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[미국] 풍력발전 백업하는 수력발전에 대한 정책 검토

이론적으로는 수력발전은 풍력발전이 진행 중일 때에도 가동할 수 있지만, 백업으로 작동되는 이 비오염 리소스에 대한 문제점은 대부분 정책적이고 관련법규에 기반을 둔다고 펜 스테이트 주립대학교 연구진들이 밝혔다.

"우리는 에너지 시스템을 더욱 지속 가능하게 만들 필요가 있다는 매우 명확한 인식을 하고 있다. 우리는 환경적 발자국인 이산화탄소와 기존의 오염물질을 감소시키기를 원한다"고 에너지 정책과 조교수인 세쓰 A. 블룸삭(Seth A. Blumsack) 교수는 말했다.

또한, 미국인들은 해당 시스템이 블랙아웃(blackouts) 없이 저비용의 전기요금으로 작동하기를 원한다. 풍력발전과 태양열 발전은 일단 설치되면 배출가스 배출이 없는 반면에, 자연의 변동에 의존한다. 바람은 갑자기 멈추기도 하고 어떤 지역에는 낮시간에 태양열이 최소화되기도 한다. "바람은 미국에서 급속도로 성장하는 재생에너지 소스"라고 에너지 및 광물공학과 대학원생인 알리샤 R. 페르난데스(Alisha R. Fernandez)씨는 말했다.

미국 에너지부는 최근에 2030년까지 풍력발전으로 전체 에너지의 20%를 감당한다는 타당성 연구를 진행했다. "텍사스 지역은 타당성 연구에 유망한 곳이거나 거의 적합한 곳이다. 일정 기간 동안, 전체 사용 에너지의 30%까지 풍력발전이 감당한다"고 세쓰 A. 블룸삭(Seth A. Blumsack) 교수는 말했다.

풍력발전의 신뢰성은 바람이 불지 않을 때 그것을 보완하는 백업기술이 필요함을 의미한다. 이 백업기술은 신속하게 그것을 감당해야 한다. 이러한 목적에 맞는 두 가지 전력 생산 소스로는 천연가스와 수력발전이 있는데, 천연가스는 탄소중립적인 에너지 소스가 아니다.

연구진들은 사례연구로 노스 캐롤리나의 커 댐(Kerr Dam)을 연구했다. 그들은 연구결과를 환경연구 레터스(Environmental Research Letters)의 최신 이슈란에 게재했다. 커 댐(Kerr Dam)에서 생산된 전력은 전력 그리드의 피제이엠 세그먼트(PJM segment)를 감당한다. 이 세그먼트는 동부 해안부의 버지니아를 통해 펜실베이니아, 서쪽으로는 인디애나를 포괄하며 시카고 지역을 포함하지만, 피제이엠(PJM) 시장 설립 이전에 체결된 합의에 따르면 다른 지역에도 커 댐(Kerr Dam)이 전력을 공급하게 되어 있다.

수력발전 댐은 일부 전기 수요를 만족하게 하려고 물을 단순히 방류하거나 전력 수요가 낮을 때 물을 보관하는 역할을 하는 것은 아니다. 수력발전소는 전력 생산뿐 아니라 음용수 수요, 관개, 어류와 야생동물의 물 공급, 레크리에이션과 가뭄에 대비한 최소수준 유지 등을 고려한 가이드 곡선을 사용하여 운영된다.

이러한 가이드 곡선은 특별한 댐을 관리하는 정부기관 즉, 커 댐(Kerr Dam)의 경우에는 미국 육군 공병병과(U.S. Army Corps of Engineers)에 의해 제작되지만, 일부 지역에서는 미국 개척국(U.S. Bureau of Reclamation), 테네시 강 유역 개발 공사(Tennessee Valley Authority), 콜로라도 강 관리공사( Colorado River Authority)나 다른 기관이 될 수도 있다. 실제로, 가이드 곡선은 현재 일주일 일기예보에 기반을 두고 있으며 그 파라미터는 다양한 관심 그룹의 요구사항을 고려한 것이다.

연구진들은 커 댐(Kerr Dam)이 풍력에너지의 예상치 못한 변수를 수용할 수 있다고 결정했지만, 그 경우는 댐을 운영하는 것이 일주일이 아닌 이주일의 요구사항을 반영하는 가이드 곡선을 만족할 경우이다. "가이드 곡선을 바꾸는 것은 복잡하고 시간이 오래 걸리는 작업이며, 국회의 동의가 필요할 수도 있다. 다른 문제로는 이주일이라는 기간이 기후 예보의 경계라는 사실"이라고 세쓰 A. 블룸삭(Seth A. Blumsack) 교수는 말했다.

만약 수력발전소가 풍력에너지의 가변성을 보상하기 위해 전력을 파는 것이 불가능하다면, 초과분을 현물시장에 판매해야 한다. 연구진들의 연구결과에 의하면, 백업용의 풍력발전이 현물시장보다 수익성이 좋기 위해서는 전기 가격의 변동이 이러한 다목적의 수력발전시설이 풍력발전을 백업하는 시스템으로 우수하다는 사실이다.

"가이드 곡선 계획의 시간 길이가 변경될 수 있다면 운영상의 문제는 상당히 감소할 것이지만, 아직 이러한 규정상의 변경이 미국 내의 물에 대한 권리를 둘러싼 기관 간의 장벽에 막혀 있는 상태"라고 코넬 대학교(Cornell University) 토목공학과 교수인 패트릭 M. 리드(Patrick M. Reed) 교수를 포함한 일부 연구진들은 말했다.

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 07. 01]

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Policy issues plague hydropower as wind power backup

Jun 25, 2013

Theoretically, hydropower can step in when wind turbines go still, but barriers to this non-polluting resource serving as a backup are largely policy- and regulation-based, according to Penn State researchers.

"We have a very clear realization that we need to make energy systems more sustainable," said Seth A. Blumsack, assistant professor of energy policy. "We want to reduce the environmental footprint—carbon dioxide and conventional pollutants."

Kerr Dam and its associated reservoir. Credit: Seth Blumsack, Penn State.

Americans also expect to have the system continue to work exactly as it is without blackouts and with low cost electricity. While wind and solar power are emission-free once installed, they are also subject to the whims of nature. The wind can suddenly cease to blow and an area can have minimal sunlight for days.

"Wind is the fastest growing renewable energy source in the U.S.," said Alisha R. Fernandez, graduate student in energy and mineral engineering.

The U.S. Department of Energy recently examined the feasibility of producing 20 percent of U.S. electricity from wind by 2030.

"Texas is either there or close," said Blumsack. "During certain periods, as much as 30 percent of their energy is generated by wind."

Reliance on wind requires that there be some backup technology to fill in when the wind does not blow. The technology has to be capable of coming on line quickly. Two types of electrical generation that fit this bill are natural gas and hydropower, but natural gas is not carbon neutral.

The researchers looked at the Kerr Dam in North Carolina as a case study. They report their results in a recent issue of Environmental Research Letters. The power produced by the Kerr Dam goes into the PJM segment of the electric grid—Pennsylvania through Virginia on the East Coast, west to Indiana and also includes the Chicago area—but agreements made before establishment of the PJM market mean that the Kerr Dam also supplies other local outlets.

Hydroelectric dams cannot simply release water to meet some electricity demand or hold back water when electricity is in low demand. Plants operate using guide curves that consider not only electric production, but also drinking water needs, irrigation, fish and wildlife requirements, recreation and minimum levels for droughts.

These guide curves are created by the government agencies regulating the particular dam—in the case of Kerr, the U.S. Army Corps of Engineers—but in other places it could be the U.S. Bureau of Reclamation, the Tennessee Valley Authority, the Colorado River Authority or other entities. In practice, the guide curves are currently based on one-week weather forecasts and their parameters take into account the requirements of a large variety of interested parties.

The researchers determined that the Kerr Dam could accommodate the unexpected variations in wind energy, but only if those operating the dam were allowed to meet the guide curve requirements over a two-week rather than one-week period of time.

"Changing guide curves is complex, time-consuming and may even require an act of Congress," said Blumsack. "Another problem is that two weeks is at the outer margin of weather prediction."

If hydro plants do not pledge to sell their electricity to make up for the variability of wind energy, they sell their excess on the spot market. The researchers found that changing the pricing of electricity so that backing up wind is more lucrative than the spot market would not make these multipurpose hydro facilities more prone to supply backup to wind power.

"Operational conflicts may be significantly reduced if the time length of the guide curve schedule was altered, yet such regulatory changes prove quite challenging given the institutional barriers surrounding water rights in the U.S.," said the researchers, who also include Patrick M. Reed, professor of civil engineering, Cornell University.

[원문출처 : http://phys.org/news/2013-06-policy-issues-plague-hydropower-power.html]