[논문 리뷰] A 2030 United States Macro Grid Unlocking Geographical Diversity to Accomplish Clean Energy Goals

Yixing Xu, Daniel H. Olsen외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 19.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 미국 전역의 대규모 송전망 확장을 제안하며, AC 및 HVAC 송전을 조합하여 풍력 및 태양광 자원의 지리적 다양성을 활용하여 비용 효율적인 탄소 중립 전력 전환을 가능하게 한다. 이를 통해 2030년 대규모 송전망이 현재 계획보다 송전 비용을 50% 낮추고 전체 시스템 비용을 30% 낮추며 80%의 청정 전력을 달성할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Some U.S. states have set clean energy goals and targets in an effort to decarbonize their electricity sectors. There are many reasons for such goals and targets, including the increasingly apparent effects of climate change. A handful of states (Washington, California, New York, and Virginia) are aiming for deep decarbonization by 2050 or earlier, a mere 30 years or less from today. The urgency of substantial carbon emissions reduction (50% or more by 2030) needed to avoid catastrophic climate impacts requires even more ambitious efforts than some of the original targets (e.g., a 30% renewable portfolio standard) set for between now and 2030. With the cost of solar and wind energy falling faster than expected in recent years, economics are also driving rapid expansion of clean energy investments. With this in mind, this report examines combinations of interregional AC and High-Voltage DC (HVDC) transmission upgrades and additions to evaluate the benefits of large-scale transmission expansion.

연구 동기 및 목표

• 2030년까지 미국의 강력한 청정 에너지 목표를 달성하기 위해 대규모 송전망 확장을 평가하는 것.
• 풍력 및 태양광 자원의 지리적 다양성이 시스템 비용을 낮추고 전력망 신뢰성을 향상시키는 방식을 평가하는 것.
• AC 및 HVDC 상호연결을 포함한 다양한 송전망 업그레이드 시나리오의 경제적 및 기술적 성능을 비교하는 것.
• 고도의 재생 가능 에너지 통합을 가능하게 하면서도 신뢰성 및 탄소 중립 목표를 충족시키는 비용 효율적인 송전 투자 전략을 식별하는 것.
• 통합된 국가 수준의 송전 전략의 이점을 정량화하여 정책 수립과 계획 수립을 지원하는 것.

제안 방법

• 고시간 해상도와 고공간 해상도를 갖춘 미국 전력 시스템의 생산 비용 모델을 개발하여 전력망 운영을 시뮬레이션한다.
• 모든 보조 기관 영역에 걸쳐 세부적인 송전망 업그레이드(AC 및 HVDC 선로 포함)를 통합한다.
• 청정 에너지 목표 하에서 발전 및 송전 결정을 최적화하기 위해 단위 기동 및 경제적 배분 프레임워크를 사용한다.
• 지역 간 재생 가능 자원 가용성 및 부하 패턴의 차이를 활용하여 상호연결된 에너지 유동을 모델링한다.
• 다양한 송전망 확장 시나리오를 평가하며, 특히 상호연결 전력 전송 능력을 최대화하는 '대규모 송전망' 구성도 포함한다.
• 태양광, 풍력 및 송전 인프라의 비용 데이터를 적용하여 시스템 수준의 LCOE와 투자 요구사항을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2030년까지 80%의 청정 전력을 달성하기 위해 필요한 AC 및 HVDC 송전망 업그레이드의 최적 구성은 무엇인가?
• RQ2 풍력 및 태양광 자원의 지리적 다양성이 시스템 비용과 송전 투자 수요를 어떻게 줄이는가?
• RQ3 지역별 또는 점진적 송전 계획 대비 국가 수준의 대규모 송전망이 가지는 비용 및 신뢰성 이점은 무엇인가?
• RQ4 다양한 송전망 확장 시나리오가 전기의 평균 비용과 온실가스 배출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 통합된 송전망 확장은 얼마나 많은 폐기 전력과 재생 가능 에너지 활용도 향상을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 확장된 AC 및 HVDC 송전망을 갖춘 국가 수준의 대규모 송전망은 기존 지역별 계획 방식 대비 총 시스템 비용을 30% 낮춘다.
• 대규모 송전망 시나리오는 점진적 확장 계획 대비 1MWh당 송전 투자 비용을 50% 낮추며 2030년까지 80%의 청정 전력을 달성할 수 있다.
• 지리적 다양성 덕분에 지역별 전용 배치 대비 재생 가능 에너지 폐기량이 60% 감소하여 자원 활용도가 향상된다.
• HVDC 선로는 특히 고자원 지역(플레인즈 및 남서부 지역)에서 수요 중심지로의 장거리 상호연결 전송에 핵심적인 역할을 한다.
• 대규모 송전망 구성은 고정형 비상 대체 설비의 필요성을 줄여 천연가스 및 탄소 집약적인 피크 발전소에 대한 의존도를 낮춘다.
• 본 연구는 태양광 및 풍력의 비용이 급격히 하락하고 있음에도 불구하고, 송전망 확장이 2030년 탄소 중립 목표 달성의 핵심 추진력임을 입증한다.