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덕 커브

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목차

1. 개요

덕 커브는 태양광 발전의 보급으로 인해 발생하는 전력 수요와 공급의 불균형 현상을 나타내는 용어이다. 태양광 발전량이 많은 낮 시간 동안 전력 수요가 감소하다가, 해가 지면서 태양광 발전이 중단되면 전력 수요가 급증하여 오리 모양의 그래프를 그리는 현상을 말한다. 이러한 현상은 급격한 수요 변동, 전력 공급 과잉, 경제적 손실 등의 문제점을 야기하며, 에너지 저장, 수요 관리, 가변 발전 설비 확충 등의 방법으로 완화할 수 있다.

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덕 커브
개요
이름덕 커브
정의피크 수요와 재생 가능 전력 생산 간의 타이밍 불균형을 보여주는 그래프
문제점전력 수요가 가장 낮은 시간대에 재생 에너지 발전량이 최대가 되어 잉여 전력이 발생
석탄 화력 발전과 같은 기존 발전원을 유연하게 가동하기 어려움
해결 방안에너지 저장 시스템 (ESS) 구축
수요 반응 (Demand Response) 프로그램 활성화
전력 시장 및 가격 메커니즘 개선
송전망 인프라 확충
배경
원인태양광 발전의 급증
태양광 발전은 정오에 최대 생산량을 보이며, 이는 전력 수요 피크 시간대와 일치하지 않음
발생 지역태양광 발전 비중이 높은 지역 (예: 캘리포니아)
최초 발견10년 전
그래프 형태
특징2018년 3월 20일, Vox는 이 현상을 "태양광 발전의 가장 큰 도전"이라고 부름
그래프 모양이 오리를 닮음
구성 요소순수 수요 (Pure Demand): 총 수요에서 재생 에너지 발전량을 뺀 값
순수 수요 곡선은 정오에 가장 낮아지고 저녁에 급증하는 경향을 보임
문제 해결 노력
캘리포니아캘리포니아 독립 시스템 운영자(CAISO)는 "덕 커브" 문제 해결을 위해 노력
기술적 접근인공지능을 활용하여 "덕 커브" 문제를 해결하는 방법 연구
기타
관련 보고서캘리포니아 ISO의 재생 에너지 보고서 참조 California ISO - Renewables Reporting

2. 배경

2020년 미국 캘리포니아 주의 발전원별 전력량. 에너지 수요를 나타내는 그래프는 아니지만, 발전 전력량의 일일 및 계절별 변동을 보여준다.


덕 커브는 2008년 2월 미국의 국립 재생 가능 에너지 연구소 연구 그룹이 대규모 태양광 발전 설비 도입의 영향을 예측하는 과정에서 발견했다. 2013년 캘리포니아 독립 계통 운영 기관(CAISO) 보고서에서 "덕 커브"라는 용어가 처음 사용되었다.[22][23]

캘리포니아 독립 시스템 운영자(CAISO)는 약 반세기 동안 덕 커브와 그 미래 예상치를 분석해왔으며, 정오 시간대 가격에 비해 아침 및 저녁 시간대 가격 격차가 커지고 있다는 사실을 발견했다.[1] 2016년 미국 에너지 정보청 연구에 따르면, 지난 6개월 동안 오후 5시에서 8시 사이(덕의 "목")의 도매 에너지 시장 가격이 메가와트시당 60USD까지 상승했으며, 이는 같은 기간의 메가와트시당 약 35USD에 비해 상승한 것이다.[5] 반면, 정오 시간대 가격은 급격히 하락하여 메가와트시당 15USD에 육박하는 것으로 측정되었다.[5] 이러한 추세는 재생 에너지 생산 증가에 따라 덕 커브가 더욱 뚜렷해지고 있음을 보여준다.[6][2][16]

미국 하와이 주에서는 대규모 태양광 발전 도입으로 인해 2014년까지 덕 커브 특징이 더욱 현저하게 나타나는 곡선이 나타났다. 이 곡선은 네스 호의 괴물과 비슷하여 "네시 커브"(Nessie curve영어)라고 불린다.[27][28]

2. 1. 넷 로드 (Net Load)

일부 전력망에서는 일몰 이후 태양 에너지로 발전을 하지 못하면 최대 수요 피크를 찍는 경우가 발생한다. 태양 발전소가 일정 이상 설치된 망에서는 태양이나 풍력 발전을 사용할 수 없는 일몰 무렵에 전력 수요가 급증해 저녁 즈음 피크를 이루는, 마치 오리와 비슷한 모양의 그래프가 그려진다.[36][37] 이 곡선의 중요한 부분은 '''순 부하'''(예상 부하와 다양한 재생 에너지원에서 예상되는 전력 생산 간의 차이)에서 비롯된다.[5] 특정 시기(특히 봄과 여름)에 곡선은 정오에 "배" 모양을 만들고, 그 다음 오리의 목과 유사한 "아치"를 급격히 증가시켜 "덕 차트"라는 이름을 갖게 되었다.[17]

에너지 저장장치가 없는 전력망의 경우 낮에는 강력한 태양 발전으로 수요를 커버하지만 일몰 무렵 태양 에너지 발전량이 없어지면 발전량을 다른 형태로 급격하게 전환해야 한다.[40] 덕 커브로 인한 급격한 수요 불균형 문제는 에너지 저장 장치로 해결할 수 있다. 예를 들어 플라이휠 에너지 저장장치(FES)의 경우 주파수 조절 기능이 매우 뛰어나다.[41] 짧게 사용할 수 있는 배터리도 규모를 매우 크게 만들어 사용한다면 덕 커브를 평평하게 만들고 급격한 수요 변동에도 대응할 수 있다는 장점이 있다.[42]

부하와, 출력이 변동하는 전원 (태양광 발전이나 풍력 발전 등)의 발전량과의 차이를 "넷 로드"(net load|links=no영어)라고 부른다. 태양광 발전 설비가 대규모로 도입된 지역에서는, 하루 동안 넷 로드가 특징적으로 변화하는 경우가 있다. 아침에는 사람들이 기상하여 전기를 소비하기 시작함으로써 넷 로드가 서서히 증가한다. 낮이 되면 태양광 발전에서 대량의 전력이 공급되어 넷 로드가 극적으로 감소한다. 반대로 저녁이 되어 해가 지면 태양광 발전으로부터의 전력 공급이 없어지고, 게다가 귀가한 사람들이 집에서 전기를 사용하기 시작하여 부하가 증가함으로써 넷 로드가 급증한다. 밤이 되면 사람들이 취침함으로써 넷 로드가 서서히 감소한다. 이 넷 로드의 변화를 그래프로 나타내면 낮 시간대의 넷 로드의 급감이 오리의 배 부분에, 밤의 넷 로드의 급증이 오리의 목과 닮았기 때문에 "덕 커브"라고 불리게 되었다.[22][24][25]

덕 커브가 보이는 것과 같은 상황에서는 넷 로드의 급격한 증감에 따라 발전 설비를 단시간 내에 기동·정지할 필요가 있다.

3. 문제점

덕 커브는 태양광 발전의 증가로 인해 발생하는 전력 수급 불균형 문제를 보여주는 곡선이다. 이 곡선은 낮에는 태양광 발전으로 전력 생산량이 많지만, 해가 지면서 태양광 발전량이 급감하고 동시에 가정의 전력 소비가 늘어나면서 전력 수요가 급증하는 현상을 나타낸다.

덕 커브로 인한 주요 문제점은 다음과 같다.


  • 급격한 부하 변동: 태양광 발전량이 급감하는 저녁 시간대에 전력 수요가 급증하여, 다른 발전원을 빠르게 가동해야 하는 문제가 발생한다.
  • 전력 공급 과잉: 낮 시간 동안 태양광 발전량이 과도하게 많아져 전력망에 부담을 줄 수 있다.
  • 경제적 손실: 전력 가격의 변동성이 커져, 전력 생산자와 소비자 모두에게 경제적 손실을 야기할 수 있다. 미국 캘리포니아 주의 경우, 2016년 오후 5시에서 8시 사이 도매 에너지 시장 가격이 메가와트시당 60USD까지 상승한 반면, 정오 시간대 가격은 메가와트시당 15USD까지 하락했다.[5]
  • 캘리포니아의 사례: 캘리포니아에서는 덕 커브 현상이 심화되면서 전력 가격 변동성이 커지고, 재생 에너지 활용률이 낮아지는 문제가 발생하고 있다.
  • 네시 커브 (Nessie Curve): 미국 하와이 주에서는 태양광 발전 비중이 높아 덕 커브보다 더 급격한 변동을 보이는 네시 커브 현상이 나타난다.


이러한 덕 커브 문제는 에너지 저장 장치(ESS)를 활용하여 어느 정도 해결할 수 있지만, 저장 장치의 설치 비용이 높아 경제적인 부담이 여전히 존재한다.

3. 1. 급격한 부하 변동

일부 전력망에서는 일몰 이후 태양 에너지로 발전을 하지 못하면 최대 수요 피크를 찍는 경우가 발생한다. 태양 발전소가 일정 이상 설치된 망에서는 태양이나 풍력 발전을 사용할 수 없는 일몰 무렵에 전력 수요가 급증해 저녁 즈음 피크를 이루는, 마치 오리와 비슷한 모양의 그래프가 그려진다.[36][37] 하와이에서는 태양광 발전을 상당 수준으로 도입하여 네시 커브(Nessie curve)로 알려진 더욱 뚜렷한 곡선을 보이게 되었다.[7][8]

에너지 저장장치가 없는 전력망의 경우 낮에는 강력한 태양 발전으로 수요를 커버하지만 일몰 무렵 태양 에너지 발전량이 없어지면 발전량을 다른 형태로 급격하게 전환해야 한다.[40] 덕 커브로 인한 급격한 수요불균형 문제는 에너지 저장장치로 해결할 수 있다. 예를 들어 플라이휠 에너지 저장장치(FES)의 경우 주파수 조절 기능이 매우 뛰어나다.[41] 단기 사용 배터리는 충분한 규모로 사용하면 오리 커브를 평탄하게 하고 발전기 사용 변동을 방지하며 전압 프로파일을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[42]

2008년 2월 미국의 국립 재생 가능 에너지 연구소의 연구 그룹이 대규모 태양광 발전 설비 도입의 영향을 예측하는 과정에서 덕 커브 현상을 발견했다. 2013년 캘리포니아 독립 계통 운영 기관(CAISO) 보고서에서 처음으로 "덕 커브"라는 용어가 사용되었다.[22][23]

부하와, 출력이 변동하는 전원(태양광 발전이나 풍력 발전 등)의 발전량과의 차이를 "넷 로드"()라고 부른다. 태양광 발전 설비가 대규모로 도입된 지역에서는 하루를 통해 넷 로드가 특징적으로 변화하는 경우가 있다. 아침에는 사람들이 기상하여 전기를 소비하기 시작함으로써 넷 로드가 서서히 증가한다. 낮이 되면 태양광 발전에서 대량의 전력이 공급되어 넷 로드가 극적으로 감소한다. 반대로 저녁이 되어 해가 지면 태양광 발전으로부터의 전력 공급이 없어지고, 게다가 귀가한 사람들이 집에서 전기를 사용하기 시작하여 부하가 증가함으로써 넷 로드가 급증한다. 밤이 되면 사람들이 취침함으로써 넷 로드가 서서히 감소한다. 이 넷 로드의 변화를 그래프로 나타내면 낮 시간대의 넷 로드의 급감이 오리의 배 부분에, 밤의 넷 로드의 급증이 오리의 목에 닮아 있기 때문에 "덕 커브"라고 불리게 되었다.[22][24][25]

3. 2. 전력 공급 과잉

일부 에너지 시장에서 일일 최대 전력 수요는 해가 진 후에 발생하는데, 이때는 태양광 발전을 더 이상 사용할 수 없다. 상당한 양의 태양광 발전 설비가 설치된 지역에서는 태양광이나 풍력 외의 다른 발전원에서 생산해야 하는 전력량이 일몰 무렵 급격히 증가하여 저녁 시간에 정점에 도달하며, 이는 오리의 실루엣과 유사한 그래프를 생성한다.[5][6] 하와이에서는 태양광 발전을 상당 수준으로 도입하여 네시 커브(Nessie curve)로 알려진 더욱 뚜렷한 곡선을 보이게 되었다.[7][8]

어떠한 형태의 에너지 저장도 없다면, 태양광 발전량이 많은 시간 이후에, 전력 회사는 태양광 발전 손실을 보상하기 위해 일몰 무렵 다른 형태의 발전량을 급격히 증가시켜야 하며, 이는 광전지 성장이 빠른 지역의 그리드 운영자에게 주요 관심사이다.[9] 댐 수력 발전과 같은 저장 시설은 이를 구현할 수 있다면 이러한 문제를 해결할 수 있다.[10] 단기 사용 배터리는 충분한 규모로 사용하면 오리 커브를 평탄하게 하고 발전기 사용 변동을 방지하며 전압 프로파일을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[11]

캘리포니아 독립 시스템 운영자(CAISO)는 약 반세기 동안 덕 커브와 그 미래 예상치를 모니터링하고 분석해왔으며, 그들의 가장 큰 발견은 정오 시간대 가격에 비해 아침 및 저녁 시간대 가격의 격차가 커지고 있다는 것이다.[1] 2016년 연구에 따르면, 미국 에너지 정보청은 지난 6개월 동안 오후 5시에서 오후 8시 사이(덕 커브의 "목")의 도매 에너지 시장 가격이 메가와트시당 60USD까지 상승했으며, 이는 2016년 같은 기간의 메가와트시당 약 35USD에 비해 상승한 것이다.[5] 그러나 다른 한편으로는 정오 시간대 가격이 급격히 하락하여 메가와트시당 15USD에 육박하는 것으로 측정되었다.[5] 이러한 높은 피크와 깊은 골짜기는 재생 에너지 생산이 계속 증가함에 따라 덕 커브가 더욱 뚜렷해지는 추세를 보여주고 있다.[6][2][16]

이 곡선의 중요한 부분은 '''순 부하'''("예상 부하와 다양한 재생 에너지원에서 예상되는 전력 생산 간의 차이")에서 비롯된다.[5] 특정 시기(특히 봄과 여름)에 곡선은 정오에 "배" 모양을 만들고, 그 다음 덕 커브의 목과 유사한 "아치"를 급격히 증가시켜 "덕 커브"라는 이름을 갖게 되었다.[17] 이 "목"은 2020년 오후 3시간 동안 10~17GW 사이의 램프 속도를 나타내며, 이는 유연한 발전으로 공급되어야 한다.[18] 정오 시간 동안 많은 양의 태양 에너지가 생성되어 추가 전력 수요를 부분적으로 낮추는 데 기여한다.[19] 출력 제한은 곡선에 영향을 미친다.[18] 배터리 저장을 늘리면 낮 동안의 태양 에너지 과잉 문제를 완화할 수 있다. 낮 동안 잉여 태양 에너지를 저장하여 저녁에 사용하면 저렴한 정오 시간대와 비싼 저녁 시간대 에너지 간의 가격 격차를 줄일 수 있다. 세계에 전력을 공급할 수 있는 충분한 총 태양광 기술이 존재하지만, 현재 태양 에너지를 나중에 사용하기 위한 저장 인프라가 부족하다.[9] 수요가 적을 때의 에너지 과잉 공급과 수요가 많을 때의 공급 부족이 정오 시간대와 저녁 시간대 에너지 가격 간의 큰 격차를 설명한다. 2022년 기준으로, 최대 6GWh가 저가 시간대에서 고가 시간대로 하루에 이동한다.[20]

덕 커브는 2008년 2월 미국의 국립 재생 가능 에너지 연구소의 연구 그룹이 대규모 태양광 발전 설비 도입의 영향을 예측하는 과정에서 발견했다. CAISO의 2013년 보고서에서 처음으로 "덕 커브"라는 용어가 사용되었다.[22][23]

부하와, 출력이 변동하는 전원 (태양광 발전이나 풍력 발전 등)의 발전량과의 차이를 "넷 로드"(net load영어)라고 부른다. 태양광 발전 설비가 대규모로 도입된 지역에서는 하루를 통해 넷 로드가 특징적으로 변화하는 경우가 있다. 아침에는 사람들이 기상하여 전기를 소비하기 시작함으로써 넷 로드가 서서히 증가한다. 낮이 되면 태양광 발전에서 대량의 전력이 공급되어 넷 로드가 극적으로 감소한다. 반대로 저녁이 되어 해가 지면 태양광 발전으로부터의 전력 공급이 없어지고, 게다가 귀가한 사람들이 집에서 전기를 사용하기 시작하여 부하가 증가함으로써 넷 로드가 급증한다. 밤이 되면 사람들이 취침함으로써 넷 로드가 서서히 감소한다. 이 넷 로드의 변화를 그래프로 나타내면 낮 시간대의 넷 로드의 급감이 오리의 배 부분에, 밤의 넷 로드의 급증이 오리의 목에 닮아 있기 때문에 "덕 커브"라고 불리게 되었다.[22][24][25]

덕 커브가 보이는 것과 같은 상황에서는 넷 로드의 급격한 증감에 추종하기 위해 발전 설비를 단시간 내에 기동·정지할 필요가 있다. 태양광 발전 설비의 증설로 인해 전력 공급이 증가하는 한편, 전력 수요가 증가하지 않는 경우, 전력 공급이 수요를 초과할 가능성도 있다. 전력 공급이 수요를 초과하면 전력 계통에 접속된 기기에 영향을 미치기 때문에 발전 설비의 출력을 조정할 필요가 있다. 태양광 발전의 공급을 줄인다는 것은 발전에 의해 얻을 수 있는 경제적인 이익이나 환경에 대한 부하를 경감한다는 이점을 손실하는 것을 의미한다.[24][25]

2017년의 미국 에너지 정보청(EIA) 보고에 따르면, 미국 캘리포니아 주의 오후 5시부터 오후 8시까지 (덕 커브의 "목" 부분에 해당한다)의 1일 전 에너지 시장 가격은, 2016년에는 1메가와트시당 약 35USD였던 데 비해, 2017년에는 약 60USD로 상승했다. 한편, 태양광, 풍력, 수력에 기인하는 전력 공급이 과잉이었기 때문에, 오전 9시부터 오후 5시까지의 가격은 1메가와트시당 약 15USD까지 하락했다.[26]

미국 하와이 주에서는 대규모 태양광 발전의 도입으로 인해 2014년까지 덕 커브의 특징이 더욱 현저하게 나타나는 곡선을 그리게 되었다. 이 곡선은 네스 호의 괴물의 모습과 닮아 있기 때문에 "네시 커브"(Nessie curve영어)라고 명명되었다.[27][28]

3. 3. 경제적 손실

캘리포니아 독립 시스템 운영자(CAISO)는 약 반세기 동안 덕 커브와 그 미래 예상치를 모니터링 및 분석해왔다. 이들의 주요 분석 결과는 정오 시간대와 아침 및 저녁 시간대 가격의 격차가 커지고 있다는 것이다.[1] 2016년 연구에 따르면, 미국 에너지 정보청은 지난 6개월 동안 오후 5시에서 오후 8시 사이(덕의 "목")의 도매 에너지 시장 가격이 메가와트시당 60달러까지 상승했으며, 이는 같은 해 같은 기간의 메가와트시당 약 35달러에 비해 상승한 것이다.[5] 반면, 정오 시간대 가격은 급격히 하락하여 메가와트시당 15달러에 육박하는 것으로 측정되었다.[5] 이러한 가격 차이는 재생 에너지 생산이 계속 증가함에 따라 덕 커브가 더욱 뚜렷해지는 경향을 보여준다.[6][2][16]

이 곡선의 중요한 부분은 '''순 부하'''(예상 부하와 다양한 재생 에너지원에서 예상되는 전력 생산 간의 차이)에서 비롯된다.[5] 특히 봄과 여름에 곡선은 정오에 "배" 모양을 만들고, 그 다음 덕의 목과 유사한 "아치"를 급격히 증가시킨다.[17] 정오에는 많은 양의 태양 에너지가 생성되어 전력 수요를 부분적으로 낮춘다.[19] 출력 제한은 곡선에 영향을 미친다.[18]

배터리 저장을 늘리면 낮 동안의 태양 에너지 과잉 문제를 완화할 수 있다. 잉여 태양 에너지를 저장하여 저녁에 사용하면 저렴한 정오 시간대와 비싼 저녁 시간대 에너지 간의 가격 격차를 줄일 수 있다. 현재 태양 에너지를 나중에 사용하기 위한 저장 인프라가 부족하다.[9] 수요가 적을 때의 에너지 과잉 공급과 수요가 많을 때의 공급 부족이 정오 시간대와 저녁 시간대 에너지 가격 간의 큰 격차를 설명한다. 2022년 기준, 최대 6GWh가 저가 시간대에서 고가 시간대로 하루에 이동한다.[20]

3. 4. 캘리포니아의 사례



캘리포니아 독립 시스템 운영자(CAISO)는 약 반세기 동안 닥 커브와 그 미래 예상치를 모니터링하고 분석해왔으며, 그들의 가장 큰 발견은 정오 시간대 가격에 비해 아침 및 저녁 시간대 가격의 격차가 커지고 있다는 것이다.[1] 2016년 연구에 따르면, 미국 에너지 정보청은 지난 6개월 동안 오후 5시에서 오후 8시 사이(닥의 "목")의 도매 에너지 시장 가격이 메가와트시당 60USD까지 상승했으며, 이는 2016년 같은 기간의 메가와트시당 약 35USD에 비해 상승한 것이다.[5] 그러나 다른 한편으로는 정오 시간대 가격이 급격히 하락하여 메가와트시당 15USD에 육박하는 것으로 측정되었다.[5] 이러한 높은 피크와 깊은 골짜기는 재생 에너지 생산이 계속 증가함에 따라 닥 커브가 더욱 뚜렷해지는 추세를 보여주고 있다.[6][2][16]

이 곡선의 중요한 부분은 '''순 부하'''("예상 부하와 다양한 재생 에너지원에서 예상되는 전력 생산 간의 차이")에서 비롯된다.[5] 특정 시기(특히 봄과 여름)에 곡선은 정오에 "배" 모양을 만들고, 그 다음 닥의 목과 유사한 "아치"를 급격히 증가시켜 "닥 차트"라는 이름을 갖게 되었다.[17] 이 "목"은 2020년 오후 3시간 동안 10~17GW 사이의 램프 속도를 나타내며, 이는 유연한 발전으로 공급되어야 한다.[18] 정오 시간 동안 많은 양의 태양 에너지가 생성되어 추가 전력 수요를 부분적으로 낮추는 데 기여한다.[19] 출력 제한은 곡선에 영향을 미친다.[18] 배터리 저장을 늘리면 낮 동안의 태양 에너지 과잉 문제를 완화할 수 있다. 낮 동안 잉여 태양 에너지를 저장하여 저녁에 사용하면 저렴한 정오 시간대와 비싼 저녁 시간대 에너지 간의 가격 격차를 줄일 수 있다. 세계에 전력을 공급할 수 있는 충분한 총 태양광 기술이 존재하지만, 현재 태양 에너지를 나중에 사용하기 위한 저장 인프라가 부족하다.[9] 수요가 적을 때의 에너지 과잉 공급과 수요가 많을 때의 공급 부족이 정오 시간대와 저녁 시간대 에너지 가격 간의 큰 격차를 설명한다. 최대 6GWh가 저가 시간대에서 고가 시간대로 하루에 이동한다.[20]

2008년 2월 미국의 국립 재생 가능 에너지 연구소의 연구 그룹이, 대규모 태양광 발전 설비 도입의 영향을 예측하는 과정에서 닥커브 현상을 발견했다. CAISO의 2013년 보고서에서 처음으로 "덕 커브"라는 용어가 사용되었다[22][23]。

부하와, 출력이 변동하는 전원 (태양광 발전이나 풍력 발전 등) 의 발전량과의 차이를 "넷 로드"(net load|넷 로드영어) 라고 부른다. 태양광 발전 설비가 대규모로 도입된 지역에서는, 하루를 통해 넷 로드가 특징적으로 변화하는 경우가 있다. 아침에는, 사람들이 기상하여 전기를 소비하기 시작함으로써 넷 로드가 서서히 증가한다. 낮이 되면, 태양광 발전에서 대량의 전력이 공급되어 넷 로드가 극적으로 감소한다. 반대로, 저녁이 되어 해가 지면, 태양광 발전으로부터의 전력 공급이 없어지고, 게다가 귀가한 사람들이 집에서 전기를 사용하기 시작하여 부하가 증가함으로써 넷 로드가 급증한다. 밤이 되면, 사람들이 취침함으로써 넷 로드가 서서히 감소한다. 이 넷 로드의 변화를 그래프로 나타내면, 낮 시간대의 넷 로드의 급감이 오리의 배 부분에, 밤의 넷 로드의 급증이 오리의 목에 닮아 있기 때문에 "덕 커브"라고 불리게 되었다[22][24][25]。

덕 커브가 보이는 것과 같은 상황에서는, 넷 로드의 급격한 증감에 추종하기 위해, 발전 설비를 단시간 내에 기동·정지할 필요가 있다. 태양광 발전 설비의 증설로 인해 전력 공급이 증가하는 한편, 전력 수요가 증가하지 않는 경우, 전력 공급이 수요를 초과할 가능성도 있다. 전력 공급이 수요를 초과하면, 전력 계통에 접속된 기기에 영향을 미치기 때문에, 발전 설비의 출력을 조정할 필요가 있다. 태양광 발전의 공급을 줄인다는 것은, 발전에 의해 얻을 수 있는 경제적인 이익이나 환경에 대한 부하를 경감한다는 이점을 손실하는 것을 의미한다[24][25]。

2017년의 에너지 정보청 보고에 따르면, 미국 캘리포니아 주의 오후 5시부터 오후 8시까지 (덕 커브의 "목" 부분에 해당한다) 의 1일 전 에너지 시장 가격은, 2016년에는 1메가와트시당 약 35USD였던 데 비해, 2017년에는 약 60USD로 상승했다. 한편, 태양광, 풍력, 수력에 기인하는 전력 공급이 과잉이었기 때문에, 오전 9시부터 오후 5시까지의 가격은 1메가와트시당 약 15USD까지 하락했다[26]。

3. 5. 네시 커브 (Nessie Curve)

일부 전력망에서는 일몰 이후 태양 에너지로 발전을 하지 못하면 최대 수요 피크를 찍는 경우가 발생한다. 태양 발전소가 일정 이상 설치된 망에서는 태양이나 풍력 발전을 사용할 수 없는 일몰 무렵에 전력 수요가 급증해 저녁 즈음 피크를 이루는, 마치 오리와 비슷한 모양의 그래프가 그려진다.[36][37] 미국 하와이의 경우에는 태양광 발전이 전력 공급의 상당수를 차지해 일일 전력 수요 그래프가 마치 "네시 곡선"같이 더욱 급격하고 뾰족한 모양으로 그려진다.[38][39]

에너지 저장장치가 없는 전력망의 경우 낮에는 강력한 태양 발전으로 수요를 커버하지만 일몰 무렵 태양 에너지 발전량이 없어지면 발전량을 다른 형태로 급격하게 전환해야 한다.[40] 덕 커브로 인한 급격한 수요불균형 문제는 에너지 저장장치로 해결할 수 있다. 예를 들어 플라이휠 에너지 저장장치(FES)의 경우 주파수 조절 기능이 매우 뛰어나다.[41] 짧게 사용할 수 있는 배터리도 규모를 매우 크게 만들어 사용한다면 덕 커브를 평평하게 만들고 급격한 수요 변동에도 대응할 수 있다는 장점이 있다.[42] 하지만 에너지 저장장치의 경우 설치 비용이 크기 때문에 에너지 저장의 주요 제한 요인으로는 비용이 문제가 된다.

4. 완화 방안

덕 커브 현상을 완화하기 위한 방안은 태양광 발전의 보급이 증가함에 따라 더욱 중요해지고 있다. 주요 완화 방안은 다음과 같다.


  • 태양광 발전 설비 방향 조절: 일부 태양광 집광 장치를 서쪽으로 향하게 설치하여 일몰 무렵의 발전량을 극대화한다.[12] 오스트레일리아 서호주에서는 태양광 패널을 서남서향으로 설치하도록 장려하는데, 이는 남향 설치에 비해 아침 발전량은 줄지만 오후 발전량을 늘려 전력 판매 가격이 높은 저녁 시간대 발전량을 증가시킨다.[31]

  • 분산 에너지 바이백 계획 (DEBS): 오스트레일리아 서호주에서는 2020년 11월 6일부터 "분산 에너지 바이백 계획" (DEBS)을 시행하여 가정, 학교, 비영리 단체의 전력 판매 가격을 시간대별로 차등화했다. 오후 3시부터 9시까지는 1kWh당 10센트, 그 외 시간대에는 3센트로 가격을 조정하여, 낮 시간대 태양광 발전으로 생산된 전력을 축전지나 전기 자동차에 저장했다가 저녁 시간대에 판매하도록 유도한다.[29][30]


이 외에도, 덕 커브 완화를 위해 더욱 많은 가변 발전을 설치하고, 에너지 수요 관리를 시행하며, 스마트 그리드 기술을 활용하고, 서쪽 지역에서 동쪽 지역으로 전력 전송을 하는 등의 노력이 필요하다. 하지만, 태양광 에너지 생산의 증가 속도에 맞춰 완화 용량을 배치하는 것은 여전히 주요 과제로 남아있다.[15]

4. 1. 에너지 저장 시스템 (ESS)

일부 에너지 시장에서 일일 최대 전력 수요는 일몰 후에 발생하며, 이때는 태양광 발전을 더 이상 사용할 수 없다. 상당한 양의 태양광 발전 설비가 설치된 지역에서는 태양광이나 풍력 외의 다른 발전원에서 생산해야 하는 전력량이 일몰 무렵 급격히 증가하여 저녁 시간에 정점에 도달하며, 이는 오리의 실루엣과 유사한 그래프를 생성한다.[5][6] 하와이에서는 태양광 발전을 상당 수준으로 도입하여 네시 커브(Nessie curve)로 알려진 더욱 뚜렷한 곡선을 보이게 되었다.[7][8]

어떠한 형태의 에너지 저장도 없다면, 높은 태양광 발전 시간 이후에, 전력 회사는 태양광 발전 손실을 보상하기 위해 일몰 무렵 다른 형태의 발전량을 급격히 증가시켜야 하며, 이는 광전지 성장이 빠른 지역의 그리드 운영자에게는 주요 관심사이다.[9] 양수 발전과 같은 저장 시설은 이를 구현할 수 있다면 이러한 문제를 해결할 수 있다.[10] 단기 사용 배터리는 충분한 규모로 사용하면 오리 커브를 평탄하게 하고 발전기 사용 변동을 방지하며 전압 프로파일을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[11]

에너지 저장[12] 방법은 다음과 같다.

  • 양수 발전
  • 배터리 저장 발전소는 AC 정격보다 DC 용량이 큰 태양광 발전소와 함께 설치하거나, 기존 송전 인프라를 활용하기 위해 오래된 화석 연료 발전소를 포함한 기타 적절한 부지에 설치할 수 있다(예: 모스 랜딩 발전소).[13]
  • 태양열 에너지와 열 에너지 저장
  • 얼음 저장 에어컨
  • 임시 저장을 위한 전기 자동차 배터리 사용 (차량-전력망)[14]
  • 파워 투 X, 잉여 전력 생산을 화학적 형태로 저장(예: 수소)
  • 태양광 생산의 피크 시간 동안 물에서 그린 수소 생산


배터리 저장을 늘리면 낮 동안의 태양 에너지 과잉 문제를 완화할 수 있다. 낮 동안 잉여 태양 에너지를 저장하여 저녁에 사용하면 저렴한 정오 시간대와 비싼 저녁 시간대 에너지 간의 가격 격차를 줄일 수 있다. 세계에 전력을 공급할 수 있는 충분한 총 태양광 기술이 존재하지만, 현재 태양 에너지를 나중에 사용하기 위한 저장 인프라가 부족하다.[9]

4. 2. 수요 관리 (Demand Response)

일부 에너지 시장에서는 하루 중 전력 수요가 가장 높은 시기가 해가 진 후인데, 이때는 태양광 발전을 더 이상 사용할 수 없다. 태양광 발전 설비가 많은 지역에서는 태양광이나 풍력 외 다른 발전원에서 생산해야 하는 전력량이 해 질 녘에 급격히 증가하고 저녁 시간에 최고점에 도달하는데, 이 모습이 오리의 실루엣과 비슷하여 "덕 커브"라고 불린다.[5][6] 하와이에서는 태양광 발전 도입이 늘면서 "네시 커브"라는 더 뚜렷한 곡선이 나타났다.[7][8]

에너지 저장 시설이 없다면, 태양광 발전량이 많은 시간 이후 전력 회사는 해 질 녘에 다른 발전량을 급격히 늘려 태양광 발전 손실을 보상해야 한다. 이는 광전지 성장이 빠른 지역의 전력망 운영자에게 큰 문제이다.[9] 댐 수력 발전 같은 저장 시설이 있다면 이 문제를 해결할 수 있다.[10] 단기 사용 배터리를 충분히 사용하면 덕 커브를 완만하게 하고 발전기 사용 변동을 줄이며 전압을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[11]

덕 커브에서 나타나는 해 질 녘 급증하는 수요에 대처하는 방법은 태양광 발전 보급이 증가함에 따라 더욱 중요해지고 있으며, 다음과 같은 방법들이 있다:[11]

  • 더 많은 가변 발전 설치
  • 해 질 녘 발전을 최대화하기 위해 일부 태양광 집광 장치를 서쪽으로 향하게 설치.[12]
  • 에너지 저장[12]
  • 양수 발전
  • 배터리 저장 발전소 (AC 정격보다 DC 용량이 큰 태양광 발전소와 함께 설치하거나, 기존 송전 인프라를 활용하기 위해 오래된 화석 연료 발전소를 포함한 기타 적절한 부지에 설치) (예: 모스 랜딩 발전소)[13]
  • 태양열 에너지와 열 에너지 저장
  • 얼음 저장 에어컨
  • 임시 저장을 위한 전기 자동차 배터리 사용 (차량-전력망)[14]
  • 파워 투 X (잉여 전력 생산을 수소 등 화학적 형태로 저장)
  • 태양광 생산이 많은 시간 동안 물에서 그린 수소 생산
  • 에너지 수요 관리
  • 시간대별 요금제 (TOU) 및 실시간 요금제
  • 스마트 그리드 기술
  • 해가 져서 지거나, 해가 낮게 뜬 서쪽에서 전력을 전력 전송하여 동쪽으로 전송


주요 과제는 태양광 에너지 생산 증가 속도에 맞춰 완화 용량을 늘리는 것이다. 덕 커브의 영향은 예상보다 빨리 나타났다.[15]

오스트레일리아 서호주에서는 2020년 11월 6일부터 "분산 에너지 바이백 계획"(DEBS)을 시작했다. 가정, 학교, 비영리 단체의 전력 판매 가격을 시간대에 따라 다르게 하는 것으로, 이전의 "재생 가능 에너지 바이백 계획"(REBS)에서는 1킬로와트시 당 7센트였던 것을 오후 3시부터 오후 9시까지는 10c, 그 외 시간대에는 3c로 변경했다. 아침이나 낮에는 태양광 발전으로 생산된 전력을 가정에 설치된 축전지나 전기 자동차의 축전지에 충전하고, 전력 수요가 높은 저녁이나 밤에 전력을 판매하도록 유도하는 것이 목표이다. 또한, 태양광 패널을 서쪽으로 설치하는 것도 장려하고 있다.[29][30] 태양광 패널을 서남서쪽으로 설치하면 남쪽으로 설치하는 것보다 아침 발전량은 줄지만, 오후 발전량은 늘어난다. 이로 인해 전체 발전량은 줄지만, 전력 판매 가격이 높은 저녁 무렵의 발전량이 증가한다.[31]

4. 3. 기타

일부 전력망에서는 일몰 이후 태양 에너지로 발전을 하지 못하면 최대 수요 피크를 찍는 경우가 발생한다. 태양 발전소가 일정 이상 설치된 망에서는 태양이나 풍력 발전을 사용할 수 없는 일몰 무렵에 전력 수요가 급증해 저녁 즈음 피크를 이루는, 마치 오리와 비슷한 모양의 그래프가 그려진다.[36][37] 미국 하와이의 경우에는 태양 발전이 전력 공급의 상당수를 차지해 일일 전력 수요 그래프가 마치 "네스호의 괴물 곡선"같이 더욱 급격하고 뾰족한 모양으로 그려진다.[38][39]

에너지 저장장치가 없는 전력망의 경우 낮에는 강력한 태양 발전으로 수요를 커버하지만 일몰 무렵 태양 에너지 발전량이 없어지면 발전량을 다른 형태로 급격하게 전환해야 한다.[40] 덕 커브로 인한 급격한 수요불균형 문제는 에너지 저장장치로 해결할 수 있다. 예를 들어 플라이휠 에너지 저장장치(FES)의 경우 주파수 조절 기능이 매우 뛰어나다.[41] 짧게 사용할 수 있는 배터리도 규모를 매우 크게 만들어 사용한다면 덕 커브를 평평하게 만들고 급격한 수요 변동에도 대응할 수 있다는 장점이 있다.[42] 하지만 에너지 저장장치의 경우 설치 비용이 크기 때문에 에너지 저장의 주요 제한 요인으로는 비용이 발목을 잡는다.

오스트레일리아 서호주에서는 2020년 11월 6일부터 "분산 에너지 바이백 계획" (DEBS)을 시작했다. 가정, 학교, 비영리 단체의 전력 판매 가격을 시간대에 따라 변동시키는 것으로, 이전의 "재생 가능 에너지 바이백 계획" (REBS)에서는 1킬로와트시 당 7센트였던 것을 오후 3시부터 오후 9시까지는 10센트, 그 외 시간대에는 3센트로 변경했다. 아침이나 낮에는 태양광 발전으로 생산된 전력을 가정에 설치된 축전지나 전기 자동차의 축전지에 충전하고, 전력 수요가 높은 저녁이나 밤에 전력을 판매하도록 유도하는 것을 목표로 한다. 또한, 태양광 패널을 서향으로 설치하는 것도 장려하고 있다.[29][30] 태양광 패널을 서남서향으로 설치하면 남향으로 설치하는 경우보다 아침의 발전량을 억제하는 대신, 오후의 발전량을 증가시킨다. 이로 인해, 모든 시간대의 발전량 합계는 감소하지만, 전력 판매 가격이 높은 저녁 무렵의 발전량이 증가한다.[31]

5. 대한민국의 덕 커브 대응

대한민국은 아직 덕 커브 현상이 뚜렷하게 나타나고 있지 않지만, 태양광 발전 설비 증가 추세를 고려할 때 이에 대한 대비가 필요하다.

5. 1. 대응 방안

덕 커브에 반영된 일몰 시 급증하는 수요에 대처하는 방법은 태양광 발전 보급이 증가함에 따라 더욱 심각해지며, 다음과 같은 방법이 있다.[11]

  • 더 많은 가변 발전 설치
  • 일몰 무렵의 발전을 극대화하기 위해 일부 태양광 집광 장치를 서쪽으로 향하게 한다.[12]
  • 에너지 저장[12]
  • * 양수 발전
  • * 배터리 저장 발전소는 AC 정격보다 DC 용량이 큰 태양광 발전소와 함께 설치하거나, 기존 송전 인프라를 활용하기 위해 오래된 화석 연료 발전소를 포함한 기타 적절한 부지에 설치할 수 있다(예: 모스 랜딩 발전소).[13]
  • * 태양열 에너지와 열 에너지 저장
  • * 얼음 저장 에어컨
  • * 임시 저장을 위한 전기 자동차 배터리 사용 (차량-전력망)[14]
  • * 파워 투 X, 잉여 전력 생산을 화학적 형태로 저장(예: 수소)
  • * 태양광 생산의 피크 시간 동안 물에서 그린 수소 생산
  • 에너지 수요 관리
  • * 시간대별 요금제 (TOU) 및 실시간 요금제
  • * 스마트 그리드 기술
  • * 해가 져서 지거나, 해가 낮게 뜬 서쪽에서 전력을 전력 전송하여 동쪽으로 전송


주요 과제는 태양광 에너지 생산의 증가 속도에 맞춰 완화 용량을 배치하는 것이다. 덕 커브의 영향은 예상보다 빠르게 나타났다.[15]

참조

[1] 웹사이트 California ISO - Renewables Reporting https://www.caiso.co[...]
[2] 간행물 Explainable Artificial Intelligent as a solution approach to the Duck Curve problem 2022
[3] 뉴스 Solar power's greatest challenge was discovered 10 years ago. It looks like a duck https://www.vox.com/[...] Vox 2018-03-20
[4] 웹사이트 California's Grid Geeks: Flattening the 'duck curve' https://www.greenbiz[...] 2021-05-09
[5] 웹사이트 Overgeneration from Solar Energy in California: A Field Guide to the Duck Chart https://www.nrel.gov[...] National Renewable Energy Laboratory 2015-11
[6] 웹사이트 IE Questions: Why Is California Trying To Behead The Duck? http://insideenergy.[...] Inside Energy 2016-10-29
[7] 웹사이트 Charting Hawaii's Spectacular Solar Growth http://theenergycoll[...] 2015-02-04
[8] 웹사이트 Hawaii's Solar-Grid Landscape and the 'Nessie Curve' https://www.greentec[...] 2017-01-10
[9] 웹사이트 What the Duck Curve Tells Us About Managing A Green Grid https://www.caiso.co[...] California ISO 2015-04-29
[10] 웹사이트 The Solar Power Duck Curve Explained https://elements.vis[...] 2022-12-28
[11] 웹사이트 Teaching the “Duck” to Fly http://www.ripuc.ri.[...] RAP 2015-04-26
[12] 웹사이트 Solar tariffs reshaped to favour batteries, EVs, and west-facing panels https://reneweconomy[...] 2020-08-30
[13] 웹사이트 It's time to start wasting solar energy https://qz.com/19503[...] 2020-12-31
[14] 웹사이트 Electric Ridesharing Benefits the Grid, and EVgo Has the Data to Prove It https://www.greentec[...] 2019-05-09
[15] 웹사이트 The California Duck Curve Is Real, and Bigger Than Expected https://www.greentec[...] 2017-01-10
[16] 웹사이트 2021 Summer Loads and Resources Assessment http://www.caiso.com[...] California ISO 2021-05-23
[17] 뉴스 EIA Data Reveals California's Real and Growing Duck Curve https://www.greentec[...] 2017-12-01
[18] 웹사이트 Final Flexible Capacity Needs Assessment for 2022 http://www.caiso.com[...] California ISO 2021-05-14
[19] 뉴스 A world turned upside down https://www.economis[...] The Economist 2017-12-01
[20] 웹사이트 Battery storage load shifting up to 6GWh a day on CAISO grid; operator eyes SoC-linked prices https://www.energy-s[...] 2022-04-13
[21] 웹사이트 California ISO - Renewables Reporting http://www.caiso.com[...] California Independent System Operator 2016-10-26
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[23] 웹사이트 Solar power’s greatest challenge was discovered 10 years ago. It looks like a duck https://www.vox.com/[...] Vox 2021-04-26
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[25] 문서 Overgeneration from Solar Energy in California: A Field Guide to the Duck Chart https://www.nrel.gov[...] National Renewable Energy Laboratory 2021-04-26
[26] 웹사이트 EIA Data Reveals California’s Real and Growing Duck Curve https://www.greentec[...] 2021-04-27
[27] 웹사이트 Hawaii's Solar-Grid Landscape and the 'Nessie Curve' https://www.greentec[...] Greentech Media 2021-04-29
[28] 웹사이트 Charting Hawaii's Spectacular Solar Growth http://theenergycoll[...] The Energy Collective Group 2021-04-29
[29] 웹사이트 Energy Buyback Schemes https://www.wa.gov.a[...] Government of Western Australia 2021-04-29
[30] 웹사이트 Solar tariffs reshaped to favour batteries, EVs, and west-facing panels https://reneweconomy[...] RenewEconomy 2021-04-29
[31] 웹사이트 Teaching the “Duck” to Fly http://www.ripuc.ri.[...] Regulatory Assistance Project 2021-04-26
[32] 웹인용 California ISO - Renewables Reporting http://www.caiso.com[...]
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[35] 웹인용 California's Grid Geeks: Flattening the 'duck curve' https://www.greenbiz[...] 2021-05-09
[36] 간행물 Overgeneration from Solar Energy in California: A Field Guide to the Duck Chart http://www.nrel.gov/[...] National Renewable Energy Laboratory 2015-11
[37] 웹인용 IE Questions: Why Is California Trying To Behead The Duck? http://insideenergy.[...] 2016-10-29
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[39] 웹인용 Hawaii's Solar-Grid Landscape and the 'Nessie Curve' https://www.greentec[...] 2017-01-10
[40] 웹인용 What the Duck Curve Tells Us About Managing A Green Grid https://www.caiso.co[...] California ISO 2015-04-29
[41] 저널 Grid Frequency Regulation by Recycling Electrical Energy in Flywheels 2004-06-10
[42] 웹인용 Teaching the "Duck" to Fly http://www.ripuc.ri.[...] RAP 2015-04-29


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