용량 인수

[섬네일|upright=1.5|[미국 에너지 관리청 월별 용량 인수 (2011~2013년)]]
**용량 인수**()는 주어진 기간 동안의 실제 전력량 출력을 해당 기간 동안의 이론적인 최대 전력량 출력에 대한 무차원 비율이다. 주어진 설비의 이론적인 최대 에너지 출력은 관련 기간 동안 명판 용량에서 연속적으로 작동할 때 발생하는 것으로 정의된다. 용량 인수는 연료를 소비하는 발전소나 바람, 태양 또는 수력 설비와 같은 재생 가능 에너지를 사용하는 발전소와 같이 전력을 생산하는 모든 설비에 대해 계산될 수 있다. 평균 용량 인수는 이러한 설비의 모든 등급에 대해서도 정의될 수 있으며, 다양한 유형의 전력 생산을 비교하는 데 사용될 수 있다.

해당 기간 동안의 실제 에너지 출력과 용량 인수는 여러 요인에 따라 크게 달라진다. 용량 인수는 가용성 계수 또는 해당 기간 동안의 업타임을 초과할 수 없다. 업타임은 예를 들어 신뢰성 문제 및 유지 보수(정기 또는 비정기)로 인해 감소할 수 있다. 다른 요인으로는 설비의 설계, 위치, 전력 생산 유형 및 사용되는 연료 또는 재생 가능 에너지의 경우 현지 기상 조건이 포함된다. 또한 용량 인수는 규제 제약 및 시장 가격의 영향을 받을 수 있으며, 이는 연료 구매 및 전력 판매 모두에 영향을 미칠 수 있다.

용량 인수는 주로 시간적 변동을 평균화하여 1년 단위로 계산된다. 그러나 계절 변동에 대한 통찰력을 얻기 위해 한 달 단위로 계산될 수도 있다. 또는 발전원의 수명 동안, 즉 가동 중일 때와 해체 후 모두 계산될 수도 있다. 용량 인수는 만부하 시간으로도 표현하고 변환할 수 있다.

## 공식

\mathrm{CF} = \frac{E_t}{P_n \times t}

여기서:
* E_t는 시간 t 동안의 총 전력량, 예를 들어 킬로와트시(kWh) 또는 메가줄(MJ) 단위,
* P_n은 장치 또는 시스템의 명판 용량(정격 또는 설치된 전력), 예를 들어 킬로와트(kW) 단위,
* t는 고려된 총 시간, 예를 들어 시간 또는 연도.

에너지와 전력에 일관된 단위를 사용하고(예: 에너지에 메가와트시(MWh), 전력에 메가와트(MW)), 시간을 시간 단위로 표현하면 단위가 "상쇄"된다. 예를 들어, 1 MW 발전소가 1시간에 0.5 MWh를 생산하면 용량 인수는 다음과 같다.

\mathrm{CF} = \frac{0.5 \, \mathrm{MWh}}{1 \, \mathrm{MW} \times 1 \, \mathrm{h}} = 0.5 = 50%

## 샘플 계산
### 원자력 발전소
섬네일|전 세계 원자력 발전 용량 인수

원자력 발전소는 용량 인수 범위의 상위에 있으며, 이상적으로는 가용성 계수(즉, 유지 보수 및 연료 재장전)에 의해서만 감소한다. 미국 최대의 원자력 발전소인 팔로 베르데 원자력 발전소는 3개의 원자로를 포함하여 의 명판 용량을 가지고 있다. 2010년 연간 발전량은 였으며, 이는 다음과 같은 용량 인수로 이어진다.

 \frac{31\,200\,000\ \text{MW}{\cdot}\text{h}}{(365\ \text{days}) \times (24\ \text{hours/day}) \times (3942\ \text{MW})} = 0.904 = 90.4\%.


팔로 베르데의 각 세 원자로는 18개월마다 연료를 재장전하며, 매년 봄과 가을에 한 번씩 연료 재장전을 실시한다. 2014년에는 연료 재장전이 기록적인 28일 만에 완료되었는데, 이는 2010년 용량 인수에 해당하는 35일의 가동 중단 시간과 비교된다.

2019년에는 프레리 아일랜드 1호기가 미국에서 가장 높은 용량 인수를 기록했으며, 실제로 104.4%에 도달했다.

### 풍력 발전소
덴마크 해상 풍력 발전소인 혼스 레브 2는 209.3 MW의 명판 용량을 가지고 있다.  기준으로 7년 전 시운전 이후 6416 GWh를 생산했으며, 이는 연평균 875 GWh/년의 생산량과 다음과 같은 용량 인수를 의미한다.

 \frac{875\,000\ \text{MW}{\cdot}\text{h}}{(365\ \text{days}) \times (24\ \text{hours/day}) \times (209.3\ \text{MW})} = 0.477 = 47.7\%.


더 낮은 용량 인수를 가진 부지도 풍력 발전소에 대해 실행 가능하다고 판단될 수 있다. 예를 들어, 2017년 현재 노르웨이에서 건설 중인 육상 1 GW 포센 빈드의 예상 용량 인수는 39%이다. 타당성 계산은 계절성에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 핀란드에서는 추운 겨울철 용량 인수가 7월에 비해 두 배 이상 높다. 핀란드의 연평균은 29.5%이지만, 난방 에너지에 대한 높은 수요는 겨울철 더 높은 용량 인수와 상관관계가 있다.

특정 육상 풍력 발전소는 60% 이상의 용량 인수를 달성할 수 있다. 예를 들어, 니카라과의 44 MW 에올로 발전소는 2015년에 232.132 GWh의 순 생산량을 기록하여 60.2%의 용량 인수를 달성했으며, 미국은 2013년부터 2016년까지 연간 용량 인수가 32.2%에서 34.7% 범위였다.

풍력 터빈의 용량 인수는 가능한 생산량에 대한 실제 생산량을 측정하므로, 바람에서 사용 가능한 에너지 대비 생산량을 제한하는 베츠 계수 와는 무관하다.

### 수력 발전 댐
2017년 기준으로 중국의 싼샤 댐은 22,500 MW의 명판 용량으로 설치 용량 기준으로 세계 최대의 발전소이다. 2015년에는 87 TWh를 생산했으며, 용량 인수는 다음과 같다.

 \frac{87\,000\,000\ \text{MW}{\cdot}\text{h}}{(365\ \text{days}) \times (24\ \text{hours/day}) \times (22\,500\ \text{MW})} = 0.45 = 45\%.


후버 댐은 2080 MW의 명판 용량과 연평균 4.2 TW·h의 발전량을 가지고 있다. (연간 발전량은 1984년 10.348 TW·h의 최고치와 1956년 2.648 TW·h의 최저치 사이에서 변동했다.) 연간 발전량의 평균치를 취하면 용량 인수는 다음과 같다.

 \frac{4\,200\,000\ \text{MW}{\cdot}\text{h}}{(365\ \mbox{days}) \times (24\ \mbox{hours/day}) \times (2080\ \mbox{MW})} = 0.23 = 23\%.


### 태양광 발전소
용량 인수가 낮은 범위에 속하는 것은 대규모 태양광 발전 시스템(PV 시스템)으로부터 전력망에 전력을 공급하는 태양광 발전소이다. 용량 인수에 대한 본질적인 한계는 햇빛의 필요성에서 비롯된다. 햇빛은 구름, 연기 또는 스모그, 나무 및 건물 구조물에 의해 가려지지 않는 것이 좋다. 햇빛의 양은 하루 중 시간과 계절에 따라 모두 다르므로 용량 인수는 일반적으로 연간 기준으로 계산된다. 사용 가능한 햇빛의 양은 주로 설비의 위도와 지역 구름 양에 의해 결정된다. 실제 생산량은 먼지와 주변 온도와 같은 지역적 요인에도 영향을 받는데, 이상적으로는 낮은 온도가 좋다. 모든 발전소와 마찬가지로 최대 가능한 전력 생산량은 명판 용량에 연간 시간 수를 곱한 값이며, 실제 생산량은 연간 전력망에 공급되는 전력량이다.

예를 들어, 애리조나주의 33번째 위선 근처에 위치하며 재생 가능 에너지 분야에서 우수성을 인정받은 아구아 칼리엔테 태양광 발전 프로젝트는 290 MW의 명판 용량과 연평균 740 GWh/년의 실제 생산량을 가지고 있다. 따라서 용량 인수는 다음과 같다.

 \frac{740\,000\ \text{MW}{\cdot}\text{h}}{(365\ \text{days}) \times (24\ \text{hours/day}) \times (290\ \text{MW})} = 0.291 = 29.1\%.


49번째 위선 근처 바이에른주에 위치한 라우잉엔 에너지 파크는 훨씬 더 낮은 용량 인수를 달성한다. 25.7 MW의 명판 용량과 연평균 26.98 GWh/년의 실제 생산량으로 12.0%의 용량 인수를 가지고 있다.

## 발전소 용량 인수의 결정 요인
발전소의 용량 인수가 100%보다 낮은 여러 가지 이유가 있다. 여기에는 발전소의 운영 가용성 A_o (발전기의 가용성 계수로 알려짐)와 같은 기술적 제약, 경제적 이유, 그리고 에너지 자원의 가용성이 포함된다.

발전소는 장비 고장이나 정기 유지 보수로 인해 일정 시간 동안 가동 중단되거나 출력이 감소할 수 있다. 이는 기저부하 발전소의 대부분의 미사용 용량을 차지한다. 기저부하 발전소는 일반적으로 최대 효율을 위해 설계되고 높은 출력으로 연속적으로 작동하기 때문에 단위 전력당 비용이 낮다. 지열 발전소, 원자력 발전소, 석탄 화력 발전소 및 고체 물질을 태우는 바이오 에너지 발전소는 수요에 맞게 조절하기 어렵기 때문에 거의 항상 기저부하 발전소로 작동한다.

발전소는 전기가 필요하지 않거나 전력 가격이 생산을 경제적으로 만들 만큼 낮기 때문에 출력이 제한되거나 의도적으로 유휴 상태로 남겨질 수도 있다. 이는 첨두부하 발전소와 부하 추종 발전소의 대부분의 미사용 용량을 차지한다. 첨두부하 발전소는 연간 몇 시간만 작동하거나 하루에 몇 시간까지 작동할 수 있다. 다른 많은 발전소는 부하 및 전력 가격 변동으로 인해 하루 중 또는 연중 특정 시간에만 작동한다. 예를 들어, 발전소가 낮에만 필요하고 매일 오전 8시부터 오후 8시까지(12시간) 1년 내내 완전 전력 출력으로 작동하더라도 용량 인수는 50%에 불과하다. 낮은 용량 인수율로 인해 첨두부하 발전소의 전력은 제한된 발전량이 발전소 고정 비용을 충당해야 하므로 상대적으로 비싸다.

세 번째 이유는 발전소가 항상 작동할 수 있는 연료가 없을 수 있다는 것이다. 이는 제한된 연료 공급을 가진 화석 발전소에 적용될 수 있지만 가장 중요한 것은 간헐성 재생 가능 자원에 적용된다. 태양광 발전과 풍력 터빈은 각각 "연료"인 햇빛과 바람의 가용성에 의해 용량 인수가 제한된다. 수력 발전소는 물의 제한이나 부족으로 인해 용량 인수가 100% 미만일 수 있거나, 현재 전력 수요에 맞춰 출력이 조절되어 저장된 물을 나중에 사용하기 위해 보존될 수 있다.

정부는 정전 및 전력망에 대한 자연재해 및 군사 공격에 대한 회복력 부족의 위험을 수용하는 의지가 다르다. 전력망 회복력에 영향을 미치는 역사적 사건의 예로는 1991년 걸프전 민간 기반 시설에 대한 항공 작전, 2015년 우크라이나 전력망 해킹, 2021년 텍사스 전력 위기 및 러시아의 우크라이나 기반 시설 공격 (2022년~현재)이 있다. 낮은 위험 허용 범위는 전력망 중단 및 정전의 잠재적 비용을 완화하기 위해 전력망을 훨씬 더 과도하게 구축해야 할 수 있으며, 이는 정상적인 전력망 조건에서 필요한 발전량 제한에 기술별로 영향을 미친다.

발전소의 용량 인수가 100%가 되지 않는 다른 이유로는 대기 허가에 대한 제한이나 제약, 그리고 발전소의 출력을 제한하는 송전 제한 등이 있다.

## 재생 가능 에너지의 용량 인수
[framed|right|[미국 에너지 관리청 재생 에너지 월별 용량 인수, 2011-2013]]
태양 에너지, 풍력, 수력 발전과 같은 재생 가능 에너지원의 경우, 용량 인수가 감소하는 주된 이유는 일반적으로 에너지원의 가용성이다. 발전소는 전기를 생산할 수 있지만 "연료"(바람, 햇빛 또는 물)가 없을 수 있다. 수력 발전소의 생산량은 또한 수위를 너무 높거나 낮게 유지하지 않고 하류의 물고기를 위해 물을 공급해야 하는 요구 사항의 영향을 받을 수 있다. 그러나 태양광, 풍력 및 수력 발전소는 가용성 계수가 높기 때문에 연료가 있을 때 거의 항상 전기를 생산할 수 있다.

수력 발전소는 물을 사용할 수 있을 때, 높은 급전 가능성 때문에 부하 추종에도 유용하다. 일반적인 수력 발전소 운영자는 몇 분 만에 멈춘 상태에서 최대 전력으로 가동할 수 있다.

풍력 발전소는 바람의 자연적인 변동성 때문에 가변적이다. 풍력 발전소의 경우 용량 인수는 바람의 가용성, 터빈의 회전 면적 및 발전기의 크기에 의해 결정된다. 송전선 용량 및 전력 수요 또한 용량 인수에 영향을 미친다. 현재 풍력 발전소의 일반적인 용량 인수는 25%에서 45% 사이다. 영국에서는 2011년부터 2019년까지 5년 동안 풍력의 연간 용량 인수가 30% 이상이었다.

태양 에너지는 지구의 일일 자전, 계절 변화 및 구름 양으로 인해 가변적이다. 예를 들어 새크라멘토 시영 전력 회사는 2005년에 15%의 용량 인수를 관찰했다. 하지만 국제 에너지 기구(IEA)의 SolarPACES 프로그램에 따르면, 태양광 발전 전용으로 설계된 태양광 발전소는 스페인이나 미국 남서부와 같이 냉방 수요가 많은 지역의 여름 정오 피크 부하에 잘 맞는다. 하지만 일부 지역에서는 태양광 출력이 감소하는 늦은 오후나 초저녁에 에어컨 피크 수요가 발생하는 경우가 많기 때문에 태양광 PV가 전력망 업그레이드 필요성을 줄이지 못한다. SolarPACES는 열 에너지 저장 시스템을 사용하여 태양열 발전(CSP) 발전소의 운영 기간을 확장하여 급전 가능하게 만들 수 있다고 말한다.

지열 발전은 다른 많은 발전원보다 용량 인수가 높으며, 지열 자원은 일반적으로 항상 사용할 수 있다.

## 에너지원별 용량 인수
### 전 세계
* 원자력 88.7% (2006–2012년 미국 발전소 평균).
* 수력 발전, 전 세계 평균 44%, 물 가용성(저장 댐을 통한 조절 여부)에 따라 10–99% 범위.
* 풍력 발전소 21–52% (2022년 기준).
* 스페인에서 저장 장치 및 천연가스 백업을 갖춘 CSP 태양광 발전 63%, 캘리포니아 33%.
* 독일의 태양광 발전 10%, 애리조나 19%, 매사추세츠 13.35% (2018년 7월 기준 8년 평균).

### 미국
미국 에너지 정보국(EIA)에 따르면, 2013년부터 2017년까지 유틸리티 규모 발전기의 용량 인수는 다음과 같다.

|-
!colspan="8"| 비-화석 연료 !! 석탄 !!colspan="4"| 천연가스 !!colspan="3"| 석유 액체
|-
!원자력 !!  수력 !! 풍력 !! 태양광 PV !! 태양광 CSP !! 매립가스  및  !! 목재를 포함한  기타 바이오매스 !! 지열 !! !!  !!  !!  !!  !!  !!  !! 
|-
|89.9% ||38.9% ||32.4% ||NA ||NA ||68.9% ||56.7% ||73.6% ||59.8% ||48.2% ||4.9% ||10.6% ||6.1% ||12.1% ||0.8% ||2.2%
|-
|91.7% ||37.3% ||34.0% ||25.9% ||19.8% ||68.9% ||58.9% ||74.0% ||61.1% ||48.3% ||5.2% ||10.4% ||8.5% ||12.5% ||1.1% ||1.4%
|-
|92.3% ||35.8% ||32.2% ||25.8% ||22.1% ||68.7% ||55.3% ||74.3% ||54.7% ||55.9% ||6.9% ||11.5% ||8.9% ||13.3% ||1.1% ||2.2%
|-
|92.3% ||38.2% ||34.5% ||25.1% ||22.2% ||69.7% ||55.6% ||73.9% ||53.3% ||55.5% ||8.3% ||12.4% ||9.6% ||11.5% ||1.1% ||2.6%
|-
|92.2% ||43.1% ||34.6% ||25.7% ||21.8% ||68.0% ||57.8% ||74.0% ||53.7% ||51.3% ||6.7% ||10.5% || 9.9% ||13.5% ||0.9% || 2.3%
|-
|92.6% ||42.8% ||37.4% ||26.1% ||23.6% ||73.3% ||49.3% ||77.3% ||54.0% ||57.6% ||11.8% ||13.7% ||NA ||13.9% ||2.5% ||NA

그러나 이 값들은 월별로 크게 달라지는 경우가 많다.

### 영국
다음 수치는 에너지 기후변화부에서 영국 전력망의 다양한 유형의 발전소에 대한 용량 인수를 수집한 것이다.

## 같이 보기
* 수용률
* 간헐성 전원

## 각주

분류:발전 기술