재활용된 석유정: 녹색 에너지 저장의 새로운 프런티어

전 세계 평균 지표면 온도는 이미 산업화 이전 수준보다 약 1.2 °C 높으며, 인간, 동물 및 인프라에 위험을 초래하는 극심한 기상 현상을 일으키고 있습니다.

에너지 부문은 오염과 지구 온난화의 주요 원인 중 하나이며, 화석 연료 연소는 온실 가스(GHG) 배출의 주요 원천 및 대기 오염 물질의 주요 원천입니다. 이는 풍력 및 태양광과 같은 재생 가능 에너지로의 전환을 촉진하는 에너지 전환 운동으로 이어졌습니다.

재생 가능 에너지 전환은 2050년까지 탄소 제로 에너지 시스템을 구축한다는 목표 하에 빠른 속도로 가속화되고 있습니다. 

재생 가능 에너지의 부상 – 그러나 함정이 있다

2024년에 재생 가능 전력 용량이 급증하여 4,448 기가와트(GW)에 도달했으며, 이는 International Renewable Energy Agency (IRENA)의 보고에 따른 것입니다. 

지난 해 추가된 585 GW는 전체 용량 확대의 92.5 %를 차지하며 연간 성장률 15.1 %라는 사상 최고 기록을 기록했습니다.

“우리가 매년 목격하는 재생 가능 에너지의 지속적인 성장은 재생 가능 에너지가 경제적으로 타당하고 즉시 배치 가능하다는 증거입니다. 매년 자체 확장 기록을 깨고 있지만, 지역 간 격차와 2030년 마감 시한이 임박함에 따라 시계가 째깍거리는 동일한 도전 과제에도 직면하고 있습니다.” 

– IRENA Director-General Francesco La Camera

재생 가능 에너지 유형 중에서, 태양광 에너지는 32.2 %의 가장 높은 용량 확대율을 기록하여 1,865 GW에 도달했습니다. 이 중 태양광 발전은 지난해 451.9 GW가 증가했으며, 중국만 278 GW를 추가했으며, 그 다음으로 인도가 24.5 GW를 추가했습니다.

태양광에 이어 풍력 에너지가 11.1 % 성장했으며, 전체 용량은 1,133 GW에 이르렀습니다. 이 확대는 주로 중국과 미국이 주도했습니다.

펌프식 저장 수력을 제외한 수력 용량은 1,283 GW로 상승했으며, 역시 중국이 주도했습니다. 바이오에너지는 4.6 GW가 증가했으며, 중국과 프랑스가 각각 1.3 GW를 추가했습니다. 뉴질랜드는 전체 0.4 GW 증가한 지열 에너지 확대를 선도했습니다.

재생 가능 에너지 원은 에너지 전환을 촉진하는 유망한 방법이지만, 풍력 및 태양광과 같은 녹색 에너지는 본질적으로 간헐적입니다. 이는 나중에 사용할 에너지를 저장할 더 나은 방법이 필요함을 의미합니다.

해결책으로 펜실베니아 주립대 연구진은 고갈된 석유·가스 정을 지열 보조 압축 공기 에너지 저장(GA-CAES) 시스템으로 재활용하는 방안을 제안했으며, 이는 에너지 저장 시스템의 효율성을 9.5 % 향상시킬 수 있습니다.

According to the study’s corresponding author, Arash Dahi Taleghani, who is a professor of petroleum and natural gas engineering at Penn State:

“때때로 에너지가 필요할 때 햇빛이 없거나 바람이 없을 때가 있습니다. 이는 현재 이용 가능한 대부분의 재생 가능 에너지 확장에 큰 장벽이 됩니다. 따라서 전력을 지원하기 위해 저장 용량을 확보하는 것이 매우 중요합니다.”

대규모 및 장기 지속 에너지 저장 솔루션

에너지 저장은 안정적이고 신뢰할 수 있으며 지속 가능한 에너지 시스템의 핵심입니다. 생산된 에너지를 나중에 사용하도록 포착함으로써 간헐적인 재생 가능 에너지의 통합을 가능하게 하고, 전력망 안정성을 향상시키며 풍력·태양광 전력 활용도를 극대화합니다. 또한 화석 연료 의존도를 감소시켜 온실 가스 배출을 줄입니다.

이것이 전부가 아닙니다. 에너지 저장은 극한 기상 상황에서 에너지 회복력을 높이고 교통 부문의 전기화를 지원합니다. 또한 원격 지역에 에너지 접근성을 확대하고 경제적 기회를 창출하는 데 필수적입니다. 

따라서 에너지 저장은 지속 가능하고 청정한 에너지 미래를 달성하는 데 핵심적입니다. 현재 에너지를 저장하는 다양한 방법이 있으며, 압축 공기 에너지 저장(CAES)이 그 중 하나입니다.

CAES는 이름 그대로 공기를 압축하여 저장하는 기술입니다. 전력 수요가 낮을 때 잉여 에너지를 이용해 공기를 압축하고 탱크나 지하에 저장합니다. 전력 수요가 높아지면 압축된 공기를 방출해 터빈을 구동하고 전기를 생산합니다. 

이 기술은 50년 이상 연구되어 상업적으로 이용 가능해졌으며, 장기간 대량 에너지를 저장할 수 있는 능력 덕분에 주목받고 있습니다.

대규모 및 장기 지속 저장을 제공할 뿐만 아니라, CAES 시스템은 다양한 에너지 저장 요구에 맞게 쉽게 규모를 조정할 수 있습니다. 또한 깨끗하고 풍부한 공기를 사용하므로 친환경 저장 기술로 평가받고 있습니다. 이러한 이유로 투자자, 유틸리티, 정부의 관심이 높아지고 있습니다.

물론 낮은 라운드‑트립 효율성, 느린 응답 시간, 높은 초기 자본 비용 등 단점도 존재합니다. 따라서 연구는 CAES 시스템의 효율성과 비용 효율성을 개선하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 

미국 에너지부가 지원하는 최신 연구는 CAES의 경제 효율성을 높이는 데 중점을 두고 있습니다.

녹색 에너지 저장을 위한 새로운 접근법

CAES와 같은 대규모 에너지 저장 방법은 에너지 공급과 수요의 균형을 맞추기 위해 많은 관심을 받고 있습니다.

수십 년에 걸쳐 CAES 기술은 크게 성숙했으며, 미국에서는 Bethel Energy Center 프로젝트(324 MW)와 McIntosh CAES 플랜트(110 MW) 등 여러 시설이 건설되었습니다.

그러나 기존 대부분의 CAES 플랜트는 열비가성(diabetic)이며, 이는 Journal of Energy Storage에 발표된 연구에 의해 밝혀졌습니다.

즉, 압축 과정에서 열이 손실되고 재사용 옵션이 없으며, 화석 연료를 사용해 공기를 팽창시키면 추가적인 온실 가스 배출과 시스템 효율 저하가 발생합니다.

A‑CAES(단열 압축 공기 에너지 저장)는 압축 시 발생한 열을 저장하고 팽창 전 재사용함으로써 이 문제를 해결하지만, 초기 투자 비용이 높고 고압 대용량 용기가 필요해 파일럿 플랜트 수가 제한적입니다.

따라서 연구팀은 개념, 수학 및 수치 모델을 활용해 폐쇄된 석유·가스 정(AOGWs)을 CAES 개발에 통합하는 가능성을 조사했습니다.

Environmental Protection Agency에 따르면, 전 세계에 약 390만 개의 고갈된 정이 존재하며 이는 거대한 기회가 됩니다. 

이러한 고아 정은 적절한 유지·관리와 모니터링이 부족해 온실 가스 누출, 지하수 오염 및 토양 오염 위험이 높습니다.

이를 해결하기 위해 미국 정부는 24개 주에 5억 6천만 달러를 지원해 정을 폐쇄·캡핑·복구하는 사업을 진행했으며, 인프라 투자 및 일자리법(IIJA)으로 전국 정 복구·모니터링에 47억 5천만 달러를 배정했습니다.

그럼에도 불구하고 이러한 AOGW는 여전히 정부에 큰 도전 과제로 남아 있습니다. 고아 정을 재생 가능 에너지 자산으로 재활용하고 에너지 전환에 통합하는 것이 이 문제에 대한 견고한 해결책을 제공합니다.

이러한 지하 공간은 안정성 및 자연 단열 등 독특한 장점을 제공해 다양한 에너지 저장 기술에 이상적이며, 폐쇄된 사이트를 재활성화하고 에너지 생산의 탄소 발자국을 감소시키며 다른 에너지 시스템과도 통합될 수 있습니다.

연구팀은 폐쇄된 정을 저비용 CAES 용기로 전환·밀폐하고, 지열 열을 활용해 저장된 공기를 추가 가열·압력 상승시키는 방안을 제시했습니다.

이 연구는 펜실베니아 주립대 Repurposing Center for Energy Transition (ReCET)의 일환으로 수행되었으며, 기존 화석 에너지 인프라를 재활용해 에너지 전환에 활용하는 것을 목표로 합니다.

모든 이해관계자를 위한 윈‑윈 솔루션

CAES 플랜트의 상업적 개발을 제한하는 초기 비용 문제를 해결하기 위해, 연구진은 폐쇄된 석유·가스 정을 활용한 지열 보조 압축 공기 에너지 저장 시스템을 제안했으며, 이는 효율성을 9.5 % 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

이는 저장된 에너지 양이 더 많이 회수되어 전기로 전환될 수 있음을 의미합니다.

“이 효율성 향상은 압축 공기 에너지 저장 프로젝트의 경제성을 정당화하는 게임 체인저가 될 수 있습니다. 게다가 기존에 생산되지 않는 석유·가스 정을 활용하면 초기 비용을 크게 절감할 수 있어 윈‑윈 상황이 될 것입니다.”

– Taleghani

생산성이 떨어진 정을 재활용하면 운영자는 지하의 고온 암석층에서 지열을 활용할 수 있어 새로운 정을 시추하는 데 드는 막대한 초기 비용을 없앨 수 있으며, 이는 수익성을 높이고 기술 매력을 증대시킵니다.

연구에 따르면 기존 시설을 재활용하면 경제성이 개선되고, 주변 저수지의 지열 에너지를 활용하면 시스템 효율성이 추가로 상승합니다. 

가열된 정을 사용하면 온도가 상승함에 따라 압축 공기의 압력이 증가해 더 많은 에너지를 저장할 수 있다는 장점도 있습니다. 팀은 수치 모델링 시뮬레이션을 통해 이러한 고아 정에 CAES 시스템을 배치하면 시스템 내 공기 온도가 크게 상승한다는 결과를 도출했습니다. Taleghani는 다음과 같이 설명했습니다:

“지열 설비를 활용하지 않으면 충분히 설득력 있는 수치를 얻을 수 없습니다.” 

또한 “새로운 정을 시추하는 것은 이러한 저장 방식의 경제성을 정당화하지 못할 수 있습니다. 그러나 두 요소를 결합하고 모델링·시뮬레이션을 반복함으로써 매우 좋은 해결책이 될 수 있음을 발견했습니다.”라고 Taleghani는 덧붙였습니다. 

CAES가 재생 가능 에너지의 간헐성을 해결하며 청정 에너지 전환에 핵심 역할을 하는 동시에, 고아 정을 재활용하면 고갈된 정의 환경 영향을 완화하는 데도 도움이 됩니다. 

재활용은 에너지 산업 전통이 깊은 지역에 새로운 고용 기회를 제공할 수 있습니다. 펜실베니아 주는 약 30만 개의 폐정이 존재하는 대표적인 사례입니다.

이러한 정이 손상되거나 적절히 폐쇄되지 않으면 메탄이 대기와 지하수로 누출될 수 있습니다. 따라서 연구진의 재활용 제안은 “사실상 두 마리 토끼를 한 번에 잡는” 전략이라고 할 수 있습니다.

“첫째, 우리는 정을 밀폐합니다. 이는 잠재적 누출을 차단합니다. 그리고 정을 에너지 저장용으로 재활용함으로써 해당 지역 인프라를 계속 활용하게 됩니다. 이는 지역 고용을 유지하고 커뮤니티가 에너지 미래에 참여하도록 할 수 있습니다.” 

– Taleghani

이 접근법을 실제 적용해 기존 인프라를 활용한 비용 효율적이고 지속 가능한 재생 가능 에너지 저장 방법을 구현하는 데는 추가 연구와 규제 승인을 전제로 향후 5~7년 내에 시작될 수 있습니다.

혁신적인 기업

NextEra Energy, Inc.

청정 에너지 분야를 선도하는 기업인 NextEra Energy (NEE ) 는 플로리다에 본사를 두고 재생 가능 전력 생산 및 고급 에너지 저장 솔루션(예: CAES 기술)에 투자하고 있습니다. 

NextEra Energy는 미국 최대 전력 유틸리티인 Florida Power & Light Company(FPL)를 보유하고 있습니다. FPL은 플로리다 전역 약 1,200만 명에게 청정하고 저렴하며 신뢰할 수 있는 전력을 공급합니다. 지난 달 FPL은 현재 기본 요금 계약이 올해 말에 종료됨에 따라 새로운 요금을 설정하기 위해 플로리다 공공 서비스 위원회(PSC)에 4년간의 요금 계획을 제출했습니다. 

해당 제안에 따르면, 2026년부터 2029년까지 주거 고객의 1,000 kWh 요금은 인플레이션을 고려했을 때 20 % 낮아질 것이며, 중소기업 고객 요금은 연 평균 1 %~5 % 상승할 것으로 예상됩니다.

NextEra Energy의 청정 에너지 사업부인 NextEra Energy Resources는 태양광 및 풍력 발전과 배터리 저장을 포함한 재생 가능 에너지 생산량이 가장 많으며, 상업용 원자력 발전소에서도 청정 전력을 생산합니다. 이와 같은 원자력 시설은 뉴햄프셔, 위스콘신, 플로리다에 총 7개가 분포해 있습니다.

기업 재무와 관련해, 시가총액 1,434억 달러에 달하는 NextEra Energy는 보고에 따르면 2024년 4분기 GAAP 기준 순이익은 12억 3천만 달러(주당 0.58 달러), 조정 기준은 주당 0.53 달러였습니다.

2024년 전체 기준 GAAP 순이익은 69억 4,600만 달러(주당 3.37 달러), 조정 기준은 70억 6,300만 달러(주당 3.43 달러)로 전년 대비 8 % 이상 증가했습니다.

“NextEra Energy는 2024년에 뛰어난 실행력을 보였습니다.”라고 CEO John Ketchum은 전년 대비 더 많은 전력을 생산하고 에너지 인프라에 더 많은 투자를 했다고 강조했습니다. 

2024년에 회사는 약 8.7 GW 규모의 신규 재생 가능 및 저장 프로젝트를 가동했습니다. CEO Ketchum은 다음과 같이 말했습니다:

“에너지 가치 사슬 전 분야에서 경험을 갖춘 NextEra Energy는 앞으로 다가올 기회와 현재 미국에서 증가하고 있는 전력 수요를 활용할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.”

작성 시점에서 NEE 주가는 주당 69.73 달러이며 연초 대비 2.73 % 하락했습니다. 배당 수익률은 3.25 %로 매력적입니다.

올해 초, 회사는 전력 수요 급증에 대응하기 위해 천연 가스와 원자력 발전을 확대할 계획을 발표했습니다. AI 붐은 미국 전력 소비 급증의 가장 큰 요인으로, 경제 전반의 전기화가 진행됨에 따라 새로운 가스 플랜트와 원자력에 대한 관심이 재점화되었습니다.

이 수요를 충족하기 위해 NextEra Energy는 시가총액 8,765억 달러 규모의 GE Vernova (GEV ) (NYSE: GEV)와 파트너십을 체결했습니다. GE Vernova에 따르면 데이터 센터는 풍력·태양광보다 가스를 선호하며, 가스 터빈 주문량은 지난해 20 GW로 두 배 이상 증가했으며 올해도 더욱 강세를 보일 것으로 예상됩니다. 

가스 터빈 제조업체의 도움으로 회사는 데이터 센터 전력 수요를 충족할 예정입니다. 

“우리의 아이디어는 대규모 부하 고객을 대상으로 가스 기반 발전을 재생 가능 및 배터리 저장과 결합하는 통합 방식을 추구하는 것입니다.”

– Ketchum은 1월 말에 이렇게 말했습니다

NextEra는 또한 2019년에 폐쇄된 아이오와 주 기반 원자력 발전소인 Duane Arnold Energy Center의 재시작 절차를 진행 중이며, 미국 원자력 규제 위원회에 허가 변경을 신청해 2028년 말까지 가동 재개를 목표로 하고 있습니다.

지난 여름, NextEra Energy Foundation은 플로리다 대학교 공학·컴퓨터 과학 대학에 100만 달러 규모의 AI 기반 센터를 지원했습니다. 이 프로젝트는 전면 스크린을 갖추고 FPL의 스마트 그리드를 재현해 극한 기상 상황에 대비합니다.

4월에 Ketchum은 데이터 센터 건설 수요에 힘입어 향후 7년 동안 재생 가능 및 에너지 저장 시장 규모가 현재 대비 3배 성장할 수 있다고 언급했습니다.

데이터 센터 개발자는 저비용 에너지, 탈탄소화 기여 및 빠른 시장 진입을 위한 최적 위치를 원합니다. 이와 더불어 반도체 제조와 석유·가스 산업도 전기화되고 있어 “상당한 전력 수요”가 발생하고 있습니다.

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결론

탄소 중립을 향한 여정은 재생 가능 에너지를 핵심 요소로 삼아 화석 연료 사용을 줄이고 청정 에너지를 제공함으로써 진행됩니다. 그러나 청정·녹색 에너지 혁신에는 대규모 에너지 저장 솔루션이 필요합니다.

압축 공기 에너지 저장(CAES)은 해결책을 제공하지만, 낮은 효율성과 높은 비용이라는 자체적인 문제를 안고 있습니다. 최신 연구는 초기 투자 비용을 크게 낮추고 효율성을 높이는 혁신적인 접근법을 제시합니다.

폐쇄된 석유·가스 정을 에너지 저장에 재활용하고 지열 에너지를 시스템에 통합함으로써 효율성을 더욱 높이고 환경 영향을 감소시킵니다.

이 새로운 구성은 지속 가능한 에너지 솔루션의 중요한 진전을 의미하며, 보다 청정하고 수익성 높은 CAES 시스템과 회복력 있고 환경 친화적인 에너지 미래를 향한 길을 열어줍니다!

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