a16z: 분산형 그리드

저자: 라이언 맥엔러시, a16z 파트너, 번역: 0xjs@GoldenFinance

전력망은 광대하고 복잡한 전력선 및 발전소 시스템으로 우리 경제에 필수적이며 산업 경쟁력의 기반이 되는 요소입니다. 현재 미국은 심각한 도전에 직면해 있습니다. 인공지능 컴퓨팅, 환류, '전기화' 등으로 인해 2040년까지 미국의 전력 수요가 약 2배 증가할 것으로 예상되지만 전력망 인프라와 운영은 이를 따라잡기 위해 고군분투하고 있습니다.

에너지가 풍부한 미래를 맞이하려면 전기의 생산, 전송, 소비를 간소화해야 하며, 이를 위해서는 분산형 그리드가 필요합니다. 대규모 발전소와 장거리 송전선은 건설하기 번거롭지만 태양열, 배터리, 첨단 원자로와 같은 기술은 새로운 가능성을 열어줍니다. 비용이 많이 드는 장거리 배선을 피하고 현장에 직접 배치할 수 있는 이러한 기술 및 기타 "로컬" 기술은 향후 수십 년 동안 상당한 부하 증가를 지원하는 데 도움이 될 것입니다.

역사적으로 산업 확장은 대규모 중앙 집중식 발전소에 의존해 왔지만, 21세기에는 분산형 간헐적 에너지원으로, '허브 앤 스포크' 모델에서 분산형 네트워크로 전환되고 있습니다. 물론 이러한 변화는 새로운 도전을 가져오고 있으며, 그 격차를 해소하기 위해서는 혁신이 필요합니다.

성장통

미국 전력망은 동부, 서부, 텍사스 등 3개의 주요 상호 연결망으로 구성되어 있으며, 17개 NERC 조정자가 관리하고 ISO(독립 계통 운영자)와 RTO(지역 송전 사업자)가 지역 경제와 인프라를 감독합니다. 그러나 실제 발전과 송전은 지역 유틸리티 또는 협동조합이 담당합니다. 이러한 구조는 부하 증가가 적었던 시대에는 효과적이었지만, 오늘날의 수요를 충족하기 위해 그리드 인프라를 확장하는 것은 점점 더 어렵고 비용이 많이 드는 일이 되고 있습니다.

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접속 문제

그리드 운영자는 새로운 자산의 접속을 관리하고, 그리드가 해당 위치에서 불균형 없이 새로운 전력 추가를 지원할 수 있는지 평가하고, 필요한 업그레이드 비용을 결정하기 위해 접속 대기열을 사용합니다. 현재 2,000GW 이상의 프로젝트가 그리드 연결을 기다리고 있으며, 2022년에만 700GW 이상의 프로젝트가 대기 중입니다. 이는 미국 전체 전력망에 설치된 발전 용량이 1,200GW에 불과하다는 큰 숫자입니다.

그러나 현실은 많은 프로젝트가 그리드 연결 비용에 직면하여 중도 포기하고 있다는 것입니다. 역사적으로 대기열에 있는 프로젝트 중 10~20%만이 실현되며, 신청 후 최종 연결까지 5년 이상 걸리는 경우가 많고 그 시간은 점점 더 길어지고 있습니다. 발전 사업자들은 가장 저렴한 접속 지점을 결정하기 위해 여러 개의 추측성 제안서를 제출했다가 비용이 알려지면 불리한 제안을 철회하는 경우가 많아 타당성 조사가 복잡해집니다. 신청이 급증하면서 캘리포니아 전력망 운영사인 CAISO는 2022년에 신규 요청 수락을 중단해야 했고 2024년에 다시 중단할 계획입니다.

이것은 에너지 전환의 핵심적인 요금 제한 요소이자 비용 동인입니다. 최근 미국 에너지부 보고서에 따르면 2035년까지 높은 부하 증가를 충족하려면 새로운 자산을 통합하는 지역 내 송전은 128%, 지역 간 송전은 412% 증가해야 한다고 합니다. 보다 낙관적인 전망에서는 각각 64%와 34%의 성장률을 예상합니다.

제안된 개혁안은 이러한 개발 적체를 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 연방 에너지 규제 위원회(FERC)는 제안서를 필터링하고 수수료를 추가하여 검토 속도를 높이는 '선착순' 정책을 추진하고 있습니다. 텍사스 전기 신뢰성 위원회(ERCOT)는 '액세스 및 관리' 접근 방식을 사용하여 더 빠른 액세스를 허용하지만 그리드 신뢰성을 위협하는 경우 프로젝트 연결을 끊어 새로운 그리드 자산을 신속하게 추가하는 데 큰 성공을 거두었습니다. 새로운 그리드 자산을 빠르게 추가하는 데 큰 성공을 거두었습니다. 이러한 정책은 진전을 의미하지만, 건설 속도를 높이려면 NEPA와 같은 다른 규제를 간소화하는 것도 중요합니다.

그러나 승인을 받았음에도 불구하고 그리드 건설은 여전히 12개월 이상의 리드 타임, 가격이 400%나 급등한 대형 전력 변압기, 특수강 부족 등 공급망 장애물에 직면해 있습니다. 변압기 제조를 발전시키려는 연방 정부의 목표를 달성하려면 전기 철강 산업에 대한 지원, 특히 다가오는 2027년 에너지 효율 표준에 대한 지원도 필요합니다. 이 모든 것은 주로 날씨와 관련된 전력망 정전이 20년 만에 최고치를 기록하면서 하드웨어 교체가 필요한 시점에 이루어집니다.

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송전은 포함되지 않음

그리드 인프라 구축의 비용 개혁은 궁극적으로 소비자 가격 상승으로 나타납니다. 소비자가 지불하는 '소매 가격'은 도매 가격(전기 생산 비용)과 송전 요금(전기를 소비자에게 가져오는 데 필요한 인프라 비용)의 조합입니다. 결정적으로, 값싼 재생 에너지와 천연가스 발전 가격은 하락한 반면 전기 공급 가격은 급격히 상승했습니다.

이 모든 것은 여러 가지 이유 때문입니다. 유틸리티는 고정 수익 인프라 투자(비용 플러스 방어 계약과 유사)로부터 수익을 확보하기 위해 배전 요금을 사용하여 고객 발전 손실을 상쇄합니다. 재생 에너지의 성장으로 간헐적인 특성으로 인해 사용량이 적은 외딴 지역까지 전력선을 확장해야 합니다. 또한 전기화와 자가 발전이 증가함에 따라 부하의 변동성이 커지고 피크 수요를 위해 설계된 인프라는 비효율적이고 비용이 많이 듭니다.

정책 및 시장 조정은 이러한 운송 비용 상승에 대응하고 있으며, 캘리포니아에서 옥상 태양광과 같은 분산형 전력 시스템을 대규모로 채택한 것이 대표적인 예입니다.

캘리포니아의 순 에너지 계량(NEM) 프로그램은 처음에 주택 소유주가 전력 배전 비용을 무시하고 소매 가격으로 초과 태양광을 전력망에 다시 판매할 수 있도록 허용했습니다. 하지만 최근의 변화는 기본적으로 가변 도매 가격으로 전력을 매입하여 일반적으로 최저 전기 가격과 일치하는 피크 발전 시간대에 태양광 패널 소유자의 수익을 감소시킵니다. 이 조정으로 태양광 설비의 투자 회수 기간이 길어져 주택 소유자와 기업이 전력 저장 장치에 투자하여 더 수익성 있는 시간에 에너지를 판매할 수 있게 되었습니다.

캘리포니아 유틸리티는 또한 고정 요금은 소득 수준에 따라, 사용 요금은 소비량에 따라 달라지는 요금 청구 모델을 제안했습니다. 이는 부유한 고객이 전력망 인프라 비용을 더 많이 부담하고 저소득층을 소매 전기 요금 상승으로부터 보호하기 위한 조치입니다. 이 특정 정책은 최근 유사하지만 덜 극단적인 버전으로 보류되었지만, 이러한 아이디어는 부유한 고객이 전력망에서 완전히 이탈하는 결과를 초래할 수 있습니다. 고객 이탈은 남은 고객들의 비용 상승으로 이어져 '죽음의 나선'을 촉발할 수 있습니다. 일부에서는 이미 하와이의 전력 시장에서 이러한 현상이 일어나고 있으며, 일부 지역에서는 전기 히트 펌프로 빠르게 전환하고 있습니다.

불을 계속 켜두기

전기는 마술이 아니며 전력망은 복잡하게 작동합니다. 주어진 시간에 발전된 전기가 전기 수요, 즉 "부하"와 일치해야 하며, 이것이 바로 "그리드 밸런싱"의 의미입니다. 높은 수준에서 그리드 안정성은 일정한 주파수(미국의 경우 60Hz)를 유지하는 데 달려 있습니다.

전력선의 용량 초과로 인한 혼잡(전력망에 전력 덤핑)은 전력 제한 및 지역별 가격 차이로 이어질 수 있습니다. 또한 주파수 편차는 발전기와 모터 장비의 손상으로 이어질 수 있습니다. 관성이 없는 역방향 전원인 풍력, 태양광, 배터리도 확산됨에 따라 주파수 안정화를 복잡하게 만듭니다. 극단적인 경우에는 편차로 인해 정전이 발생하고 그리드에 연결된 장비가 손상될 수도 있습니다.

그리드의 내재적 취약성 때문에 안정적인 공급과 예측 수요를 맞추기 위해 그리드에 연결된 자산에 대한 신중한 고려가 필요합니다. 간헐적 전력(불안정한 공급)의 증가와 '전기화'(급증하는 수요)의 증가가 결합되어 힘든 과제를 야기하고 있습니다.

어디까지가 충분할까요?

부하의 약 3분의 2는 (대부분) 하루 전 경매를 통해 도매 시장에서 균형을 맞추며, 가격은 마지막으로 필요한 전력 단위의 비용에 따라 결정됩니다. 재생 에너지는 한계비용이 없고 활성화되면 일반적으로 다른 에너지원보다 높게 입찰되기 때문에 재생 에너지가 수요를 충족할 때는 가격 변동성이 매우 낮고 더 비싼 에너지가 필요할 때는 급등합니다(참고: 입찰가는 Levelised Cost of Energy LCOE와 다릅니다.)< /p>

태양광 및 풍력 에너지의 예측 불가능성과 노후화된 화석 연료 발전소의 폐쇄는 전력망 안정성에 압력을 가합니다. 이는 2022년 캘리포니아에서 발생할 2,400GWh의 폐기물처럼 블랙아웃(생산량 부족)과 전력 제한(생산량 초과)으로 이어질 수 있습니다. 이를 해결하려면 에너지 저장 및 송전 개선에 대한 투자가 필요합니다(아래 설명 참조).

또한 전력 공급이 예측 불가능해짐에 따라 비용 효율성과 유연성 때문에 천연가스의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. 천연가스는 필요할 때만 가동되는 '피크 발전소'를 통해 재생 에너지를 지원하는 데 자주 사용됩니다. 일반적으로 태양광과 풍력의 간헐적인 특성으로 인해 천연가스 화력 발전소와 기타 유형의 발전소는 간헐적으로 수익성이 떨어지고 때로는 기술적 이유로 지속적인 손실을 감수하고 운영되기도 합니다. 따라서 재생 에너지원이 오프라인 상태일 때 '피크 발전소'가 도매 가격을 책정하면 비용이 상승하여 소비자 가격 변동성이 커질 수 있습니다.

전력 수요도 변화하고 있습니다. 히트 펌프와 같은 기술은 에너지 효율이 높지만 재생에너지 발전량이 낮은 겨울철에는 부하 피크를 유발할 수 있습니다. 따라서 그리드 운영자는 전력 자산의 완충력을 유지해야 하며, 재생 에너지원은 자원 적정성 계획에서 간과되는 경우가 많습니다. 그리드 운영자는 일반적으로 '10분의 1' 규칙을 따르며 10년마다 전력 부족을 수용하지만 실제 계산은 더 복잡합니다. ERCOT에서는 가격 인상 인센티브를 대체할 전통적인 용량 시장이 없는 상황에서 재생 에너지가 그리드에 진입함에 따라 '비상 예비력'이 증가하는 것을 목격했습니다.

캘리포니아처럼 태양광 보급률이 높은 지역도 '덕 커브'에 직면해 있어 그리드 운영자는 일조량이 줄어들고 수요가 증가함에 따라 20기가와트 이상의 전력을 급격하게 추가해야 합니다. 이는 출력을 유지하도록 설계된 발전소에서는 기술적으로나 경제적으로 어려운 문제입니다.

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재생 에너지의 간헐적인 특성으로 인해 숨겨진 비용이 발생하여 그리드 운영자는 위험을 감수하거나 새로운 자산에 투자해야 합니다. 균등화발전비용은 프로젝트의 경제성을 평가하지만, 더 넓은 범위의 그리드에 대한 자산의 실제 가치를 지나치게 단순화합니다. 그러나 균등화발전비용은 원자력 발전소와 같은 새로운 자산을 건설하는 데 따르는 경제적 어려움을 강조합니다. 오늘날의 천연가스보다 더 비싸지만 원자력은 탈탄소화를 위한 강력하고 신뢰할 수 있는 경로를 제공합니다. 우리는 원자로 건설을 확대하기만 하면 됩니다.

그러나 원자력 에너지에만 의존할 수는 없습니다. 원자재 가격의 변동성은 말할 것도 없고, 러시아 에너지 제재 기간 동안 프랑스가 직면한 원자력 문제와 미국 남부의 추운 날씨로 인한 천연가스 문제에서 보듯이, 단일 에너지원에만 의존하는 것은 위험합니다. 캘리포니아처럼 재생 에너지원이 많은 지역도 매일 수입에 의존하는 에너지로 인해 불확실성에 직면해 있습니다. 아이슬란드나 스칸디나비아처럼 거의 100% 청정 에너지를 사용하는 곳도 위기 시에는 안정적인 백업 또는 수입 옵션을 유지합니다.

더 스마트해지기

전력 수요가 증가함에 따라 전력망은 분산과 간헐적인 재생에너지로 인해 복잡성이 증가함에 따라 대처하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 변화를 무력으로 강제할 수는 없으며, 이를 위해서는 우리는 정말 스마트해져야 합니다.

현재의 전력망은 낡고 '멍청한' 방식으로 발전소에 의존해 예측된 수요에 맞춰 생산량을 조정하고 안정성을 보장하기 위해 실시간으로 조금씩 조정하는 방식입니다.

그리드는 원래 대규모 발전소의 단방향 흐름에 맞게 설계되었지만, 옥상 태양광이 이웃의 전기차를 충전하는 것과 같이 모든 방향으로 전력을 공급하는 여러 소규모 전원 개념으로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 또한 실시간 조류에 대한 가시성이 부족하다는 점도 특히 배전 수준에서 큰 문제로 대두되고 있습니다.

주거용 태양광, 배터리, 첨단 원자력 및 (잠재적으로) 지열 에너지는 분산형 전력을 공급하여 인프라 개발의 필요성을 줄여줍니다. 하지만 끊임없이 변화하고 불안정한 전력망을 통합하려면 여전히 혁신적인 솔루션이 필요합니다. 또한 로컬 스토리지와 수요 측 대응(예: 그리드에 부하가 걸렸을 때 온도 조절기 끄기)을 통해 유틸리티 규모의 전력 시스템의 효율적인 사용을 크게 늘려 잠깐만 온라인 상태가 되는 저활용 자산을 구축해야 하는 피크를 줄일 수 있습니다.

"스마트 그리드"는 이 모든 것 이상을 달성하는 것을 목표로 하며, 세 가지 주요 기술 그룹으로 나눌 수 있습니다.

• 계량기 프론트엔드

• 동적 라인 정격, 솔리드 스테이트 변압기, 전압 관리 및 추세 시스템, 더 나은 도체, 인프라 모니터링, 그리드 규모 발전, 그리드 규모 스토리지 등입니다.

• 계측 백엔드

• 히트 펌프, 가전제품, 주거용 태양광 , 가정용 에너지 저장 장치, 전기 자동차 충전기, 스마트 온도 조절기, 스마트 미터, 마이크로 리액터 및 소형 모듈형 원자로, 마이크로 그리드 등입니다.

• 그리드 소프트웨어

• 가상 발전소, 더 나은 예보 , 장치 관리, 에너지 데이터 인프라, 사이버 보안, ADMS, 상호 연결 계획, 전력 금융 도구, 양자 간 계약 자동화 등을 제공합니다.

특히, '스마트 그리드'의 미래에 중요한 두 가지 주요 트렌드가 있습니다.

첫째, 국지적인 피크 부하를 완화하고 간헐적인 전력 공급을 안정화하기 위해 많은 수의 에너지 저장 시설을 구축해야 합니다. 축전지는 이미 소규모 전력 폭발에 매우 중요하며, 가격이 계속 하락하고 있기 때문에 더 오랜 기간 동안 사용할 수 있습니다. 하지만 수백 기가와트시 규모의 배터리를 확장하려면 공급망도 확장해야 합니다. 다행히도 경제 상황이 호조를 보이면서 배터리 보급이 계속 가속화될 것으로 예상되므로 기업가들은 가능한 모든 곳에서 배터리를 활용해야 합니다.

두 번째는 분산형 에너지 자산 네트워크의 구축과 통합을 가속화하는 것입니다. 전기가 통할 수 있는 모든 것은 전기가 통하게 될 것입니다. 이러한 시스템이 가정 및 그리드 규모의 에너지 시스템과 상호 작용할 수 있도록 하려면 다양한 새로운 솔루션이 필요합니다. 전기 자동차나 온도 조절기와 같은 "스마트" 장치를 모으면 대규모 에너지 자산의 동작을 모방하는 가상 발전소를 만들 수도 있습니다.

미래는 어떻게 될까요?

그리드 확장을 위한 핵심 과제는 경제성과 신뢰성을 모두 고려하여 중앙 집중식 시스템과 분산형 시스템 간의 균형을 신중하게 맞추는 것입니다. 중앙 집중식 그리드는 단순하고 (종종) 안정적이지만 복잡한 수요 변동과 높은 고정 비용(예: 전 세계 대형 원자력 발전소 대부분이 정부 지원)에 직면하며, 분산형 그리드는 아직 초기 배포 단계에 있지만 더 저렴하지만 인도의 일부 농촌 지역사회의 선호도에서도 알 수 있습니다.

명확히 알아야 할 것은 오늘날 우리가 가지고 있는 중앙 집중식 그리드가 사라지지는 않을 것이며, 오히려 더 확장되어야 할 것이지만 이를 둘러싸고 있는 분산형 자산의 성장하는 네트워크에 의해 소비될 것이라는 점입니다. 강한>. 납세자들은 점점 더 자가 발전과 저장에 의존하게 될 것이며, 기존의 전력 독점에 도전하고 규제와 시장 개혁을 주도하게 될 것입니다. 이러한 자가 발전 추세는 특히 신뢰성이 중요한 에너지 집약적 산업에서 극단적으로 나타날 것이며, 아마존과 마이크로소프트는 이미 원자력 발전 데이터 센터를 <강조> 추구하고 있으며, 우리는 새로운 원자로의 개발과 배치를 가속화하기 위해 할 수 있는 모든 일을 해야 할 것입니다.

보다 광범위하게 보면, 요금 납부자들은 안정적이고 저렴하며 깨끗한 전력을 필요로 하며, 이러한 전력은 종종 이러한 순서로 필요합니다. 독특한 위치, 혁신하기 쉬운 "순수 에너지" 시장, 자유로운 상호 연결 정책을 갖춘 ercot은 분산형 그리드를 통해 이를 언제, 어떻게 달성할 수 있는지 지켜보는 데 핵심이 될 것입니다. 중앙 집중식 그리드. 이러한 변화를 성공적으로 헤쳐나간다면 상당한 경제 성장으로 이어질 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.

결정적으로, 이러한 분산형 그리드를 구축하려면 가장 유능한 기업가와 엔지니어가 필요합니다.우리는 사전 고객, 사후 고객 및 그리드 소프트웨어 기술에서 심각한 혁신을 이룬 '스마트 그리드'가 필요합니다. 정책과 경제 동향이 이러한 전력 개발을 가속화할 것이지만, 분산형 그리드가 기존 그리드보다 더 잘 작동하도록 하는 책임은 민간 부문이 져야 할 것입니다.

미국 전력망의 미래는 새로운 기술을 사용하고 자유 시장을 수용하여 미국의 과제를 극복하고 보다 효율적이고 역동적인 에너지 환경을 위한 길을 닦는 데 있습니다. 이것은 21세기의 위대한 사업 중 하나이지만 우리는 반드시 도전에 나서야 합니다.

세계는 빠르게 변화하고 있으며 그리드도 이에 맞춰 변화해야 합니다.