하기 때문이라고 설명하였다. 또한 카네기멜론 대학(Carnegie Mellon University) Jay Apt 교수는 이번 연구가 발전 과정에서 생산되는 공해물질을 제거하는 비용이 위에서 언급되었던 모든 전략이 적용되었을 때 가장 낮은 수준으로 나타났다고 설명하였다.
Keith 교수와 Safaei는 이들이 실시한 분석이 R&D 투자결정과 정부 정책방향에 영향을 줄 수 있기를 바라고 있다. Keith는 “우리는 에너지 저장규모의 비례적 증가가 없다면 다양한 재생가능 에너지를 확대할 수 없다고 말하는 일반적인 통념에 대해 다른 시각을 전달하고자 노력하고 있다. 예를 들어 천연가스와 재생가능 에너지를 적절히 연계하면 재생가능 에너지가 가진 간헐성의 단점을 만회하여 전기분야 탄소배출을 현재 수준의 1/3 수준으로 저감할 수 있을 것이다. 그러나 이를 위해서는 송전 기반시설의 지속적인 확대가 필요할 것이다. 송전과 저장은 어느 쪽이 우세하다고 말할 수 없다. 만약 부지와 관련한 논쟁으로 신규 송전기반설비 도입이 중단된다면 우리는 에너지 저장능력을 확대해야 할 것”이라고 말했다.
Greening the electric grid with gas turbines
Much of the nation's energy policy is premised on the assumption that clean renewable sources like wind and solar will require huge quantities of storage before they can make a significant dent in the greenhouse gas emissions from electricity generation. A new Harvard study pokes holes in that conventional wisdom. The analysis published in the journal Energy & Environmental Science finds that the supply of wind and solar power could be increased tenfold without additional storage.
"There's no question that it would be better to have more and better storage and a sensible long-term strategy for the grid will have much more storage than today," said coauthor David Keith, Gordon McKay Professor of Applied Physics at Harvard John and Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) and Professor of Public Policy at the Harvard Kennedy School. "But you don't have to wait for that before deploying more variable renewables."
The parametric study conducted by Keith and SEAS graduate student Hossein Safaei asked: In order to drastically reduce planet-warming carbon emissions from electricity generation, what amount of "bulk electricity storage" -- technologies that can store electricity for hours at a time, such as pumped hydroelectric facilities or flow batteries -- is economically efficient?
Since the wind doesn't always blow and the sun doesn't always shine at the time that energy is needed, many assume that bulk storage technologies are essential in order for wind turbines and solar farms to contribute a larger share of the nation's electricity demand.
But storage "is not the only strategy to achieve a low-carbon electricity grid," according to Safaei. "Low capital cost in addition to good emissions performance make gas turbines cost-effective carbon mitigation candidates. Moreover, dispatchable zero-carbon generation technologies such as hydropower, nuclear, and biomass can be deployed instead of, or in conjunction with, the intermittent renewables."
The finding that widespread deployment of batteries for grid-scale storage is not a prerequisite for dramatically increasing the amount of renewable energy we use is "good news," said Sally M. Benson, professor of energy resources engineering and executive director of Stanford University's Global Climate and Energy Project. That's because "more time and R&D is needed to decrease the cost of [bulk electricity story] and to scale-up production," said Benson, who was not involved with the research.
Another independent observer, Jay Apt, professor of engineering and public policy and co-director of the Electricity Industry Center at Carnegie Mellon University, added that the Harvard study makes clear that "the cost of removing pollution from electric generation is lowest when an all-of-the-above strategy is used."
Keith and Safaei hope that their analysis will inform both R&D investment decisions and government policy directions.
"We're trying to knock out a salient policy meme that says that you can't grow variable renewables without a proportionate increase in storage," Keith said. "We could cut electric-sector carbon emissions to less than a third their current levels using variable renewables with natural gas to manage the intermittency, but this will requires us to keep growing the electricity transmission infrastructure." Keith added, "There is a saw-off between transmission and storage, if siting battles stop new transmission then we must increase storage."
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