남미 및 중미의 100% 재생에너지 공급을 위한 수력, 풍력 및 태양광 발전

목차

1. 서론 및 개요

본 연구는 2030년까지 남미 및 중미 전역에 걸쳐 100% 재생에너지(RE) 공급을 달성하기 위한 선구적인 시간 단위 해상도의 에너지 시스템 모델링 연구를 제시합니다. 이 지역은 현재 높은 수력 발전 비중 덕분에 세계에서 가장 탄소 집약도가 낮은 전력 믹스를 자랑하지만, 수자원을 위협하는 기후 변동성으로부터 상당한 도전 과제에 직면해 있습니다. 본 연구는 고압직류송전(HVDC) 및 파워투가스(PtG)와 같은 지원 기술로 뒷받침되는 수력, 풍력 및 태양광 발전(PV)이 지배적인 시스템으로 전환하는 기술적 및 경제적 타당성을 조사합니다.

2. 방법론 및 시나리오

2.1. 에너지 모델 및 지역 세분화

본 분석은 총 연간화 시스템 비용을 최소화하기 위한 선형 최적화 모델을 활용합니다. 지리적 영역은 15개의 상호 연결된 하위 지역으로 세분화되어 에너지 교환 시뮬레이션이 가능합니다. 이 모델은 재생에너지원의 변동성을 포착하기 위해 1년의 기준 연도에 대해 시간 단위 해상도를 기반으로 합니다.

2.2. 정의된 시나리오

인프라 및 부문 결합의 영향을 평가하기 위해 네 가지 주요 시나리오가 개발되었습니다:

• 시나리오 1 (지역): 제한된 HVDC 그리드, 주로 대규모 하위 지역 내.
• 시나리오 2 (국가): 국가 내 강화된 HVDC 연결.
• 시나리오 3 (광역): 15개 모든 하위 지역에 걸친 완전한 HVDC 그리드 통합.
• 시나리오 4 (통합): 시나리오 3을 기반으로, 해수 담수화(39억 m³) 및 PtG를 통한 합성 천연가스(SNG) 생산(640 TWh_LHV)을 위한 전력 수요를 추가.

2.3. 해수 담수화 및 파워투가스 통합

통합 시나리오는 순수한 전력 공급을 넘어서는 핵심 혁신입니다. 이는 담수화를 통해 물 부족 문제를 해결하고, 그렇지 않으면 제한될 초과 재생에너지 전력을 활용하여 전기화가 어려운 산업 공정을 위한 탄소 중립 연료(SNG)를 제공합니다.

3. 주요 결과 및 발견 사항

3.1. 에너지 믹스 및 설비 용량

최적의 믹스는 태양광 PV(~50-60% 발전량)가 지배적이며, 그 다음으로 풍력 발전(~20-30%), 수력 발전(~10-20%)이 뒤따릅니다. 기존 수력 발전 설비 용량은 발전뿐만 아니라, 더 중요하게는 유연성 제공에 있어 중요한 역할을 합니다.

3.2. 비용 분석: LCOE, LCOG, LCOW

그리드 중앙 집중화는 비용을 절감합니다. LCOE는 분산형(지역) 시나리오의 62 €/MWh에서 완전 중앙 집중형(광역) 시나리오의 56 €/MWh로 하락합니다. 통합 시나리오는 명시된 비용으로 SNG와 담수화된 물을 생산하여 부문 결합의 경제적 잠재력을 입증합니다.

3.3. 가상 저장소로서의 수력 발전의 역할

중요한 발견은 기존 수력 댐을 "가상 배터리"로 사용하는 것입니다. 태양광 및 풍력 출력과 연계하여 수력 발전을 전략적으로 배분함으로써 추가적인 전기화학적 저장소의 필요성이 크게 줄어듭니다. 이는 이미 투입된 인프라 비용을 활용하여 대규모 그리드 안정성 이점을 얻는 것입니다.

3.4. 시스템 통합의 이점

담수화 및 PtG를 통합하면 필요한 전력 발전량이 5% 감소하고 총 시스템 비용이 8% 감소합니다. 이는 그렇지 않으면 제한될 재생에너지를 활용하여 전반적인 시스템 활용도와 경제성을 개선함으로써 달성됩니다.

4. 기술적 세부사항 및 수학적 공식화

모델의 핵심은 비용 최소화 문제입니다. 목적 함수는 총 연간 비용 $C_{total}$을 최소화합니다:

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

다음 제약 조건 적용:

• 에너지 균형: 모든 시간 $t$, 지역 $r$에 대해 $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$.
• 용량 한계: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ (여기서 $CF$는 시간당 용량 계수).
• 저장소 역학: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• 수력 저수지 관리: 물 유입, 저장 한계 및 최소 환경 유량을 모델링하는 제약 조건.

PtG 공정은 효율 $\eta_{PtG}$ (예: SNG의 경우 ~58%)로 모델링되어 전력 입력 $E_{in}$을 가스 출력 $G_{out}$에 연결합니다: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$.

5. 실험 결과 및 차트 설명

차트 1: 시나리오별 설치 용량
누적 막대 그래프는 네 가지 시나리오에 걸쳐 태양광 PV, 풍력, 수력 및 가스 터빈(일부 시나리오에서 백업용)의 GW 용량을 보여줍니다. "통합" 시나리오는 PtG로 인한 추가 수요로 인해 가장 높은 총 용량을 보여줍니다.

차트 2: 대표 하위 지역(예: 브라질 남동부)의 시간당 발전 프로파일
일주일 동안의 다중 선 그래프는 수력 발전이 태양광 PV의 큰 주간 피크와 풍력의 더 변동적인 출력을 평탄화하는 모습을 보여줍니다. "가상 배터리" 효과는 햇빛/바람이 많은 기간 동안 수력 발전이 감소하고 밤이나 잔잔한 기간 동안 증가하는 것으로 시각적으로 명확하게 나타납니다.

차트 3: 시스템 비용 세분화
통합 시나리오에 대한 원형 차트는 총 연간화 비용 중 태양광 PV CAPEX & OPEX, 풍력 CAPEX & OPEX, HVDC 그리드, 파워투가스 플랜트 및 담수화 플랜트가 차지하는 비중을 보여줍니다. 이는 전환의 자본 집약적 특성을 강조합니다.

6. 분석 프레임워크: 시나리오 모델링 예시

사례: 그리드 확장 대 지역 저장소 평가
칠레(태양광 풍부)의 한 전력사는 아르헨티나(보완적 풍력/수력)로의 새로운 HVDC 선로에 투자할지 아니면 대규모 배터리 팜을 건설할지 고려 중입니다.

프레임워크 적용:
1. 노드 정의: 칠레(노드 A), 아르헨티나(노드 B).
2. 입력 데이터: A의 시간당 태양광 CF, B의 시간당 풍력/수력 CF, 수요 프로파일, HVDC 선로($/MW-km) 및 배터리($/kWh)의 자본 비용.
3. 모델 변형 실행:
- 변형 1 (독립): 노드 A는 지역적으로 수요를 충족해야 하며, 야간을 커버하기 위해 상당한 배터리 용량이 필요함.
- 변형 2 (연결): 정의된 용량의 HVDC 선로로 노드 A와 B가 연결됨. 낮 동안 A의 초과 태양광을 B로 보낼 수 있음; 밤에는 B의 수력/풍력이 A에 공급 가능.
4. 최적화 및 비교: 모델은 두 변형의 총 비용을 최소화합니다. 결과는 일반적으로 송전 비용이 있더라도, A에서 값비싼 저장소 필요성이 줄어들고 B의 기존 유연한 수력 자원 활용도가 향상되어 변형 2가 더 저렴하다는 것을 보여줍니다. 이는 송전의 가치에 대한 본 연구의 핵심 발견을 반영합니다.

7. 비판적 분석 및 전문가 해석

핵심 통찰: 이 연구는 단순한 녹색 환상이 아닙니다. 이는 남미의 기존 수력 인프라에 갇혀 있는 잠재적 금융 및 전략적 가치를 드러내는 현실적인 엔지니어링 청사진입니다. 진정한 돌파구는 수력 댐을 단순한 발전기로가 아니라 대륙 규모의 한계 비용 제로 그리드 안정 장치—수천억 달러의 새로운 저장소 투자를 절약할 수 있는 "가상 배터리"—로 재정의하는 것입니다. 이는 잠재적인 기후 취약점(수문학적 변화)을 회복력의 초석으로 전환합니다.

논리적 흐름: 주장은 설득력 있게 선형적입니다: 1) 변동성 재생에너지(태양광/풍력)는 이제 가장 저렴한 원천입니다. 2) 그들의 간헐성이 주요 문제입니다. 3) 남미는 독특하고 선불된 해결책—방대한 수력 발전 설비—을 보유하고 있으며, 이는 저장소 우선 운영을 위해 디지털 방식으로 재최적화될 수 있습니다. 4) 보완적 지역(예: 바람 많은 파타고니아에서 햇볕이 많은 브라질 북동부로) 사이에 HVDC "연결선"을 추가하면 지리적 배터리 효과가 생성되어 비용을 더욱 절감합니다. 5) 마지막으로, 잉여 재생에너지 전자를 사용하여 분자(가스)와 물을 생산함으로써 인접한 수십억 달러 규모의 산업 및 부족 문제를 해결하고 선순환 경제 사이클을 만듭니다.

강점 및 약점:
강점: 시간 단위 모델링은 신뢰할 수 있는 재생에너지 연구에 있어 최신 기술이며 필수적입니다. 부문 결합(PtG, 담수화)은 학문적 연습을 넘어 실제 정책 관련성으로 이동합니다. 기존 수력 활용은 실용적 사고의 걸작입니다.
약점: 모델의 우아함은 가혹한 정치적 및 규제적 장애물을 가볍게 넘깁니다. 대륙을 가로지르는 HVDC 그리드 건설은 EU의 고투와 유사한 주권 문제를 수반합니다. 2030년 타임라인은 이러한 규모의 프로젝트 금융 및 허가 절차에 대해 극도로 낙관적입니다. 또한 새로운 메가 인프라에 대한 사회적 허가를 가정하는데, 이는 점점 더 논쟁의 대상이 되고 있습니다. 2015년을 기준으로 한 비용 추정치는 2022년 이후 인플레이션 및 공급망 충격을 고려하여 시급히 업데이트될 필요가 있습니다.

실행 가능한 통찰:
1. 규제 기관을 위해: 유연성과 용량(에너지만이 아닌)에 대해 재정적으로 보상하는 전력 시장 설계를 즉시 개혁하십시오. 수력 발전 사업자는 배터리와 유사한 "균형 조정 서비스"에 대해 보상을 받아야 합니다.
2. 투자자를 위해: 가장 큰 단기 기회는 새로운 태양광 발전 단지에 있는 것이 아닙니다—기존 수력 발전의 그리드 균형 조정 수익을 극대화하기 위한 디지털화 및 제어 시스템에 있습니다.
3. 정부를 위해: 파일럿 프로젝트로서 양자 "에너지 교량" 조약(예: 칠레-아르헨티나)부터 시작하십시오. 통합 시나리오의 핵심인 PtG 전해조 CAPEX를 낮추는 데 R&D를 집중하십시오.
4. 임계 경로: 가장 중요한 단일 성공 요인은 송전입니다. 이것 없이는 가상 배터리가 분열된 상태로 남아 있습니다. 유럽의 TEN-E를 모델로 한 범미주 그리드 구상은 최우선 외교적 과제가 되어야 합니다.

8. 미래 적용 및 연구 방향

• 그린 수소 수출: 모델의 PtG 구성 요소를 확장하여 유럽 및 아시아로 수출하기 위한 대규모 그린 수소 생산을 모델링할 수 있으며, 이는 남미를 재생에너지 강국으로 변모시킬 수 있습니다.
• 기후 회복력 모델링: 향후 작업은 예측된 수문 순환 및 풍력 패턴 변화에 대해 시스템을 스트레스 테스트하기 위해 더 세분화된 기후 모델을 통합해야 합니다.
• 분산 에너지 자원(DER) 통합: 옥상 태양광, 수요자 측 저장소 및 전기차 충전을 모델에 통합하여 중앙 집중식 그리드 계획에 미치는 영향을 이해합니다.
• 고급 저장소 가치 평가: 수력 발전의 유연성이 제공하는 경제적 가치에 대한 상세 분석을 수행하고, 현대화를 위한 투자를 유치하기 위한 표준화된 지표를 생성합니다.
• 정책 및 시장 시뮬레이션: 기술경제 모델을 에이전트 기반 모델과 결합하여 규제 프레임워크, 투자 행동 및 국경 간 전력 거래 협정을 시뮬레이션합니다.

9. 참고문헌

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