Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

당신이 거대하고 북적이는 도시를 전력으로 공급하려 한다고 상상해 보십시오. 당신에게는 태양이 빛나고 바람이 불 때 전기를 생성하는 데 탁월한 태양광 패널과 풍력 터빈 함대가 있습니다. 하지만 문제는 태양은 밤에 빛나지 않고, 바람은 항상 부는 것이 아니며, 특히 길고 어두운 겨울 동안에는 더욱 그렇다는 것입니다. 전등을 24시간 내내 켜두기 위해서는 자연이 휴식을 취할 때 대신 투입될 수 있는 "백업 계획"이 필요합니다. 이것이 바로 **에너지 투자 대비 회수율(EROI)**의 세계입니다. EROI를 에너지의 "이익률"이라고 생각하십시오. 만약 당신이 발전소를 짓는 데 1단위의 에너지를 사용했는데, 그 발전소가 수명 동안 10단위의 에너지를 돌려준다면, 당신의 EROI는 10입니다. 그것은 아주 좋은 거래입니다! 하지만 1단위를 써서 겨우 1.1단위만을 돌려받는다면, 당신의 EROI는 1.1이며, 이는 불을 밝히기에도 간신히 턱걸이하는 수준일 뿐만 아니라 병원, 학교, 혹은 우주 로켓을 건설하기에는 턱없이 부족합니다. 과학자들이 던지는 핵심적인 질문은 이것입니다. 태양광과 풍력을 신뢰할 수 있게 만들기 위해 필요한 모든 추가적인 요소들(거대한 배터리나 백업 가스 발전소 등)을 더했을 때, 그 "이익"이 사라지게 될 것인가?

Hans Peter Beck이 작성한 이 논문은 바로 그 질문을 깊이 파고듭니다. 이 논문은 미래 에너지 시스템을 위한 거대한 회계 장부 역할을 합니다. 저자는 단순히 지붕 위의 태양광 패널 하나만을 보는 대신, "함대" 모델—즉, 80%의 풍력과 20%의 태양광에 의존하는 중앙유럽의 거대하고 가상의 전력망—을 구축합니다. 그리고 이 연구는 다음과 같이 묻습니다. "날씨에 의존적인 전력을 신뢰할 수 있게 만드는 데 필요한 무거운 작업들을 추가했을 때, 우리의 에너지 이익은 어떻게 변하는가?" 논문은 태양광 패널 자체는 훌륭해 보일지라도, 빛이 들지 않는 겨울 폭풍 속에서도 불을 밝히기 위해 필요한 "확정적(firming)" 시스템(백업 시스템)을 추가하는 순간, 에너지 이익이 급격히 감소한다는 것을 발견했습니다. 실제로 테스트된 가장 신뢰할 수 있는 백업 옵션들(수소 저장이나 가스 발전소 등)은 에너지 이익을 한 자릿수로, 심지어 거의 zero에 가깝게 줄여버립니다. 이 논문은 높은 에너지 잉여가 없다면, 우리의 현대적이고 복잡한 사회가 번영하기는커녕 생존하는 것조차 어려울 수 있다고 시사합니다.

태양광 패널의 외로운 꿈

우리 이야기의 주인공인 태양광 패널부터 시작해 봅시다. 단독으로 볼 때, 태양광 패널은 약간의 스타와 같습니다. 설치물 자체(패널, 전선, 인버터)만 본다면, 그것은 환상적인 에너지 이익을 가집니다. 중앙유럽의 햇빛이 잘 드는 지역에서는, 수명 동안 사용된 1단위의 에너지당 15에서 20단위의 에너지를 돌려받을 수 있습니다. 이것은 1달러짜리 티켓을 사고 20달러를 따는 것과 같습니다. 마치 당첨 확률이 높은 복권처럼 들립니다!

하지만 여기 반전이 있습니다. 태양광 패널은 "변덕스러운 친구"라는 점입니다. 태양이 떠 있을 때만 작동하기 때문입니다. 도시 전체를 운영하려면 단순히 변덕스러운 친구에게만 의존할 수는 없습니다. 비 오는 날, 구름 낀 밤, 그리고 태양이 거의 얼굴을 내밀지 않고 바람마저 죽은 듯 고요한 공포스럽도록 긴 겨울을 대비한 백업 계획이 필요합니다. 과학자들은 이러한 필요를 "확정적 전력(firm power)"이라 부릅니다. 이것은 피크닉 매트(태양광)를 갖는 것과 완전한 텐트와 히터(확정적 전력)를 갖추는 것의 차이입니다.

백업 계획의 비용

이 논문은 "변덕스러운 친구"를 "신뢰할 수 있는 룸메이트"로 만들려고 할 때 어떤 일이 벌어지는지 보기 위해 거대한 전력망 시뮬레이션을 구축합니다. 저자는 전력의 80%가 풍력에서, 20%가 태양광에서 오는 시나리오를 만듭니다. 이 조합은 바람이 불지 않을 때 태양이 빛나지 않으므로 훌륭한 조합이지만, 이 조합에도 약점은 있습니다. 때때로 바람과 태양이 동시에 잠을 자는 경우가 있기 때문입니다. 이를 "Dunkelflaute" 현상(어둡고 바람 없는 상태를 뜻하는 독일어)이라고 부릅니다.

이 어두운 정체기를 살아남기 위해, 논문은 세 가지 다른 백업 전략을 테스트하며, 그 결과는 다소 충격적입니다.

1. 배터리 뱅크 (단기 처방)
거대한 배터리로 문제를 해결하려 한다고 상상해 보십시오. 배터리는 오후의 에너지를 저녁으로 옮기는 것처럼, 에너지를 이동시키는 데 유용합니다. 마치 가득 찬 바구니에서 비어 있는 바구니로 사과 몇 개를 옮기는 것과 같습니다. 하지만 바구니가 일주일 내내 비어 있다면 어떻게 될까요?
논문은 만약 단 24시간 동안 버틸 수 있는 충분한 에너지를 배터리에 저장하려 한다면, 에너지 이익이 폭락한다고 계산합니다. 15단위를 돌려받는 대신, 겨우 0.7에서 2.3단위만을 얻게 될 수도 있습니다. 왜 그럴까요? 그 거대한 배터리들을 만드는 데 엄청난 양의 에너지가 들기 때문입니다. 이것은 식료품을 사기 위해 가게로 가는 길에 벽돌이 가득 담긴 배낭을 메고 가는 것과 같습니다. 배낭이 무거울수록 실제로 살 수 있는 에너지는 줄어듭니다. 심지어 4시간용 배터리조차 이익을 3.4에서 7.6 범위로 떨어뜨립니다. 논문은 배터리가 짧은 낮잠에는 유용할지 모르지만, 긴 겨울을 나기에는 너무 무겁고 비용이 많이 든다고 제안합니다.

2. 수소 탱크 (장기 처방)
다음으로, 논문은 수소를 살펴봅니다. 이것은 전기를 가스로 바꾸어 거대한 지하 탱크에 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 바꾸는 것입니다. 이것은 궁극의 장기 저장 방식으로, 몇 주 또는 몇 달 동안 에너지를 보유할 수 있습니다.
그러나 이 과정은 매우 비효fer합니다. 마치 새는 호스로 양동이를 채우려는 것과 같습니다. 양동이에 물(전기)을 조금이라도 남기기 위해 엄청나게 많은 물을 들이부어야 합니다. 이러한 손실 때문에, 탱크를 채우기 위해서 더 많은 태양광 패널과 풍력 터빈을 건설해야 합니다. 논문은 이 "슈퍼 저장 장치"를 사용하더라도 에너지 이익이 3.4에서 7.7 사이로 떨어진다는 것을 발견했습니다. 24시간용 배터리보다는 낫지만, 여 {여전히 "한 자릿수" 영역에 머물러 있으며, 이는 현대 사회에 위험한 수준입니다.

3. 가스 백업 (화석 연료 지팡이)
마지막으로, 논문은 가스 발전소를 대기 상태로 유지하는 것을 살펴봅니다. 이 발전소들은 에너지를 저장할 필요 없이, 바람과 태양이 사라질 때 가스를 태우기만 하면 됩니다.
결과는 훨씬 더 극명합니다. 이 거대한 가스 발전소들을 (비록 대부분의 시간 동안 유휴 상태로 있을지라도) 계속 구축해 두어야 하고, 연료를 태워야 하기 때문에, 파이프라인 가스의 경우 에너지 이익이 1.2에서 2.6으로 급락하며, 액화천연가스(LNG)의 경우 그보다 더 낮은 1.0에서 2.2까지 떨어집니다.
논문은 EROI가 2일 때, 당신은 총 에너지 생산량의 절반을 발전소를 가동하는 데만 쓰고 있다는 점을 설명합니다. 이것은 수익의 절반이 임대료를 내는 데 들어가는 사업과 같습니다. EROI가 1이면 겨우 본전이고, 1 미만이면 손해를 보는 것입니다. 논문은 가스 백업에 의존하는 것이 불을 밝게 해줄 수는 있겠지만, 학교를 짓거나 질병을 치료하거나 우주를 탐사할 수 있는 "잉여" 에너지를 거의 남기지 못할 것이라고 제안합니다.

"알파인(Alpine)"의 환상

여러분은 이렇게 생각할지도 모릅니다. "눈 덮인 산 위에 태양광 패널을 설치하면 어떨까? 눈이 빛을 반사하니까 더 잘 작동할 거야!" 논문은 이 부분도 확인합니다. 산악 지형의 패널이 빛을 더 많이 받는 것은 사실이지만, 산에 도로, 무거운 지지대, 송전선을 구축하는 비용이 그 추가적인 이득을 모두 갉아먹는다는 것이 밝혀졌습니다. 백업 요구 사항을 더했을 때, 산악 태양광의 에너지 이익은 일반 태양광만큼이나 낮게 나타납니다. 논문은 어려운 지형에 패널을 설치하는 것이 거대한 백업 시스템이 필요하다는 근본적인 문제를 해결해주지는 못한다고 제안합니다.

큰 그림: 이것이 왜 중요한가

그렇다면 이 거대한 에너지 회계 장부의 결론은 무엇일까요? 논문은 우리가 태양광과 풍력을 마치 연료, 타이어, 운전자를 고려하지 않은 채 엔진만 보고 자동차를 판단하는 것처럼, 고립된 상태로 바라봐 왔다고 제고합니다.

저자는 현대 산업 사회가 의료, 교육, 과학 연구 등을 지원하기 위해 높은 에너지 이익(최소 EROI 7~10)이 필요하다고 주장합니다. 만약 에너지 시스템이 너무 비효율적이어서 자기 자신을 구축하고 유지하는 데 대부분의 에너지를 써야 한다면, 사회의 나머지 부분을 위한 에너지는 거의 남지 않게 됩니다. 논문은 태양광과 풍력이 중요하지만, 우리가 복잡한 세계를 에너지 잉여 없이 운영하기를 원한다면 그것들이 유일한 해결책이 될 수는 없음을 시사합니다. 이는 우리가 그 간극을 메우기 위해 원자력이나 수력 발전처럼 "확정적(firm)"이고 높은 에너지 이익을 가진 다른 유형의 동력이 필요할 수도 있음을 암시합니다.

요약하자면, 이 논문은 녹색 미래로 가는 길이 단순히 지붕에 더 많은 패널을 붙이는 것만이 아니라고 경고합니다. 그것은 신뢰성을 확보하기 위한 무거운 비용을 이해하는 것에 관한 문제입니다. 만약 우리가 백업의 비용을 무시한다면, 우리는 우리가 살고 있는 세상을 움직이기에는 다소 부족한, '녹색 에너지'만을 잔뜩 가지게 될 수도 있습니다.