The risk to renewable electricity from volcanic eruptions
본 연구는 1815년 탐보라 화산 분출을 하나의 유추 사례로 사용하여, 대규모 화산 사건이 풍력 및 태양광 자원의 동시적이고 지속적인 전 지구적 감소를 초래할 수 있음을 입증하며, 이는 상당한 전력 생산 손실과 경제적 비용으로 이어져 이러한 저빈도 기후 충격을 장기 에너지 계획에 통합해야 할 시급한 필요성을 강조한다.
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세계는 화석 연료를 태우는 방식에서 벗어나 바람과 태양으로부터 포착한 에너지로 동력을 전환하며 에너지원을 변화시키고 있습니다. 이러한 재생 에너지원은 깨끗하고 안정적인 기후를 위해 필수적이지만, 숨겨진 취약점을 가지고 있습니다. 바로 날씨에 전적으로 의존한다는 점입니다. 바람이 멈추거나 구름이 너무 오래 태양을 가리면 불이 꺼질 수 있습니다. 과학자들은 일상적인 폭풍이나 계절적 변화가 이러한 전력망에 어떤 영향을 미치는지 오랫동안 연구해 왔지만, 훨씬 더 드물고 극적인 유형의 기상 현상인 대규모 화산 폭발은 에너지 계획에서 대체로 무시되어 왔습니다. 충분한 규모의 화산이 폭발하면 엄청난 양의 가스와 재를 상층 대기로 쏘아 올리며, 이것은 넓게 퍼져 글로벌 헤이즈(haze, 연무)를 형성합니다. 이 헤이즈는 태양을 차단하는 얇은 베일처럼 작용하여 지구를 냉각시키고 바람의 패턴을 변화시킬 수 있습니다. 이러한 분출이 지구 기온에 미치는 영향은 잘 알려져 있지만, 이 특정한 종류의 대기 교란이 우리가 매일 의존하는 전기에 구체적으로 어떤 영향을 미칠지 계산해 본 사람은 이전까지 없었습니다.
연구팀은 만약 오늘날 1815년에 발생했던 것만큼 강력한 화산이 폭발한다면 어떤 일이 벌어질지 시뮬레이션함으로써 이 공백을 메우고자 했습니다. 그들은 1815년 마운트 탐보라(Mount Tambora)의 분화를 모델로 선택했는데, 이는 기록된 역사상 가장 중요한 분화 중 하나였으며 전 세계 농작물에 피해를 준 "여름 없는 해"를 만들어냈기 때문입니다. 과학자들은 정교한 지구 대기 컴퓨터 모델을 사용하여 해당 분화의 조건을 재현했고, 결과로 나타난 에어로졸 구름(태양광을 반사하는 미세한 황 입자)이 현대 발전소에서 이용 가능한 바람 및 태양 자원과 어떻게 상호작용하는지 관찰했습니다. 그들은 결과가 단순히 컴퓨터 코드의 우연이 아님을 확인하기 위해 수백 번의 시뮬레이션을 실행했으며, 엘니뇨와 같은 자연적인 날씨 주기나 더 따뜻해진 미래의 배경 기후 조건에서도 분화가 어떻게 행동할지 테스트했습니다.
시뮬레이션 결과는 엄중한 현실을 보여주었습니다. 이 정도 규모의 화산 사건은 전 세계적으로 풍력과 태양광 발전을 동시에 감소시킬 것입니다. 헤이즈는 햇빛을 차단하여 태양광 패널이 수확할 수 있는 에너지를 직접적으로 줄입니다. 동시에, 에어로졸의 냉각 효과는 바람을 일으키는 대규모 대기 순환을 약화시켜 세계의 많은 주요 풍력 발전 지역의 공기를 더 정체되게 만듭니다. 이 이중 타격은 짧은 중단이 아닐 것입니다. 모델에 따르면 에너지 자원의 감소는 최대 20개월 동안 지속될 것으로 나타났습니다. 연구는 평균적으로 이 기간 동안 전 세계 풍력 및 태양광 자원이 약 3.6% 감소할 것이라고 밝혔습니다. 몇 퍼센트라는 수치가 작게 들릴 수도 있지만, 글로벌 에너지 시스템의 규모를 고려할 때 이는 막대한 전력 손실을 의미합니다.
연구진이 이러한 물리적 변화를 현대 전력망의 언어로 변환했을 때, 수치는 더욱 극명해졌습니다. 2024년 기준 전 세계에 설치된 풍력 및 태양광 용량을 바탕으로 할 때, 단 한 번의 탐보라급 분화는 20개월 동안 약 216.9 테라와트시(TWh)의 전력 손실을 초래할 것입니다. 이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 이는 캘리포니아주 전체가 1년 동안 소비하는 전력량과 같습니다. 현재의 발전 가격을 기준으로 계산된 이 손실된 에너지의 경제적 비용은 약 92억 달러입니다. 그러나 그 영향은 모든 곳에 똑같이 나타나지는 않습니다. 연구는 날씨가 최악인 곳과 피해가 가장 심한 곳 사이의 결정적인 괴리를 강조했습니다. 예를 들어, 남아메리카와 아프리카는 풍력과 태양광의 감소율이 가장 높을 것이며, 이는 이 지역들이 물리적으로 가장 민감하다는 것을 의미합니다. 하지만 현재 아시아에 풍력 및 태양광 발전소가 가장 집중되어 있기 때문에, 아시아가 절대적인 전력 손실 측면에서는 가장 큰 피해를 입게 될 것이며, 111 테라와트시 이상의 전력을 잃게 될 것입니다. 유럽과 북미 또한 상당한 손실을 겪겠지만, 아시아보다는 약간 적을 것입니다.
연구진은 왜 바람과 태양이 이렇게 행동하는지 이해하기 위해 근저에 깔린 물리학을 살펴보았습니다. 그들은 화산 헤이즈가 열대 대기를 냉각시켜 적도에서 극 방향으로 열을 이동시키는 거대한 엔진인 해들리 순환(Hadley circulation)을 약화시킨다는 것을 발견했습니다. 이 약화는 많은 풍력 발전소가 위치한 아열대 지역의 풍속을 감소시킵니다. 흥게도하게도, 모델은 일부 고위도 지역에서 풍속이 증가함을 보여주었으나, 이러한 이득은 다른 지역의 광범위한 손실을 상쇄하기에는 부족했습니다. 태양광의 경우 이야기는 약간 더 복잡했습니다. 화산 입자가 직사광선을 차단했지만, 냉각 효과로 인해 일부 지역에서는 구름 덮개가 줄어들어 빛이 조금 더 통과할 수 있었습니다. 이러한 구름 감소는 재로 인한 어두움을 부분적으로 상쇄했지만, 태양 에너지의 순손실을 막기에는 역부족이었습니다. 연구는 이러한 물리적 메커니즘이 견고하여, 설령 분화가 더 따뜻한 미래 기후나 다른 자연적 기상 단계에서 발생하더라도 동일하게 나타날 것임을 시사합니다.
이 연구는 미래의 에너지 계획을 위한 경고 역할을 합니다. 세계가 날씨에 의존하는 전원에 점점 더 의존함에 따라, 드물지만 영향력이 큰 기후 충격의 위험은 더욱 중요해지고 있습니다. 이 연구는 현재의 에너지 시스템이 바람과 태양이 감소하는 2년의 기간을 감당하도록 설계되지 않았으며, 표준적인 배터리 저장 장치로는 이러한 긴 공백을 메우기에 충분하지 않다는 점을 강조합니다. 나아가, 이 결과는 인간이 지구를 식히기 위해 의도적으로 대기에 에어로졸을 주입하는 '태양 지오엔지니어링(solar geoengineering)'이라는 논쟁적인 아이디어에도 시사점을 줍니다. 연구는 이러한 개입이 지구 온도를 낮출 수는 있지만, 의도치 않게 재생 에너지 발전을 억제하여 기후 완화와 에너지 안보 사이의 새로운 갈등을 초래할 수 있다고 제안합니다. 연구진은 대규모 화산 폭발이 발생할 확률은 낮지만, 그것이 글로벌 전력망에 미칠 수 있는 잠재적 영향력은 매우 높으므로, 회복 탄력성 있는 저탄소 미래를 위한 장기 계획에 반드시 포함되어야 한다고 결론지었습니다.
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