변동성 재생 에너지

섬네일|재생 가능 에너지원 침투율이 높은 계통은 일반적으로 기저부하 발전보다 더 유연한 발전이 필요하다.
변동성 재생 에너지(, VRE) 또는 간헐적 재생 에너지원(, IRES)은 댐 수력 발전이나 바이오에너지와 같은 제어 가능한 재생 에너지원 또는 지열 발전과 같은 상대적으로 일정한 에너지원과는 달리, 풍력 발전 및 태양 에너지 발전과 같이 변동성이 있어 조절할 수 없는 재생 가능 에너지원을 의미한다.

소량의 간헐적 전력 사용은 전력 계통 운영에 거의 영향을 미치지 않는다. 더 많은 양의 간헐적 전력 사용은 계통 인프라의 업그레이드 또는 재설계를 필요로 할 수 있다.

대량의 변동성 에너지를 계통에 흡수하기 위한 방안으로는 에너지 저장 장치 사용, 공급을 원활하게 하기 위한 다양한 변동성 에너지원 간의 개선된 상호 연결, 수력 발전과 같은 조절 가능한 에너지원 사용, 그리고 날씨가 좋지 않을 때에도 충분한 에너지를 생산할 수 있도록 과잉 설비 보유 등이 있다. 에너지 부문과 건물, 운송, 산업 부문 간의 연결을 늘리는 것도 도움이 될 수 있다.

 배경 및 용어 
대부분의 전력망에서 간헐적 재생 에너지의 침투율은 낮다. 2021년 전 세계 발전량 중 풍력은 7%, 태양광은 4%를 차지했다. 그러나 2021년 덴마크, 룩셈부르크, 우루과이는 풍력과 태양광으로 전체 전력의 40% 이상을 생산했다. 변동성 재생 에너지의 특징은 예측 불가능성, 변동성, 낮은 운영 비용 등이다. 이러한 특성은 재생 에너지가 일반적으로 비동기 발전기라는 점과 함께, 공급과 수요를 일치시켜야 하는 계통 운영자에게 과제를 제시한다. 해결책으로는 에너지 저장, 수요 반응, 과잉 용량 확보, 부문 연계 등이 있다. 작은 고립된 계통은 높은 침투 수준에 대한 내성이 낮을 수 있다.

전력 수요와 공급을 맞추는 문제는 간헐적인 전력원에만 국한된 것이 아니다. 기존 전력망은 이미 갑작스럽고 큰 수요 변화, 예상치 못한 발전소 고장 등 불확실성을 내포하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전력망은 이미 예상 최대 수요를 초과하는 일부 용량을 갖도록 설계되어 있지만, 대량의 간헐적인 전력을 수용하기 위해서는 상당한 업그레이드가 필요할 수 있다.

간헐적 전력원의 문제를 이해하는 데 유용한 몇 가지 핵심 용어가 있다. 이 용어들은 표준화되어 있지 않으며, 변형된 용어가 사용될 수도 있다. 대부분의 용어는 기존 발전소에도 적용된다.

 간헐성 또는 변동성은 전력원의 변동 정도를 의미한다. 여기에는 낮-밤 주기와 같은 예측 가능한 변동성과 예측 불가능한 부분(불완전한 지역 일기 예보)의 두 가지 측면이 있다. 간헐적이라는 용어는 예측 불가능한 부분을 지칭하는 데 사용될 수 있으며, 변동성은 예측 가능한 부분을 지칭한다.
 조절 가능성은 특정 전력원이 수요에 따라 출력을 추가할 수 있는 능력을 의미한다. 이 개념은 간헐성과는 구별되며, 조절 가능성은 시스템 운영자가 공급(발전기 출력)을 시스템 수요(기술적 부하)에 맞추는 여러 방법 중 하나이다.
 침투율은 특정 전원에서 생산되는 전력량이 연간 소비량에서 차지하는 비율이다.International Energy Agency Wind Task Force, "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power"  Oklahoma Conference Presentation, October 2006
 공칭 전력 또는 정격 용량은 장치의 분류를 위해 당국에 등록된 이론적 출력을 의미한다. 풍력 및 태양광과 같은 간헐적 전력원의 경우, 공칭 전력은 최대 풍속 또는 맑은 여름날의 높은 일조량과 같은 이상적인 조건에서의 전력원의 출력을 나타낸다.
 설비 이용률, 평균 설비 이용률 또는 부하율은 주어진 기간(보통 1년) 동안의 실제 발전량과 해당 기간 동안 정격 용량으로 계속 가동되었을 때의 실제 발전량의 비율이다. 기본적으로 이는 발전소가 생산한 전력량과 발전소가 전체 기간 동안 정격 용량으로 가동되었을 때 생산했을 전력량 간의 비율이다.
 신뢰성 용량 또는 신뢰성 전력은 "공급자가 약속된 기간 동안 항상 사용 가능하도록 보장하는" 전력이다.
 용량 계수: 신뢰성을 유지하면서 시스템에서 잠재적으로 제거할 수 있는 기존(조절 가능한) 발전량으로, 일반적으로 공칭 전력의 백분율로 표시된다.
 예측 가능성 또는 예견 가능성은 운영자가 발전량을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는지를 나타낸다. 예를 들어 조력 발전은 조수에 따라 변동하지만 달의 궤도를 정확히 예측할 수 있기 때문에 완전히 예측 가능하며, 개선된 일기 예보는 풍력 발전을 더욱 예측 가능하게 만들 수 있다.

 자료 

댐 수력 발전, 바이오매스 및 지열 발전은 각각 잠재 에너지 저장고를 가지고 있으므로 조절 가능하지만, 저장 장치가 없는 풍력 및 태양광은 줄일 수(절감할 수)는 있어도 조절 가능하지는 않다.

 풍력 발전 
섬네일|당일 예측 풍력 발전량과 실제 풍력 발전량
계통 운영자는 익일 사용할 수 있는 전력원을 결정하기 위해 하루 전 예측을 사용하고, 기상 예보를 사용하여 예상되는 풍력 및 태양광 발전량을 예측한다. 풍력 발전 예측은 수십 년 동안 실제 운영에 사용되어 왔지만,  IEA는 정확도를 더욱 향상시키기 위해 국제 협력을 조직하고 있다.

섬네일|right|이리 쇼어스 풍력 발전소의 2년간 월별 생산량

 간헐성: 종관 규모보다 작은 지역, 즉 평균 국가 크기인 약 1000km 미만의 지역은 대부분 동일한 기상 조건을 가지므로 국지적 조건이 특별한 바람에 유리하지 않는 한 거의 동일한 풍력 발전을 한다. 일부 연구에 따르면 지리적으로 분산된 풍력 발전소는 전체적으로 전력 생산을 완전히 멈추는 경우가 거의 없다. 그러나 아일랜드와 같이 지리적으로 균일한 작은 지역에서는 이런 경우가 드물며, 스코틀랜드"Analysis of UK Wind Generation" 2011와 덴마크는 연간 며칠 동안 풍력 발전량이 매우 적다.
 설비 이용률: 풍력 발전은 일반적으로 연간 설비 이용률이 25~50%이며, 해상 풍력이 육상 풍력보다 우수한 성능을 보인다.
 조절 가능성: 풍력 발전은 그 자체로 조절 가능하지 않기 때문에 풍력 발전소는 때때로 저장 장치와 함께 건설된다.
 용량 신용: 침투 수준이 낮을 때는 풍력의 용량 신용이 설비 이용률과 거의 같다. 전력망에 풍력 발전 집중도가 높아질수록 용량 신용 비율은 감소한다.
 변동성: 부지마다 다르다. 해풍은 육풍보다 훨씬 더 일정하다. 계절 변동으로 인해 출력이 50% 감소할 수 있다. Graham Sinden (1 December 2005). "Characteristics of the UK wind resource" pg4
 신뢰성: 바람이 불 때 풍력 발전소는 높은 기술적 신뢰성을 가진다. 즉, 특정 시점의 출력은 풍속 감소나 폭풍으로 인해 점진적으로만 변동하며, 폭풍 시에는 손상을 피하기 위해 정지해야 한다. 일반적인 풍력 발전소는 극단적인 경우 30분 이내에 정지해야 하는 경우는 거의 없지만, 동일한 규모의 발전소는 즉각적이고 예고 없이 완전히 고장날 수 있다. 풍력 터빈의 전체 정지는 기상 예보를 통해 예측 가능하다. 풍력 터빈의 평균 가용성은 98%이며, 터빈이 고장 나거나 유지 보수를 위해 정지될 경우 대규모 풍력 발전소의 출력에 미치는 영향은 극히 적다.Reliability of Wind Turbines
 예측 가능성: 풍력은 변동성이 있지만, 단기적으로는 예측 가능하다. 풍력 출력이 한 시간 안에 10% 미만으로 변할 확률은 80%이고, 다섯 시간 안에 10% 이상 변할 확률은 40%이다.

풍력 발전은 수많은 소규모 발전기에 의해 생성되기 때문에 개별 고장이 전력망에 미치는 영향은 크지 않다. 이러한 풍력의 특징은 탄력성이라고 불려왔다.

 태양 에너지 발전 
섬네일|샌프란시스코 AT&T 파크의 일일 태양광 발전량
250px|섬네일|right|샌프란시스코 AT&T 파크 태양광 패널 출력의 계절 변화간헐성은 본질적으로 태양 에너지에 영향을 미치는데, 태양광을 이용한 재생 가능 전력 생산은 특정 장소와 시간에 따라 일조량에 좌우되기 때문이다. 태양광 출력은 하루 종일 그리고 계절에 따라 달라지며, 먼지, 안개, 구름, 서리 또는 눈의 영향을 받는다. 이러한 계절적 요인 중 상당수는 상당히 예측 가능하며, 일부 태양열 시스템은 열 저장을 활용하여 하루 종일 계통 전력을 생산한다.Gemasolar, energía non stop  Spanish 26 October 2011

 변동성: 에너지 저장 장치가 없을 경우, 태양광은 밤에는 전력을 생산하지 않고, 날씨가 좋지 않을 때는 거의 생산하지 않으며, 계절에 따라 변동한다. 많은 국가에서 태양광은 풍력 가용성이 낮은 계절에 가장 많은 에너지를 생산하며 그 반대도 마찬가지다.
 설비 이용률 표준 태양광 발전은 연평균 설비 이용률이 10~20%이다. 그러나 태양을 추적하는 패널은 설비 이용률이 최대 30%까지 높아진다. 저장 장치를 갖춘 열 포물선형 트로프는 56%이다. 저장 장치를 갖춘 열 태양광 타워는 73%이다.

섬네일|접시형 스털링 엔진|left태양광 발전의 간헐성이 미치는 영향은 발전량과 수요의 상관관계에 따라 달라진다. 예를 들어, 네바다 솔라 원과 같은 태양열 발전소는 미국 남서부와 같이 냉방 수요가 많은 지역의 여름철 최대 부하에 어느 정도 맞춰져 있다. 소규모 스페인 헤마솔라르 태양열 발전소와 같은 열에너지 저장 시스템은 태양광 공급과 현지 소비 간의 일치를 개선할 수 있다. 열 저장 장치를 사용하여 개선된 용량 계수는 최대 용량의 감소를 의미하며, 시스템이 전력을 생산하는 총 시간을 연장한다.Spain Pioneers Grid-Connected Solar-Tower Thermal Power p. 3. Retrieved December 19, 2008.

 유역식 수력 발전 
많은 국가에서 저수지의 환경 영향 때문에 새로운 대규모 댐을 더 이상 건설하지 않고 있다. 유역식 수력 발전 프로젝트는 계속 건설되고 있다. 저수지가 없으면 발전되는 전력량이 계절별 및 연간 변동을 겪게 된다.

 조력 발전 
섬네일|조석의 종류
조력 발전은 모든 변동성 재생 에너지원 중 가장 예측 가능하다. 조석은 하루에 두 번 바뀌지만 결코 간헐적이지 않으며, 오히려 완전히 신뢰할 수 있다.

 파력 발전 
파도는 주로 바람에 의해 생성되므로 파도에서 얻을 수 있는 에너지는 바람에서 얻을 수 있는 에너지와 유사한 경향이 있지만, 물의 질량 때문에 풍력보다 변동성이 적다. 풍력은 풍속의 세제곱에 비례하고, 파력은 파고의 제곱에 비례한다.

 통합을 위한 해결책 

섬네일|태양광이나 기타 재생 가능 에너지원의 에너지는 전기 배터리와 같은 장치에 저장하기 위한 잠재 에너지로 변환된다. 저장된 잠재 에너지는 나중에 원래 에너지원을 사용할 수 없을 때에도 전력망에 추가되는 전기로 변환된다.
대체되는 조절 가능한 발전원은 석탄, 천연가스, 바이오매스, 원자력, 지열 또는 저장 수력 발전일 수 있다. 원자력이나 지열 발전을 시작하고 멈추는 것보다는 이를 일정한 기저부하 전력으로 사용하는 것이 더 저렴하다. 수요를 초과하여 생산된 전력은 난방 연료를 대체하거나, 저장용으로 전환되거나, 다른 계통에 판매될 수 있다. 바이오 연료와 재래식 수력은 간헐성 발전이 전력을 생산하지 않을 때를 대비하여 비축할 수 있다. 일부 예측에 따르면 2020년대 후반에는 "거의 신뢰할 수 있는" 재생 가능 에너지(태양광 및 풍력과 배터리)가 기존 원자력보다 저렴해질 것이므로 기저부하 전력이 필요하지 않을 것이라고 말한다.

화석 연료 연소에 대한 대안으로 온실 기체 배출을 줄이는 방법은 결국 화석 연료를 땅에 남겨두는 좌초자산으로 만들 수 있다. 고도로 통합된 전력망은 비용보다 유연성과 성능을 우선시하여, 더 적은 시간 동안 작동하고 설비 이용률이 낮은 발전소를 늘리는 결과를 낳는다.Michael G. Richard: Death by 'capacity factor': Is this how wind and solar ultimately win the game?, 2015-10-06

모든 전력원은 어느 정도의 변동성을 가지며, 수요 패턴 또한 공급업체가 전력망에 공급하는 전력량에 큰 변화를 유발한다. 가능한 모든 경우, 전력망 운영 절차는 높은 신뢰성 수준으로 공급과 수요를 일치시키도록 설계되며, 공급과 수요에 영향을 미치는 도구는 잘 개발되어 있다. 그러나 대량의 변동성이 높은 발전이 도입되면 기존 절차의 변경 및 추가 투자가 필요할 수 있다.

신뢰할 수 있는 재생 가능 에너지 공급 능력은 백업 또는 추가 인프라 및 기술을 사용하여 충족될 수 있으며, 간헐적 평균 이상으로 전기를 생산하기 위해 혼합 재생 에너지를 사용하여 정기적 및 예상치 못한 공급 요구 사항을 충족할 수 있다. 또한, 간헐성 부족분 또는 비상 상황을 채우기 위한 에너지 저장은 신뢰할 수 있는 전력 공급의 일부가 될 수 있다.

실제로 풍력 발전량이 변동함에 따라, 이미 반응 및 예비력을 제공하기 위해 부분적으로 가동 중인 기존 발전소들은 출력을 조절하여 이를 보상한다. 낮은 간헐성 전력 침투율에서는 기존의 반응 및 회전 예비력을 사용할 수 있지만, 높은 침투율에서는 전반적인 변동성이 커져 추가 예비력 또는 다른 보상 수단이 필요할 것이다.

 운영 예비력 

모든 관리되는 계통은 이미 전력 계통의 기존 불확실성을 보상하기 위한 운영 및 "회전" 예비력을 보유하고 있다. 풍력과 같은 간헐적 자원의 추가는 100% "백업"을 요구하지 않는다. 왜냐하면 운영 예비력과 균형 요구 사항은 시스템 전체를 기준으로 계산되며 특정 발전소에 전용되지 않기 때문이다.

일부 가스 또는 수력 발전소는 부분적으로 부하되어 수요 변화에 따라 또는 빠르게 상실된 발전을 대체하기 위해 제어된다. 수요 변화에 따라 변경될 수 있는 능력을 "반응"이라고 한다. 일반적으로 30초에서 30분 이내에 상실된 발전을 빠르게 대체할 수 있는 능력을 "회전 예비력"이라고 한다.

일반적으로 피크 로드 발전소로 운영되는 화력 발전소는 기저부하로 운영될 때보다 효율이 낮다. 기존 댐 구성과 같이 저장 용량을 갖춘 수력 발전 시설은 기저부하 또는 피크 로드 발전소로 운영될 수 있다.

전력망은 계통용 배터리 발전소와 계약할 수 있다. 이 발전소는 약 한 시간 동안 즉시 사용 가능한 전력을 공급하여 고장 시 다른 발전기를 가동할 시간을 제공하며, 필요한 회전 예비력의 양을 크게 줄여준다.

 수요 반응 
수요 반응은 공급에 더 잘 맞추기 위한 에너지 소비의 변화이다. 이는 부하를 끄는 형태를 취하거나, 공급/수요 불균형을 해결하기 위해 추가 에너지를 흡수하는 형태를 취할 수 있다. 미국, 영국, 프랑스 시스템에서는 유리한 요금이나 자본 비용 지원과 같은 인센티브가 널리 제공되어, 대량 부하를 가진 소비자가 용량 부족 시 부하를 오프라인으로 전환하거나, 반대로 잉여 전력이 있을 때 부하를 늘리도록 장려하고 있다.

일부 부하 제어 유형은 전력 회사가 전력 부족 시 원격으로 부하를 끌 수 있도록 한다. 프랑스에서는 CERN과 같은 대규모 사용자들이 EJP 요금의 장려에 따라 시스템 운영자(EDF)의 요구에 따라 전력 사용량을 줄인다. - Extract from CERN newsletter indication when to switch of loads bulletin 46 http://www.claverton-energy.com/download/42/ description of EJP tariff 

에너지 수요 관리는 피크 시간 동안 더 높은 요금과 같이 전기 사용량을 조절하기 위한 인센티브를 의미한다. 실시간 변동 전기 요금은 사용자가 전력이 저렴하게 이용 가능한 기간을 활용하고, 전력이 희소하고 비싼 기간을 피하도록 사용량을 조절하도록 장려할 수 있다. 담수화 플랜트, 전기 보일러, 산업용 냉동 장치와 같은 특정 부하는 출력을 저장할 수 있다(물 및 열). 여러 논문에서는 비트코인 채굴 부하가 축소를 줄이고, 전력 가격 위험을 헤지하며, 계통을 안정화하고, 재생 가능 에너지의 수익성을 높여 지속 가능한 에너지로의 전환을 가속화할 것이라고 결론 내렸다. 그러나 다른 사람들은 비트코인 채굴이 결코 지속 가능할 수 없다고 주장한다.

순간적인 수요 감소, 대부분의 대규모 시스템은 또한 상호 이익이 되는 계약에 따라 발전량 부족 시 즉시 연결이 끊어지는 부하 범주를 가지고 있다. 이는 즉각적인 부하 감소 또는 증가를 제공할 수 있다.

 저장 

섬네일| 리튬이온 배터리의 학습 곡선: 30년 만에 배터리 가격이 97% 하락했다.
풍력 및 태양광의 비조절성 출력이 높을 수 있는 저부하 시에는 계통 안정성을 위해 다양한 조절 가능한 발전원의 출력을 낮추거나, 에너지를 저장하여 출력을 높은 수요 시간으로 옮겨 조절 가능한 부하를 증가시켜야 한다. 이러한 메커니즘은 다음과 같다.

양수 발전은 가장 널리 사용되는 기존 기술이며, 풍력 발전의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다. 저장에 적합한 수력 발전소의 가용성은 전력망마다 다를 것이다. 일반적인 왕복 효율은 80%이다.

기존 리튬 이온은 2020년 현재 계통 규모 배터리 저장에 가장 일반적으로 사용되는 유형이다. 충전식 흐름 전지는 대용량, 신속 반응 저장 매체로 사용될 수 있다. 전기 분해를 통해 수소를 생성하고 나중에 사용하기 위해 저장할 수 있다.

플라이휠 에너지 저장 시스템은 화학 배터리보다 몇 가지 장점이 있다. 수명 감소 없이 자주 사이클링할 수 있는 상당한 내구성 외에도 매우 빠른 응답 및 램프 속도를 제공한다. 몇 초 이내에 완전 방전에서 완전 충전 상태로 전환할 수 있다. 무독성이며 환경 친화적인 재료로 제조할 수 있으며, 서비스 수명이 끝나면 쉽게 재활용할 수 있다.

축열은 열을 저장한다. 저장된 열은 난방 용도로 직접 사용하거나 전기로 변환할 수 있다. 열병합 발전소의 맥락에서 열 저장 장치는 비교적 저렴한 비용으로 기능적인 전기 저장 장치 역할을 할 수 있다. 얼음 저장 공기 조화 얼음은 계절 사이에 저장될 수 있으며, 높은 수요 기간 동안 에어컨의 공급원으로 사용될 수 있다. 현재 시스템은 몇 시간 동안만 얼음을 저장하면 되지만, 잘 개발되어 있다.

전기 에너지 저장은 저장 및 회수가 완벽하게 효율적이지 않기 때문에 일부 에너지 손실이 발생한다. 저장은 또한 자본 투자와 저장 시설을 위한 공간을 필요로 한다.

 지리적 다양성과 상호 보완 기술 
섬네일|온타리오의 5개 풍력 발전소의 5일간 시간별 출력|330x330px
단일 풍력 터빈의 생산 변동성은 높을 수 있다. 그러나 풍력 발전단지 내의 임의의 추가 터빈 수를 결합하면 각 터빈 간의 상관 분석이 불완전한 한 통계적 변동성이 낮아지며, 각 터빈 간의 거리가 있기 때문에 상관관계는 항상 불완전하다. 마찬가지로, 지리적으로 떨어진 풍력 터빈이나 풍력 발전단지는 상관관계가 낮아 전체 변동성을 줄인다. 풍력 발전은 기상 시스템에 따라 달라지므로, 어떤 전력 시스템에서도 이러한 지리적 다양성의 이점에는 한계가 있다.

넓은 지리적 영역에 걸쳐 분포하고 서로 연결된 여러 풍력 발전소는 소규모 설치보다 더 꾸준하고 변동성이 적은 전력을 생산한다. 풍력 출력은 기상 예보를 사용하여 어느 정도 신뢰할 수 있게 예측할 수 있으며, 특히 많은 수의 터빈/발전소에서 수집된 데이터를 통해 예측 능력이 시간이 지남에 따라 증가할 것으로 예상된다.

태양 에너지 발전에서 생산된 전기는 풍력에서 발생하는 변동성 공급과 균형을 맞추는 경향이 있다. 일반적으로 밤이나 흐리거나 폭풍우가 치는 날에는 바람이 많이 불고, 맑고 바람이 적은 날에는 햇살이 더 많다. 게다가 풍력 에너지는 종종 겨울철에 최고치를 기록하는 반면, 태양 에너지는 여름철에 최고치를 기록한다. 풍력과 태양광의 조합은 조절 가능한 백업 전력의 필요성을 줄여준다.

 일부 지역에서는 특히 저온이 전기 소비를 유도하는 지역에서 전력 수요와 풍력 출력이 높은 상관관계를 가질 수 있다. 차가운 공기는 밀도가 높고 더 많은 에너지를 운반하기 때문이다.
 허용 가능한 침투율은 예비 발전소에 대한 추가 투자로 증가할 수 있다. 예를 들어, 어떤 날은 간헐적 풍력이 80%를 생산하고, 바람이 없는 날에는 천연가스, 바이오매스, 수력과 같은 조절 가능한 전력이 80%를 대체할 수 있다.
 기존에 수력 발전량이 높은 지역은 풍력 에너지를 상당량 통합하기 위해 증감 운전을 할 수 있다. 노르웨이, 브라질, 매니토바주 모두 수력 발전량이 높으며, 퀘벡은 전력의 90% 이상을 수력 발전에서 얻고 하이드로 퀘벡은 세계에서 가장 큰 수력 발전 생산자이다. 미국 태평양 북서부는 풍력 에너지가 기존 수력 발전과 잘 보완되는 또 다른 지역으로 확인되었다. 수력 발전 시설의 저장 용량은 저수지의 크기와 환경 및 기타 고려 사항에 의해 제한될 것이다.

 국제적인 계통 연결 

잉여 전력이 발생할 때 이웃 계통으로 에너지를 수출하고 필요할 때 에너지를 수입하는 것이 종종 가능하다. 이러한 관행은 유럽과 미국-캐나다 국경에서 흔하다. 다른 계통과의 통합은 변동성 전력의 실질적인 집중도를 낮출 수 있다. 예를 들어, 덴마크의 높은 VRE 침투율은 독일/네덜란드/스칸디나비아 계통과의 상호 연결을 통해 전체 시스템의 비중으로 볼 때 상당히 낮아진다. 변동성을 보상하는 수력 발전은 여러 국가에 걸쳐 사용될 수 있다.

전력 송전 인프라의 용량은 수출/수입 계획을 지원하기 위해 상당히 업그레이드되어야 할 수 있다. 송전 과정에서 일부 에너지가 손실된다. 변동성 전력을 수출하는 경제적 가치는 부분적으로 수출 계통이 수입 계통에 유용한 시간에 유용한 전력을 매력적인 가격으로 제공할 수 있는 능력에 달려 있다.

 부문 연계 
이동성, 열, 가스 등 여러 부문이 전력 시스템과 연결되면 수요와 발전량이 더 잘 일치될 수 있다. 예를 들어, 전기차 시장은 가장 큰 저장 용량원이 될 것으로 예상된다. 이는 다른 유연성원과 비교할 때 변동성 재생 에너지의 높은 침투율에 적합한 더 비싼 선택지가 될 수 있다. 국제에너지기구는 계절별 수요와 공급의 불일치를 보상하기 위해 부문 연계가 필요하다고 말한다.

전기차는 수요가 적고 생산량이 많을 때 충전할 수 있으며, 일부 지역에서는 차량 대 전력망으로 전력을 다시 보낼 수 있다.

 침투율 
침투율은 일차 에너지 (PE)원의 전력 시스템 내 비중을 백분율로 나타낸다. 계산 방법에 따라 다른 침투율이 산출된다.

 PE 원의 공칭 용량(설치 전력)을 전력 시스템 내 최대 부하로 나눈 값
 PE 원의 공칭 용량(설치 전력)을 전력 시스템의 총 용량으로 나눈 값
 특정 기간 동안 PE 원이 생산한 전력량을 이 기간 동안 전력 시스템의 수요로 나눈 값

간헐적 변동성 에너지원의 침투율 수준은 다음 이유로 중요하다.

 상당량의 조절 가능한 양수 발전, 저수지 또는 저류지를 갖춘 수력, 또는 천연가스 발전소와 같은 기타 피크 로드 발전소를 갖춘 전력망은 간헐적 전력의 변동을 더 쉽게 수용할 수 있다.http://repa.econ.uvic.ca/publications/Working%20Paper%202006-02.pdf
 강력한 상호 연결이 없는 상대적으로 작은 전력 시스템(예: 외딴 섬)은 유연성을 위해 기존 디젤 발전기를 일부 유지하지만 연료 소비를 줄일 수 있으며, 양수 수력 발전이나 배터리와 같은 더 깨끗한 에너지원이나 저장 장치가 비용 효율적이 될 때까지 그러하다.

2020년대 초에 풍력과 태양광은 전 세계 전력의 10%를 생산하고 있지만, 이미 여러 시스템에서 40-55% 침투율 범위가 구현되었으며, 영국은 2030년까지 65% 이상을 계획하고 있다.

허용 가능한 최대 침투율 수준은 일반적으로 합의된 바가 없다. 왜냐하면 각 시스템의 간헐성 보상 능력은 다르며, 시스템 자체도 시간이 지남에 따라 변할 것이기 때문이다. 허용 가능한 또는 허용할 수 없는 침투율 수치에 대한 논의는 신중하게 다루고 사용해야 한다. 왜냐하면 그 타당성이나 중요성은 지역 요인, 계통 구조 및 관리, 그리고 기존 발전 용량에 크게 좌우될 것이기 때문이다.

전 세계 대부분의 시스템에서 현재 침투율은 실제 또는 이론적 최대치보다 훨씬 낮다.

 최대 침투 한계 
지역적 집합, 수요 관리 또는 저장 없이 풍력 및 태양광의 최대 침투율은 70%에서 90%로 추정되며, 12시간 저장 시 최대 94%까지 가능하다. 경제적 효율성과 비용 고려 사항이 주요 요인으로 작용할 가능성이 높으며, 특히 비용 고려 사항이 부차적이라면 기술적 해결책은 미래에 더 높은 침투 수준을 고려할 수 있도록 할 것이다.

 변동성의 경제적 영향 
풍력 및 태양 에너지 비용 추정치에는 풍력 및 태양 에너지 변동성의 "외부" 비용 추정치가 포함될 수 있으며, 또는 생산 비용으로 제한될 수 있다. 모든 발전소는 생산 비용과 별개로 비용을 가지며, 여기에는 예를 들어 필요한 송전 용량 또는 발전 용량 손실 시 예비 용량 비용이 포함된다. 많은 유형의 발전, 특히 화석 연료 유래 발전은 오염, 온실 기체 배출, 서식지 파괴와 같은 외부성 비용을 가지며, 이는 일반적으로 직접적으로 회계 처리되지 않는다.

경제적 영향의 크기는 논란의 여지가 있으며 지역마다 다르겠지만, 침투율이 높아질수록 증가할 것으로 예상된다. 낮은 침투율에서는 운영 예비력 및 균형 유지 비용과 같은 비용은 미미하다고 여겨진다.

간헐성은 기존 발전 유형과는 다른, 또는 그보다 더 큰 추가 비용을 초래할 수 있다. 여기에는 다음이 포함될 수 있다.

 송전 용량: 낮은 부하율로 인해 송전 용량은 원자력 및 석탄 발전 용량보다 더 비쌀 수 있다. 송전 용량은 일반적으로 예상 최대 출력에 맞게 설계되지만, 풍력의 평균 용량은 훨씬 낮아 실제로 송전되는 에너지 단위당 비용이 증가한다. 그러나 송전 비용은 총 에너지 비용에서 낮은 비중을 차지한다.http://www.claverton-energy.com/what-is-the-cost-per-kwh-of-bulk-transmission-national-grid-in-the-uk-note-this-excludes-distribution-costs.html Electric power transmission costs per kWh transmission / National Grid in the UK (note this excludes distribution costs)
 추가 운영 예비력: 추가 풍력 및 태양광 발전이 수요 패턴과 일치하지 않을 경우 다른 발전 유형에 비해 추가 운영 예비력이 필요할 수 있지만, 이는 단순히 기존 발전소가 저출력으로 가동되는 것(회전 예비력)이므로 추가 발전소에 대한 자본 비용 증가로 이어지지는 않는다. 모든 풍력이 동일한 양의 "백업 용량"으로 지원되어야 한다는 주장과 달리, 간헐성 발전기는 "피크 기간 동안 출력을 낼 확률이 있는 한" 기본 용량에 기여한다. 백업 용량은 개별 발전기에 할당되지 않으며, 백업 또는 운영 예비력은 "시스템 수준에서만 의미를 가진다".http://www.ukerc.ac.uk/component/option,com_docman/task,doc_download/gid,550/  The Costs and Impacts of Intermittency, UK Energy Research Council, March 2006
 균형 유지 비용: 계통 안정성을 유지하기 위해 부하와 수요의 균형을 맞추는 데 일부 추가 비용이 발생할 수 있다. 계통 균형 유지를 위한 개선은 비용이 많이 들 수 있지만 장기적인 절감 효과를 가져올 수 있다.
많은 국가에서 다양한 유형의 변동성 재생 에너지를 위해 정부는 때때로 기업들에게 특정 전력 변전소에 연결할 특정 태양광 발전 용량을 건설하기 위한 입찰서를 제출하도록 초청한다. 최저 입찰을 수락함으로써 정부는 정해진 기간 동안 또는 특정 총 전력량까지 kWh당 해당 가격으로 구매할 것을 약속한다. 이는 투자자들에게 매우 변동성이 큰 도매 전력 가격에 대한 확실성을 제공한다. 그러나 외국 통화로 대출을 받았을 경우 환율 변동 위험에 직면할 수도 있다.

 국가별 사례 
 영국 
영국 전력 시스템 운영자는 2025년까지 제로 탄소로 운영될 수 있으며, 충분한 재생 가능 발전량이 확보될 경우 2033년까지 탄소 네거티브가 될 수도 있다고 밝혔다. 내셔널 그리드 전력 시스템 운영사(National Grid Electricity System Operator)는 새로운 제품과 서비스가 시스템 운영의 전반적인 비용을 절감하는 데 도움이 될 것이라고 밝혔다.

 독일 
재생 가능 에너지의 양이 상당한 국가에서는 태양 에너지가 매일 정오 무렵 가격 하락을 유발한다. 태양광 발전은 이 시간 동안의 높은 수요를 따른다. 아래 이미지는 재생 가능 에너지 비중이 40%가 넘는 독일의 2022년 2주를 보여준다. 수요가 적은 밤과 주말에도 가격이 하락한다. 태양광 및 풍력 발전이 없는 시간에는 전기 가격이 상승한다. 이는 수요 측면의 조정을 야기할 수 있다. 산업은 시간별 가격에 의존하지만, 대부분의 일반 가정은 여전히 고정 요금을 지불한다. 스마트 미터를 사용하면 일반 소비자들도 충분한 재생 가능 에너지가 생산되고 가격이 저렴할 때 전기차를 충전하는 등의 동기를 부여받을 수 있다.

전력 생산의 조절 가능한 유연성은 변동성 에너지원을 뒷받침하는 데 필수적이다. 독일 사례는 양수 저장, 가스 발전소, 경질 석탄이 빠르게 투입됨을 보여준다. 갈탄은 일일 단위로 변동한다. 원자력 발전과 바이오매스는 이론적으로 어느 정도 조절될 수 있다. 그러나 이 경우 인센티브가 여전히 충분히 높지 않은 것으로 보인다.

 같이 보기 
 수소 혼합 복합 화력 발전소
 에너지원별 발전 비용
 에너지 안보와 재생 가능 기술
 지열 히트 펌프
 에너지 저장 발전소 목록
 스파크 스프레드: 백업 비용 계산

 각주 

 추가 자료 

 외부 링크 
 Grid Integration of Wind Energy 

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