AI와 에너지의 미래, 함께 해결해요! 💡🌱 AI 전력 수요 증가와 지속가능한 해결책을 찾아서

인공지능(AI) 전력 수요 증가: 불가피한 미래인가, 지속 가능한 미래인가? ⚡

인공지능, 새로운 에너지 소비자로 떠오르다

2024년 현재, 인공지능(AI)은 전 세계 전력 소비량에 상당한 영향을 미치고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2022년 전 세계 데이터센터의 전력 소비량은 460TWh(테라와트시)였으며, 2026년에는 최대 1050TWh까지 증가할 것으로 예상됩니다. 이는 스웨덴, 아르헨티나, 네덜란드 등 국가 전체의 연간 전력 소비량과 맞먹는 수준입니다.

이러한 급격한 증가는 다음과 같은 요인들에 의해 발생합니다.

• 데이터센터 증설: AI 기술의 발전과 활용 확대로 인해 데이터센터의 규모와 수가 급격히 증가하고 있습니다.
• 고성능 컴퓨팅: AI 모델 학습과 실행에는 고성능 컴퓨팅 시스템이 필요하며, 이는 많은 전력을 소비합니다.
• 딥러닝 모델의 복잡성: 딥러닝 모델은 더욱 복잡하고 대규모화되어 더 많은 전력을 필요로 합니다.

AI, 에너지 문제의 심화 요인인가, 해결책인가?

AI 기술의 발전은 에너지 문제에 있어 양날의 검과 같습니다. 한편으로는 전력 소비를 증가시키는 요인이 될 수 있지만, 다른 한편으로는 에너지 효율을 높이는 데 활용될 수 있습니다.

AI 기술의 에너지 효율 활용 사례:

• 스마트 그리드: AI 기술을 활용하여 전력망을 최적화하고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
• 재생 에너지: AI 기술을 활용하여 재생 에너지 생산량을 늘리고, 효율적으로 관리할 수 있습니다.
• 에너지 절약: AI 기술을 활용하여 건물, 가전제품 등의 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

지속 가능한 AI 미래를 위한 노력

AI 기술의 발전과 함께 에너지 문제 해결을 위한 노력도 함께 이루어져야 합니다.

지속 가능한 AI 미래를 위한 방안:

• 에너지 효율적인 AI 기술 개발: AI 기술 자체의 에너지 효율을 높이는 연구 개발이 필요합니다.
• 재생 에너지 활용: 데이터센터 및 AI 시스템에 재생 에너지를 활용해야 합니다.
• 에너지 정책 개선: AI 기술의 발전에 맞춰 에너지 정책을 개선하고, 에너지 효율을 높일 수 있는 환경을 조성해야 합니다.

AI 전력 수요 증가, 미래 사회에 미치는 영향

AI 전력 수요 증가는 단순히 에너지 문제에만 국한되지 않습니다. 경제, 사회, 환경 등 다양한 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.

AI 전력 수요 증가의 영향:

• 전력 부족: 전력 수요 증가는 전력 부족 문제를 심화시킬 수 있습니다.
• 온실 가스 배출 증가: 전력 생산 증가는 온실 가스 배출량 증가로 이어질 수 있습니다.
• 에너지 비용 증가: 에너지 소비 증가는 에너지 비용을 증가시킬 수 있습니다.

따라서 AI 기술의 발전과 함께 에너지 문제 해결을 위한 노력을 통해 지속 가능한 미래를 만들어나가야 합니다.

 

친환경 전환과 기저전력 문제: 해결해야 할 과제

친환경 에너지로의 전환은 기후 변화 문제 해결을 위해 필수적이지만, 기저전력 확보 문제는 여전히 해결해야 할 과제입니다. 기저전력은 24시간 끊임없이 공급되어야 하는 최소한의 전력을 의미하며, 재생에너지는 불안정한 특성을 가지고 있어 기저전력 확보에 어려움을 겪고 있습니다.

기저전력 문제의 심각성

• 전력 공급 불안정: 기저전력 부족은 정전, 송전망 불안정, 경제적 손실 등을 초래할 수 있습니다.
• 에너지 안보 약화: 기저전력 부족은 해외 에너지 의존도를 높이고 에너지 안보를 약화시킬 수 있습니다.
• 사회적 혼란: 장기간 정전은 사회적 혼란을 야기할 수 있습니다.

친환경 전환과 기저전력 문제 해결 방안

• 에너지 저장 기술 개발: 재생에너지 생산량 변동을 해결하기 위한 에너지 저장 기술 개발이 필요합니다.
• 다양한 재생에너지 활용: 태양광, 풍력, 수력, 바이오 등 다양한 재생에너지를 활용하여 기저전력 확보를 위한 포트폴리오를 구축해야 합니다.
• 화석 연료 단계적 탈퇴: 화석 연료는 기저전력 확보에 중요한 역할을 하지만, 탄소 배출량 감소를 위해 단계적으로 탈퇴해야 합니다.
• 국제 협력 강화: 기저전력 문제는 국제적인 협력을 통해 해결해야 합니다.

기저전력 문제 해결을 위한 기술

• 에너지 저장 기술: 배터리, 펌프드 스토리지, 압축공기 에너지 저장 등 다양한 에너지 저장 기술 개발이 진행되고 있습니다.
• 스마트 그리드: 송전망을 효율적으로 관리하고 재생에너지 활용을 극대화하는 스마트 그리드 구축이 필요합니다.
• 수소 에너지: 수소 에너지는 저장 및 운송이 용이하고 탄소 배출량이 없는 친환경 에너지원으로 기저전력 확보에 기여할 수 있습니다.

친환경 전환과 기저전력 문제는 서로 상충되는 것처럼 보이지만, 기술 개발과 정책적 노력을 통해 해결할 수 있습니다. 다양한 재생에너지 활용, 에너지 저장 기술 개발, 국제 협력 강화 등을 통해 안전하고 지속가능한 에너지 시스템을 구축해야 합니다.

 

ESS: 에너지 저장의 미래

ESS(Energy Storage System)는 에너지를 저장하여 필요한 시점에 방출하는 시스템을 말합니다. 최근 재생에너지 활용이 증가함에 따라 ESS의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다. 태양광이나 풍력과 같은 재생에너지는 기상 조건에 따라 발전量が 변동하기 때문에 이를 안정적으로 공급하기 위해서는 ESS가 필요합니다.

ESS의 장점

• 안정적인 전력 공급: 재생에너지의 불안정한 발전 출력을 조절하여 안정적인 전력 공급을 보장합니다.
• 에너지 효율 개선: 저전력 시간대에 잉여 전력을 저장하여 고전력 시간대에 사용함으로써 에너지 효율을 개선합니다.
• 피크 시설 설비 감소: 최대 전력수요 시간대 (피크 타임) 발전량을 늘리기 위해 필요한 대규모 발전 설비 투자를 줄일 수 있습니다.
• 재생에너지 활용 촉진: ESS를 통해 재생에너지의 안정적인 공급이 가능해지면서 재생에너지 활용을 촉진합니다.

ESS의 종류

ESS는 크게 전력용 ESS 와 산업용 ESS로 구분됩니다.

• 전력용 ESS 는 발전소와 변전소에 설치되어 대용량의 전력을 저장하는 시스템입니다. 리튬 이온 배터리가 주로 사용됩니다.
• 산업용 ESS 는 공장, 기업, 상업 시설 등에 설치되어 소용량의 전력을 저장하는 시스템입니다. 리튬 이온 배터리 외에 리튬폴리머 배터리, 납 축전지 등도 사용됩니다.

 

🌊 2024년까지 펌프수력저장 투자 3500억 달러 돌파 예정! 미래 에너지의 키워드 🚀

펌프수력저장의 세계적 확장

2024년까지 펌프수력저장에 대한 투자는 3500억 달러를 초과하고, 설치 용량은 200GW를 넘어설 것으로 예상됩니다. 이는 지역별 시장 특성, 주요 시장 참여자, 정책, 발표된 프로젝트를 포함한 다양한 요인에 따른 것입니다. 특히, 아시아 태평양 지역은 펌프수력저장 용량 설치의 증가와 빠른 경제 발전으로 인한 에너지 소비 증가로 가장 큰 수익 기여자가 될 것으로 보입니다.

기술 혁신과 환경적 영향

펌프수력저장은 오랜 기간 동안 대량의 에너지를 저장할 수 있어 재생 가능 에너지의 과잉을 저장하고 그리드 균형을 제공하는 데 이상적입니다. 닫힌 회로(closed-loop) 프로젝트는 환경에 미치는 영향이 적고, 물 사용을 최소화하며 자연수체를 방해하지 않아 선호됩니다. 기술 혁신은 펌프수력저장 시장의 주요 추세로, 주요 회사들은 시장 위치를 유지하기 위해 새로운 기술 개발에 주력하고 있습니다.

재생 가능 에너지와의 통합

펌프수력저장은 재생 가능 에너지원의 통합과 균형을 위한 핵심 기술입니다. 특히, 풍력 및 태양광과 같은 가변 재생 가능 에너지원을 보완하는 데 필요한 장기간 전기 저장이 중요합니다. 이 기술은 전력 수요가 증가하는 시간에 대량의 에너지를 제공함으로써, 재생 가능 에너지의 효율적인 사용을 가능하게 합니다.

시장 전망

2023년 글로벌 펌프수력저장 시장은 3478억 달러에서 2023년에는 3787.9억 달러로 성장할 것으로 예측되며, 2027년까지는 5267.1억 달러에 이를 것으로 보입니다. 이러한 성장은 전 세계적으로 전기 수요의 증가, 기술 발전, 전략적 파트너십의 증가에 기인합니다.

결론

펌프수력저장은 재생 가능 에너지원의 통합, 대규모 에너지 저장, 그리드 안정성 제공에 있어 중요한 역할을 합니다. 기술 혁신과 환경적 영향을 최소화하는 닫힌 회로 프로젝트의 성장은 이 기술의 미래 발전 가능성을 더욱 강화합니다.

Pumped Hydro Storage to surpass $350 billion in investment by 2024 - Climate Action

Pumped Hydro Storage Market Size & Growth Report, 2030 (psmarketresearch.com)

Pumped Hydro Storage Global Market Report 2024 (researchandmarkets.com)

The future of energy storage: how pumped hydro storage can help us achieve our net zero targets | SSE

 

펌프식 수력 발전이란 무엇인가요? 에너지 저장의 대명사! 💡

펌프식 수력 발전의 정의와 작동 원리

펌프식 수력 발전(PSH) 또는 펌프식 수력 에너지 저장(PHES)은 전력 시스템에서 부하 균형을 위해 사용되는 수력 에너지 저장 방식입니다. 이 방식은 저렴한 오프피크 시간대의 전력을 사용해 낮은 곳에 위치한 저수지에서 물을 높은 곳으로 펌프질하여 중력 위치 에너지의 형태로 에너지를 저장합니다. 전기 수요가 높은 시기에 저장된 물을 터빈을 통해 방출시켜 전기를 생산합니다. 펌프 과정에서 발생하는 손실에도 불구하고, 전력을 더 높은 가격에 판매할 수 있어 수익을 증가시킵니다.

펌프식 수력 발전의 역할과 중요성

펌프식 수력 발전은 간헐적인 에너지원(태양광, 풍력 등)과 기타 재생 가능 에너지, 또는 지속적인 베이스로드 소스(석탄, 원자력 등)에서 발생하는 초과 전력을 높은 수요 시기에 사용할 수 있도록 저장합니다. 이 방식은 그리드 에너지 저장에서 가장 큰 용량의 형태로, 2020년 기준으로 전 세계적으로 활성 추적 저장 설비의 약 95%를 차지하며, 총 설치 용량은 181GW 이상입니다.

기술적 요구사항과 환경적 영향

펌프식 수력 발전의 주요 요구사항은 산지입니다. 전 세계적으로 60만 개가 넘는 잠재적인 사이트가 있으며, 이는 100% 재생 가능 전력을 지원하는 데 필요한 것보다 약 100배 많은 수치입니다. 대부분의 프로젝트는 강에서 벗어난 폐쇄 루프 시스템을 사용하며, 일부 프로젝트는 호주에 있는 스노위 2.0 계획과 같이 기존의 저수지를 활용합니다. 물과 토지 요구사항은 비교적 작으며, 폐쇄 루프 시스템은 대규모 에너지 저장 후보 중 가장 작은 탄소 배출을 가집니다.

 

펌프식 수력 발전의 원리와 경제성, 어떻게 작동하나요? 🌊

기본 원리

펌프식 수력 발전소는 전기 수요가 낮은 시간에 물을 상부 저수지로 펌핑하여 저장했다가, 수요가 높아질 때 하부 저수지로 물을 방류하여 터빈을 통해 전기를 생산합니다. 이 과정에서 가역 터빈/발전기 조립체가 펌프와 터빈 발전기 역할을 겸합니다. 변속 운전은 펌프식 수력 저장소의 효율을 더욱 최적화시킵니다. 소규모 펌프식 수력(Pump As Turbine, PAT)에서는 펌핑과 발전 단계에 각각 다수의 펌프와 PAT를 사용할 수 있으며, 같은 펌프가 회전 방향과 속도를 변경하여 두 모드에서 모두 사용될 수 있습니다.

유형

펌프식 수력 발전소는 자연수역이 없는 상부 저수지를 사용하는 순수 펌프 저장소와 자연 유입수를 일부 활용하는 상부 저수지를 가진 펌프백 발전소로 나뉩니다. 닫힌 루프 시스템에서는 두 저수지 모두 인공적이며 자연 유입수가 전혀 없습니다.

경제 효율성

변환 손실과 노출된 수면으로 인한 증발 손실을 고려하더라도, 70-80% 이상의 에너지 회수율을 달성할 수 있습니다. 이 기술은 대량의 전기 에너지를 저장하는 가장 비용 효율적인 수단입니다. 그러나 자본 비용과 적절한 지리적 조건은 펌프식 저장소 사이트 선정에 있어 중요한 결정 요인입니다.

추가 이점

펌프식 수력 발전은 전력망의 부하 변동을 평활화하고, 기저 부하 발전소의 효율적 운영을 지원하며, 주파수와 전압 안정성을 제공합니다. 특히 재생 가능 에너지원의 변동성을 조절하는 데 중요한 역할을 하며, 소규모 시설도 존재합니다.

 

세계에서 펌프 저장 기술의 발전과 활용 🌍

펌프 저장 기술의 역사

펌프 저장 기술은 1907년 스위스 샤프하우젠 근처의 Engeweiher에서 처음 사용되었습니다. 1930년대에는 터빈 발전기로도, 전기 모터 구동 펌프로도 작동할 수 있는 가역 수력 터빈이 등장했습니다. 최신 대형 공학 기술에는 발전 시 네트워크 주파수와 동기화하여 작동하지만, 펌핑할 때는 비동기적으로 작동하는 가변 속도 기계가 포함됩니다. 미국에서는 1930년 코네티컷 전력 회사가 뉴 밀퍼드 근처의 대형 저수지를 이용해 처음으로 펌프 저장을 사용했습니다.

전 세계적인 펌프 저장 사용

2009년 기준으로 전 세계 펌프 저장 발전 용량은 104GW였으며, EU는 세계 용량의 36.8%인 38.3 GW의 순 용량을 가지고 있었습니다. 일본은 25.5 GW의 순 용량을 가지고 있었습니다. 2010년 미국의 펌프 저장 발전 용량은 21.5 GW였으며, 2020년에는 21,073 GWh의 에너지를 공급했습니다. 2014년까지 미국의 명목 펌프 저장 용량은 21.6 GW로 성장했으며, 미국에서는 새로운 펌프 저장 수력 발전소에 대한 51개의 활성 프로젝트 제안이 있었습니다.

대형 펌프 저장 시설

세계에서 가장 큰 펌프 저장 시설 중 다섯 곳은 중국의 Fengning, 미국의 Bath County, 중국의 Guangdong, Huizhou, 일본의 Okutataragi, 그리고 미국의 Ludington입니다. 이 표는 발전 용량을 메가와트(MW) 단위로 나타내며, 전체 에너지 저장 용량은 메가와트시(MWh)의 다른 본질적 속성입니다.

국가별 펌프 저장 용량

2017년 기준으로 가장 큰 펌프 저장 용량을 가진 국가는 중국, 일본, 미국, 스페인, 이탈리아 등이 있습니다. 호주는 15GW의 펌프 저장이 건설 중이거나 개발 중입니다. 예를 들어, 2018년 6월 호주 정부는 태즈메이니아에서 펌프 저장 수력에 대한 14개의 사이트를 식별했으며, Snowy 2.0 프로젝트와 퀸즐랜드 중앙의 Pioneer-Burdekin에서 발표된 PHES 계획은 세계에서 가장 큰 PHES가 될 잠재력을 가지고 있습니다.

노르웨이에서는 계절적 펌핑에 초점을 맞춘 9개의 펌프 저장 발전소가 있으며, 대부분의 시설은 물을 무한정 순환시키지 못하고 한 번만 펌핑 및 재사용할 수 있습니다.

 

수력 발전의 혁신적 변화: 펌프백 수력 발전소의 다양한 활용법 🌊

펌프백 기술의 확장

펌프백 수력 발전은 기존의 수력 발전 방식에 저장 기능을 추가한 혁신적인 방식입니다. 물이 자연적으로 저수지로 흘러들어와 전력을 생산하는 동시에, 댐 아래에서 저수지로 물을 다시 올려 보내어 저장하는 시스템을 말합니다. 미국의 그랜드 쿨리 댐은 1973년에 펌프백 시스템으로 확장되었고, 기존 댐에 역방향 터빈을 추가하여 발전소가 최대 용량으로 운영될 수 있는 시간을 연장할 수 있습니다. 또한, 러셀 댐과 같은 펌프백 발전소를 새로 추가하여 발전 용량을 증가시킬 수 있습니다.

중국의 투자 계획

2019년 1월, 중국 국가전력망공사는 허베이, 길림, 절강, 산동성과 신장 자치구에 위치할 총 6GW 용량의 펌프 수력 저장소 5개에 57억 달러를 투자할 계획을 발표했습니다. 중국은 2020년까지 40GW의 펌프 수력 용량을 구축하려고 합니다.

잠재적 기술들

• 해수: 해수를 이용한 펌프 저장소는 담수에 비해 추가적인 도전이 있지만, 프랑스의 랑스 조수력 발전소와 같이 부분적으로 펌프 저장소로 작동할 수 있습니다.
• 해안가 담수 저수지: 강물의 홍수를 해안가에 저장하여 에너지 저장, 관개, 산업용수 공급 등 다양한 목적으로 활용할 수 있습니다.
• 지하 저수지: 기존의 지하 공간을 활용하여 비용을 절감할 수 있는 지하 펌프 저장 프로젝트가 제안되었습니다.
• 소규모 시스템: 소규모 펌프 저장 시스템은 분산된 에너지 저장과 유연한 전력 생산을 가능하게 하며, 간헐적인 재생 가능 에너지 기술의 탈중앙화 통합에 기여할 수 있습니다.
• 수중 저수지: 수중에 위치한 구체형 저수지를 이용한 펌프 저장 시스템으로, 물이 내부로 들어올 때 생성되는 전력의 양은 구체가 위치한 깊이에 비례하여 증가합니다.

결론

펌프백 수력 발전 기술은 기존 수력 발전의 한계를 넘어서며, 재생 가능 에너지의 효율적인 저장 및 활용 방안을 제공합니다. 중국의 대규모 투자 계획부터 해수, 지하 저수지, 소규모 및 수중 저장소에 이르기까지 다양한 형태로 발전하고 있으며, 이는 전 세계적으로 지속 가능한 에너지 솔루션을 모색하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

 

압축공기 에너지 저장: 미래 에너지 시장의 떠오르는 별

압축공기 에너지 저장(CAES)은 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축하고, 필요 시 저장된 압축공기를 사용하여 터빈을 돌려 전력을 생산하는 에너지 저장 기술입니다. 친환경적이고 경제적인 장점을 가지고 있어 미래 에너지 시장의 떠오르는 별로 주목받고 있습니다.

작동 원리:

• 압축 단계: 잉여 전력으로 공기를 압축하여 지하 저장소에 저장합니다.
• 저장 단계: 압축된 공기는 지하 저장소에 안전하게 저장됩니다.
• 발전 단계: 필요 시 저장된 압축공기를 방출하여 터빈을 돌려 전력을 생산합니다.

장점:

• 친환경적: 탄소 배출 없이 에너지를 저장할 수 있습니다.
• 경제적: 다른 에너지 저장 기술에 비해 설치 및 운영 비용이 저렴합니다.
• 대규모 저장 가능: 대용량의 에너지를 장기간 저장할 수 있습니다.
• 안정적인 공급: 재생에너지의 불안정성을 보완하여 안정적인 전력 공급을 가능하게 합니다.
• 다양한 활용: 전력 시스템 안정화, 주파수 조절, 피크 시설 설비 감소 등 다양한 용도로 활용될 수 있습니다.

단점:

• 낮은 효율: 압축 및 방출 과정에서 에너지 손실이 발생합니다.
• 공간 필요: 대규모 저장 시스템을 구축하기 위해 많은 공간이 필요합니다.
• 기술 개발 필요: 압축공기 저장 기술의 효율성을 높이고 경제성을 개선하기 위한 지속적인 기술 개발이 필요합니다.

활용 사례:

• 미국 아이오와 주의 맥도날드 섬 CAES 발전소: 세계 최초의 상업용 CAES 발전소
• 독일의 헌터슈타인 CAES 발전소: 유럽 최대 규모의 CAES 발전소
• 한국의 경북 김천 CAES 발전소: 국내 최초의 CAES 발전소 (2022년 상용화)

압축공기 에너지 저장 기술은 친환경적이고 경제적인 에너지 저장 기술로서 미래 에너지 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 기술 개발과 정책 지원을 통해 CAES 기술의 효율성을 높이고 경제성을 개선한다면, CAES는 재생에너지 확대와 미래 에너지 시스템 구축에 중요한 기여를 할 수 있을 것입니다.