하이브리드 에너지시스템에 중요한 원자력 Nuclear is the key to hybrid energy systems

Nuclear is the key to hybrid energy systems

25 April 2019

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Halting climate change demands rapid and deep decarbonisation of energy systems, which go far beyond the electricity grid, Rauli Partanen, CEO of Think Atom told delegates at the Atomexpo conference held in Sochi, Russia last week. In a roundtable discussion - What mix of nuclear and renewables can best achieve sustainable development? - Partanen presented the challenges of clean hybrid energy systems.

Think Atom CEO Rauli Partanen, second from right (Image: World Nuclear News)

하이브리드 에너지시스템에 중요한 원자력    러시아 Sochi에서 열린 Atomexpo 회의에서 Think Atom의 CEO Rauli Partanen는 기후변화를 막기 위해서는 전력망 차원을 훨씬 뛰어넘는 에너지 시스템의 탈탄화가 빠르고 높은 수준으로 필요하다고 밝혔다. 원탁 토론에서 원자력 발전과 재생 에너지의 어떤 조합이 지속 가능한 발전을 가장 잘 달성할 수 있는가에 대해 토의하면서 깨끗한 하이브리드 에너지 시스템의 도전을 제시했다. 이러한 맥락에서 '시스템'은 시스템 비용을 계산하고, 석탄 연소 시 발생하는 미립자와 같은 외부 요소를 포함하며 제공되는 에너지 서비스의 품질이 중요하다고 밝혔다. 에너지 시스템에는 모든 에너지 사용량이 포함되며, 전기 사용량이 5분의 1을 조금 넘는 것은 물론, 공간 난방, 온수, 산업 공정에 사용되는 열도 포함되는데 이 부분이 전체 에너지 사용량의 약 절반에 해당한다. 유럽의 경우 연간 약 6,000 TWh다. 여기에 전기화 되지 않은 운송 부문에 사용되는 운송용 연료를 포함할 필요가 있다. 오늘날 대부분의 에너지 시스템은 다중의 에너지 시스템을 가지고 있고 또한 다양한 에너지 서비스를 제공하기 때문에 하이브리드 시스템이지만, 송전망, 저장 및 유연성을 위한 서비스에 이은 복합화력과 같이 단일 에너지원을 사용하여 다중 서비스를 제공하기 위해 하이브리드화(hydbridisation)하는데  더 집중해야 한다고 주장했다. 하지만 깨끗한 하이브리드 에너지 시스템은 세 가지 주요 과제에 직면해 있다고 그는 말했다. 이 중 첫 번째는 배출 문제로 발전량 kWh 당 이산화탄소 발생이 50g 미만이거나 열생산에서는 20g 미만이어야 한다. 탄소 포집 및 저장이 가능한 석탄, 가스 및 바이오매스로부터의 발전 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출량은 각각 약 820g CO2/kWh, 490g CO2/kWh, 230g CO2/kWh이다. 대규모 태양 및 하이드로의 경우 48g CO2/kWh 및 24g CO2/kWh이며, 해상풍력과 원자력발전은은 12g CO2/kWh로 동일하다. 두 번째 문제는 오염과 건강으로 미립자와 오염을 제한해야 하며 에너지 생산과정에서 시민의 보건을 안전하게 지켜야 한다고 밝혔다. 발전량 TWh당 에너지원별 사망률은 석탄 224명, 석유 52명, 바이오 연료 50명, 피트(peat) 50명, 천연가스 20명 등이다. 수력, 풍력, 지붕 태양광의 경우 사망자는 각각 1명, 0.15명, 0.1명이다. 원자력발전의 경우는 0.04명이다. 세 번째 도전인 환경 발자국(environmental footprint)은 환경, 생물 다양성, 생태계를 고려해야 한다고 밝혔다. 에너지원의 에너지 밀도는 중요하다. 수력발전을 포함한 재생 에너지원 중 최고 밀도는 최대 평방미터 당 10W로 태양광 발전이다. 하지만 원자력발전의 경우는 최대 평방미터 당 1000W로 대조적이다. 이러한 도전들을 해결하기 위해 원자력 발전이 모든 상자를 여는 유일한 열쇠라고 밝혔다. 또한 에너지시스템의 탈탄소화를 위한 가장 저렴한 방식이 원자력발전이라고 덧붙였다.   하이브리드 원전-신재생에너지 시스템 메커니즘/ResearchGate 한편, Think Atom은 이달 초 소형 원자로를 이용해 핀란드에 열을 공급할 때 가능한 잠재적인 온실가능 배출 감소 가능성을 연구한 보고서를 작성한 바 있다. ndsl.kr

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In this context, 'system' means that system costs are calculated, externalities - such as particulates from burning coal - are included, and the quality of energy services provided is important, he said.

"An energy system includes all energy use and so not just electricity, which accounts for just over one-fifth, but also space heating, hot water and industrial process heat, which is about half of total energy use. In Europe, this totals about 6000 TWh per year. "The system also needs to include transportation fuels for those parts of the transportation system we fail to electrify," he said.

      

"Most of our energy systems today are hybrid because they have multiple energy systems and they also provide various energy services, but I think that we could focus 'hydbridisation' a bit more to use a single energy source to do multiple services, like combined heat and power and load following services for grid and storage and flexibility."

Challenges

Clean hybrid energy systems face three main challenges, he said. The first of these is emissions, which would need to be less than 50g CO2/kWh, or less than 20g for heat. The lifecycle emissions from electricity generation from coal, gas and biomass with carbon, capture and storage is about 820g CO2/kWh, 490g CO2/kWh and 230g CO2/kWh, respectively. For large-scale solar and hydro it is 48g CO2/kWh and 24g CO2/kWh. Offshore wind and nuclear are equal at 12 g CO2/kWh.

The second challenge, pollution and health, requires limited particulate matter and pollution; that the energy generation is safe for public health, he said.

Fatalities by energy source per TWh produced are about 224 for coal, 52 for oil, 50 for biofuels, 50 for peat and 20 for natural gas. For hydro, wind and rooftop solar, the number of deaths is 1, 0.15 and 0.1. For nuclear, it is 0.04.

 

Greentech Media

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The third challenge, environmental footprint, acknowledges the environment, biodiversity and ecosystems, he said. Here, the power density of the energy source is important. Of renewable energy sources, including hydropower, the highest density can be achieved through solar power, at up to 10 W/sqm. That contrasts with nuclear, which can achieve up to 1000 W/sqm.

For these challenges, therefore, nuclear power is "the only one that ticks all the boxes", he said.

Issues

The main issues to be addressed are physical, technological, economic and social.

The first of these concerns meeting demand with increasingly intermittent energy sources.

"Humans moved from renewable flows to fossil fuels for a reason," he said, since "on-demand energy dramatically increases productivity and quality of life". But "shifting demand in time and space has an exponentially increasing (opportunity) cost".

Nuclear is the most cost-effective way to decarbonise the system, he said.

The technological issue involves, for example, storing hydropower at grid scale when this resource has already been tapped in most of the Western World. "There is no guarantee that cheap grid-scale battery chemistry even exists," he said.

The economic issue is fourfold. As intermittent production increases, then demand management costs increase, the value of intermittent energy decreases and baseload energy costs increase. Secondly, these costs are not included, nor are they transparent, owing to subsidies, tax credits, tariffs, and portfolio standards, he said.

Thirdly, current market design does not value reliability, but "actually values things that destroy it". So, finally, the question is to re-design markets so that they more fairly value each energy source, he said.

 

Nuclear is the key to hybrid energy systems/energy-hub

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The social question requires that climate mitigation efforts are based on equality and therefore who pays for it.

"Many well-meaning energy policies, renewable energy tariffs and subsidies have been inefficient and even counter-productive; they have been regressive, with the poor paying the rich; and they have eroded public and political willingness to mitigate climate change," he said. "There is the risk of eroding the public's will to mitigate climate change."

The problem is that most energy scenarios "manually limit" the share of nuclear power in their energy system models, namely by not building new plant, he said. "But if we want a clean, reliable and affordable energy system as fast as possible, then it's clear that nuclear needs to be a big part of it."

Think Atom produced a report earlier this month that studies the demand, supply and emissions reduction potential of heating Finland with small nuclear reactors.

http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/trend/trendSearchResultDetail.do?cn=GTB2019005181

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