[논문 리뷰] Italy 100% Renewable: A Suitable Energy Transition Roadmap

Francesco Meneguzzo, Rosaria Ciriminna외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Global Energy and Sustainability Research참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이탈리아의 2050년 100퍼센트 재생 가능 에너지 전환 로드맵을 제안하며, 태양광 패널, 풍력, 수력 발전에 더하여 이산화탄소, 물, 여유 전력으로 효소를 이용해 합성한 다당류에 의한 에너지 저장을 기반으로 한다. 연구는 추가로 필요한 발전 용량, 저장 수요 및 비용을 정량화하여, 이러한 시스템이 기술적으로도 경제적으로도 타당하며 약 10년의 회수 기간을 가진다고 결론내린다.

ABSTRACT

We outline a realistic energy transition roadmap for Italy, in which the whole energy demand is met by electricity generated by low cost renewable energy technologies, namely solar photovoltaic, wind and hydroelectric power. We assess the amount of extra power and storage capacity to be installed along with costs, return on investment and payback time. Based on cost, renewable nature and scalability, storage in energy dense polysaccharides enzymatically synthesized from carbon dioxide, water and surplus electricity is proposed to meet the significant storage requirements.

연구 동기 및 목표

• 2050년까지 이탈리아의 전체 에너지 시스템을 100퍼센트 재생 가능한 전기로 전환할 수 있는지를 평가하는 것.
• 계절적 및 일일 수요 변동을 감당하기 위해 추가로 필요한 전력 발전 및 저장 용량을 정량화하는 것.
• 투자 비용, 투자 수익률, 회수 기간을 포함한 전환의 경제적 타당성을 평가하는 것.
• 이산화탄소와 여유 전력으로부터 효소를 이용해 합성한 다당류를 이용한 확장 가능하고 저비용이며 재생 가능한 에너지 저장 솔루션을 제안하는 것.
• 기후 및 에너지 안보 목표에 부합하는 정책에 기여할 수 있는 데이터 기반의 로드맵을 제공하는 것.

제안 방법

• 연구는 이탈리아 전력망 운영 기관인 테르나(Terna)가 제공한 2014~2015년 동안의 시간대별 전력 수요 및 재생 가능 에너지 발전 데이터를 사용하여 연간 에너지 균형을 모델링한다.
• 모든 교통, 난방 및 냉방 분야의 전기화를 가정할 때, 총 전력 수요를 충족시키기 위해 추가로 필요한 지상 풍력 및 대규모 태양광 패널 용량을 계산한다.
• 에너지 저장 수요는 여유 전력 생산과 수요 불일치를 기반으로 추정되며, 주로 계절적 및 일일 변동성에 초점을 맞춘다.
• 새로운 저장 솔루션으로서, 효소를 이용해 CO₂, 물 및 여유 전력으로부터 에너지 밀도가 높은 다당류(예: 갈락토스 기반 고분자 유사체)를 합성하는 방법을 제안한다.
• 비용은 태양광 패널, 풍력 터빈 및 저장 기술의 현재 및 예상 가격을 기반으로 모델링되며, 투자 수익률 및 회수 기간은 에너지 절감 효과와 화석 연료 비용 회피를 기반으로 계산된다.
• 열전기 효율(0.38)과 에너지 변환 계수를 고려하여 전력 수요를 원자재 에너지 등가로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2050년까지 이탈리아의 전기 시스템을 완전히 탈탄소화하기 위해 추가로 필요한 태양광 및 풍력 용량은 어느 정도인가?
• RQ2 특히 계절적 및 일일 변동성에 대비하여 100퍼센트 재생 가능 운영에서 전력망 안정성을 확보하기 위해 필요한 저장 용량과 기술은 무엇인가?
• RQ3 이산화탄소와 여유 전력으로부터 효소를 이용해 다당류를 합성하는 것이 확장 가능하고 저비용이며 재생 가능한 에너지 저장 솔루션으로서 가능할 수 있는가?
• RQ4 이탈리아의 100퍼센트 재생 가능 에너지 전환을 위한 총 투자 비용, 투자 수익률, 회수 기간은 얼마인가?
• RQ5 바람과 태양광 발전의 지리적 분포와 상호 보완성은 전력망 신뢰성과 비상 대체 용량의 필요성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 2015년 이탈리아의 총 1차 에너지 수요는 185.6 MTOE였으며, 이 중 82퍼센트는 주로 유연탄과 천연가스를 포함한 화석 연료에서 유래했다.
• 2050년까지 이탈리아의 전력 수요를 재생 가능 에너지원으로 완전히 충당하기 위해 추가로 68 GW의 지상 풍력 및 110 GW의 대규모 태양광 패널 용량이 필요할 것으로 추정된다.
• 공급과 수요를 균형 잡기 위해 약 120 TWh의 계절적 에너지 저장 용량이 필요할 것으로 추정되며, 주로 겨울 기간 동안 발생한다.
• 제안된 효소 기반 저장 시스템은 CO₂, 물 및 여유 전력으로부터 다당류를 생성함으로써 배터리 대비 확장 가능하고 재생 가능하며 저비용 대안을 제공한다.
• 전체 전환에 필요한 총 투자 비용은 약 €1.2兆 유로로 추정되며, 화석 연료 비용 회피와 에너지 절감 효과를 기반으로 약 10년의 회수 기간을 가진다.
• 이 전환은 이탈리아의 연간 이산화탄소 배출량을 1억 5천만 톤 이상 감소시켜 유럽연합의 기후 목표를 달성하고 에너지 자립도를 강화할 것이다.