마지막 몇 퍼센트의 과제: 100% 재생 가능한 미국 전기 시스템의 비용 및 배출 이점 정량화

불과 20 년 전만해도 일부 과학자들은 미국 전력망에 약 XNUMX % 이상의 재생 가능 에너지 생성을 통합 할 수 있을지 의심했습니다. 하지만 우리는 2020 년에 그 이정표를 달성 — 그래서 요즘 전문가들은 완전히 재생 가능한 국가 전력 시스템으로가는 길을 찾는 데 초점을 맞추고 있습니다. 그리고에 발표 된 새로운 연구에 따르면 줄, 국가는 비용 효율적으로 100 %를 향해 먼 길을 갈 수 있습니다. 전력 시스템을 구축하고 운영하는 데 비용이 비선형 적으로 급증하는 것은 재생 가능 발전의 마지막 몇 퍼센트에 불과합니다.

"에서미국의 100 % 재생 가능 에너지 전력 시스템에 도달하기위한 과제 정량화,”미국 에너지 부 (DOE)의 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 및 DOE의 EERE (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)의 분석가들은 인접 미국. 이 연구는 EERE의 전략 분석 팀이 자금을 지원했습니다.

Wesley Cole은 "우리의 목표는 전기 부문 의사 결정자에게 이러한 시스템을 추구하는 데 필요한 비용과 가치를 평가하는 데 필요한 정보를 제공하는 방식으로 고 재생 전력 시스템으로 전환하는 데 드는 비용을 강력하게 정량화하는 것이 었습니다."라고 말했습니다. , NREL 선임 에너지 분석가이자 논문의 주 저자입니다.

전례없는 규모로 미국 전력 시스템의 진화를 시뮬레이션하기 위해 이전 작업을 확장하면서 저자는 전력 시스템이 어떻게 발전 할 수 있는지에 대한 다양한 가정이 미래 시스템 비용에 영향을 미칠 수있는 방법을 정량화합니다. 그들은 비용이 어떻게 지난 몇 퍼센트 동안 100 %까지 비선형 적으로 증가 할 수 있는지 보여 주며, 이는 더 낮은 총 탭으로 유사한 탈탄 소화 목표를 달성하는 비 전기 부문 투자에 대한 관심을 유도 할 수 있습니다.

“우리의 결과는 100 % 재생 가능 에너지로 is 비용 측면에서 정말 어렵지만, 비선형적인 문제이기 때문에 가까운 100 %로 만드는 것이 훨씬 쉽습니다.”라고 Cole은 말했습니다. "우리는 또한 기술 비용 절감과 같은 혁신이나 원자력 또는 탄소 포집과 같은 100 % 청정 에너지에 대한 대체 정의가 목표 달성 비용을 어떻게 낮출 수 있는지 보여줍니다."

고급 방법은 재생 가능한 고효율 그리드에 대한 이해를 확장합니다.

이 작품은 다른 줄 지난달 발표 된 기사 100 % 재생 가능한 미국 전기 시스템을 달성하는 데있어 해결되지 않은 주요 기술 및 경제적 과제를 탐색합니다. 100 % 재생 가능한 전력망의 일부 측면은 잘 확립되어 있지만 우리가 모르는 것이 많이 있습니다. 그리고 100 % 재생 가능한 그리드는 미국 전체 규모로 존재하지 않기 때문에 가능한 미래 시스템을 평가하고 이해하기 위해 모델에 의존합니다.

NREL 수석 에너지 분석가이자이 논문의 공동 저자 인 Paul Denholm은“에너지 저장 기술과 가변 풍력 및 태양열 발전에 대한 의존도가 증가함에 따라 100 % 재생 가능 전력 시스템 모델링은 매우 복잡합니다. "어제 스토리지가 사용 된 방식은 오늘날의 사용 방식에 영향을 미치며 최근 몇 년 동안 재생 가능 자원 데이터의 해상도가 크게 향상되었지만 흐린 날씨 나 잔잔한 바람을 정확하게 예측할 수는 없습니다."

통합 에너지 경로는 그리드를 현대화하여 다양한 세대 유형을 지원하고 소비자 참여를 장려하며 교통 전기 화를위한 옵션을 확장합니다.

많은 이전 연구에서 다양한 지역에 대한 고 재생 전력 시스템을 모델링했지만 전체 미국 전력망을 조사하는 사람은 많지 않습니다. 또한 100 % 재생 가능한 미국 그리드로 전환하는 데 드는 비용을 계산하려는 연구는 훨씬 적습니다. 대신, 일반적으로 거기에 도달하는 데 필요한 진화를 고려하지 않고 미래의 시스템 스냅 샷을 제시합니다. 이 작업은 몇 가지 중요한 발전과 함께 이러한 선행 연구를 확장합니다.

첫째, 팀은 NREL의 공개적으로 사용 가능한 용량 확장 모델링의 결과를 확인하기 위해 단위 약정 및 경제적 디스패치를 포함한 상세한 생산 비용 모델링을 사용했습니다. 지역 에너지 배포 시스템 (ReEDS) 모델. 생산 비용 모델은 유틸리티 산업에서 널리 사용되는 상용 모델 인 Energy Exemplar의 PLEXOS입니다.

"지난 100 년 동안 우리는 모델링 도구에 엄청난 노력을 기울여 100 % 재생 가능 에너지 전력 시스템에 내재 된 문제를 포착 할 수있는 능력에 대한 확신을 얻었습니다."라고 Cole은 말했습니다. “또한 우리는 100 % 요구 사항의 광범위한 미래 조건과 정의를 고려하려고했습니다. 이러한 노력의 조합을 통해 XNUMX % 청정 에너지 시스템으로 전환하는 데 드는 비용을 과거보다 훨씬 더 효율적으로 정량화 할 수 있습니다. "

분석은 기술 유형, 재생 가능 에너지 자원 프로파일, 부지 및 토지 사용 제약, 전송 문제의 차이를 더 잘 포착하기 위해 이전 연구보다 더 높은 공간 및 기술 해상도를 가진 전력 시스템을 나타냅니다. 이 분석은 또한 100 % 재생 가능 시나리오에서 요구 사항을 충족시키기 위해 기존 화석 식물을 개조하는 능력을 독특하게 포착하고 관성 반응 이러한 미래에도 유지 될 수 있습니다.

시스템 비용의 원인은 무엇입니까? 전환 속도, 자본 비용 및 100 % 정의 방법

이 팀은 재생 불가능한 저탄소를 허용하는 시스템을 포함하여 154 %에 대한 광범위한 미래 조건, 기간 및 정의에서 결과 시스템 비용이 어떻게 변하는 지 결정하기 위해 최대 100 % 재생 가능 전력을 달성하기 위해 총 100 개의 서로 다른 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 참여할 기술.

NREL 선임 에너지 분석가이자이 논문의 공동 저자 인 Trieu Mai는“여기서는 총 누적 시스템 비용을 미국의 인접 전력 시스템에 대한 재생 가능 배치 증가 문제를 평가하기위한 기본 측정 기준으로 사용합니다. "이 시스템 비용은 돈의 시간 가치를 고려한 후 2050 년까지 벌크 전력 시스템 자산을 구축하고 운영하는 비용의 합계입니다."

비교를위한 참조 사례를 설정하기 위해 팀은 자본 비용, 연료 가격 및 전력 수요 증가와 같은 요소에 대한 중간 범위 예측을 사용하는 기본 조건에 대한 재생 가능 에너지 배치를 증가시킬 때 시스템 비용을 모델링했습니다. 이러한 조건에서 최소 비용 구축은 재생 가능 에너지를 현재 발전량의 20 %에서 57 년 2050 %로 증가시키고 평균 수준의 비용은 MWh (메가 와트시) 당 $ 30입니다. 이와 동일한 조건에서 100 년까지 2050 % 재생 가능 발전을 달성해야한다는 요구 사항을 부과하면 이러한 비용이 29 % 증가하거나 MWh 당 10 달러 미만으로 증가합니다. 시스템 비용은 100 %에 근접한 마지막 몇 퍼센트 동안 비선형 적으로 증가합니다.

높은 재생 가능 에너지 목표와 관련하여 직접적인 이산화탄소 (CO₂) 배출. 57 % 최소 비용 시나리오에서 팀은 시스템 비용 및 CO의 변화를 번역했습니다.₂ 시나리오 간의 평균 및 증분 수준 CO로 배출₂ 저감 비용. 평균값은 57 % 시나리오에 대한 저감 비용이고 증분 값은 인접한 시나리오 간의 저감 비용 (예 : 재생 에너지 80 %에서 90 % 사이)입니다. 즉, 평균값은 모든 증분 값은 가장 최근 증분에 대한 변경 만 고려합니다.

5 가지 기본 시나리오의 경우 2 % 할인율 (왼쪽)의 총 벌크 전력 시스템 비용과 해당 시나리오의 경우 평균 및 증분 CO2050 저감 비용 (오른쪽). 각 시나리오의 90 재생 가능 (RE) 세대 수준은 x 축에 나열되어 있습니다. 왼쪽 그림의 시스템 비용은 그림 범례에 나열된 XNUMX 개의 비용 범주로 세분화됩니다 (O & M = 운영 및 유지 보수). 왼쪽 플롯의 y 축에있는 자주색 다이아몬드는 현재 세대 믹스를 유지하기위한 시스템 비용을 나타내며 이는 비용을 비교하는 데 사용할 수 있으며 시스템 비용은 XNUMX % 사례와 비슷 함을 나타냅니다.

특히, 99 %에서 100 %까지의 증분 저감 비용은 주로 확고한 재생 가능 용량에 대한 요구에 따라 톤당 $ 930에 도달합니다. 주로 풍력 및 태양열 발전이 적고 수요가 매우 높으며 송전선과 같은 계획되지 않은 이벤트에 에너지를 제공 할 수 있습니다. 중단. 많은 시나리오에서이 확고한 용량은 바이오 디젤, 합성 메탄, 수소 또는 기타 재생 가능 에너지 자원에서 작동하여 안정적인 전력 시스템 작동을 지원할 수있는 재생 가능 에너지 연료 연소 터빈에 의해 공급되었습니다. 그만큼 DOE 에너지 Earthshots 이니셔티브 최근 에너지 장관 Jennifer M. Granholm이 발표 한 Hydrogen Shot은 80 년 동안 깨끗한 수소 비용을 킬로그램 당 1 %에서 XNUMX 달러로 줄이는 것을 목표로합니다. 이는 재생 가능한 회사 용량을 제공하는 비용을 줄이는 데 도움이 될 수있는 야심 찬 노력입니다.

"100 % 재생 가능 시스템을 달성 할 때 100 % 정의를 충족 할 수있는 비용 효율적인 회사 용량 소스가 있으면 비용이 상당히 낮아집니다."라고 Denholm은 말했습니다. "마지막 몇 퍼센트는 풍력, 태양열, 일주 저장 또는로드 유연성만으로는 비용 효율적으로 만족할 수 없습니다. 따라서이 격차를 해소 할 수있는 다른 자원이 특히 중요합니다."

자본 비용은 100 % 재생 가능 에너지에서 시스템 비용에 가장 큰 기여를합니다. 따라서 재생 가능 기술 및 저장에 대한 자본 비용의 향후 변화는 100 % 재생 가능 그리드의 총 시스템 비용에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 전환 속도는 비용 및 배출 영향에 대한 중요한 고려 사항이기도합니다. 100 % 재생 가능 전력으로 더 빠르게 전환하는 시나리오는 비용이 더 많이 들었지만 누적 배출량 감소가 더 컸습니다.

Mai는“기준 솔루션을 넘어서 재생 가능 발전 수준을 80 % –90 %로 다소 높이는 시나리오에서 낮은 증분 시스템 비용을 보면 전력 부문에서 상당한 저비용 저감 기회를 볼 수 있습니다. “전력 부문 배출 감축과 이러한 배출 감축 관련 비용 간의 절충은 특히 더 높은 재생 가능 발전 수준에서 저감 비용이 낮아질 수있는 배출을 줄일 수있는 비 전력 부문 기회의 맥락에서 고려해야합니다. .”

“요구 사항이 정의되는 방식은 요구 사항 및 관련 배출 감소 비용을 이해하는 데 중요한 측면입니다.”라고 Cole은 말했습니다. “예를 들어, 100 % 요구 사항이 현재 주 재생 에너지 정책과 마찬가지로 전기 판매의 일부로 정의되는 경우 해당 요구 사항을 충족하는 데 드는 비용과 배출량은 요구 사항이 100 % 미만인 시나리오의 것과 유사합니다. .”

추가 연구는 전력 부문이 앞으로의 길을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다

이 작업은 최첨단 모델링 기능에 의존하지만, 더 높은 수준의 재생 가능 발전을 달성하기 위해 구현할 수있는 기술 솔루션과 시스템 비용에 미치는 영향에 대한 이해의 차이를 메우려면 추가 연구가 필요합니다. 향후 작업은 공급망 확장, 실제 배포에 영향을 미칠 수있는 사회적 또는 환경 적 요인, 분산 된 에너지 자원의 향후 역할 또는 수요 유연성 수준이 비용을 절감 할 수있는 방법과 같은 주요 고려 사항에 초점을 맞출 수 있습니다. .

“경제적 탈탄 소화의 기반으로 전기 부문을 사용하는 데 에너지 커뮤니티가 빈번히 집중하고있는 점을 감안할 때, 탐구 할 것이 많이 남아 있지만, 우리는이 작업이 100 % 달성에 필요한 것에 대한 우리의 집단적 이해를 확장한다고 믿습니다.”Cole 말했다.

NREL에 대해 더 알아보기 에너지 분석 과 그리드 현대화 연구.

기사 제공 NREL, 미국 에너지 부

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