미국 사우스웨스트 연구소(Southwest Research Institute, SwRI)는 태양광 및 풍력과 같 재생 가능한 에너지를 에너지 믹스(다양한 에너지원을 활용해 에너지 공급의 효율성을 극대화하는 것, Energy Mix)에 통합하는 것을 방해하는 에너지 저장 문제를 해결하기 위해 설계된 새로운 모듈식 강철 부벽댐 시스템(Modular Steel Buttress Dam System)을 개발했다. m-Presa™ 모듈식 강철 부벽댐 시스템은 폐쇄형 양수식 수력발전(Pumped Storage Hydropower, PSH)을 이용한 전력망(Grid) 규모의 에너지 저장 및 발전을 위한 쌍형 저수지 시스템의 신속한 건설을 용이하게 해 댐 건설 비용을 3분의 1로 절감시키고 공사 기간을 절반으로 줄일 수 있다.

전력 시스템은 부하 분산(Load Balancing)을 위해 양수식 수력발전를 사용한다. 양수식 수력발전은 펌프를 구동하기 위해 저비용의 잉여 전력을 사용해 저고도에서 고고도 저수지로 펌핑된 물의 중력 퍼텐셜 에너지(Gravitational Potential Energy)를 사용한다. 전력 수요가 높은 기간에는 저장된 물이 하부 저수지로 반환돼 터빈을 구동해 전력을 생산한다. 이 시스템은 전력 가격이 가장 높은 피크 수요 기간에 더 많은 전력을 공급함으로써 가치를 창출하며, 이는 탄소 발생이 없는 태양광 및 풍력과 같은 재생 에너지의 변동폭이 큰 전력 생산 문제를 완화한다.

고든 비트마이어(Gordon Wittmeyer) 미국 사우스웨스트 연구소의 화학 및 화학공학부 수문학자는 "양수식 수력발전은 미국 전체 에너지 저장량의 95%를 차지하며, 현대식 양수식 수력발전소의 경우 왕복 효율은 80%에 가깝다. 하지만 양수식 수력발전을 신속하게 배치하는 데는 건설 비용, 건설 시간 및 잠재적인 환경 영향 등의 문제가 있어 지난 20년 동안 미국에서 건설된 40MW급 중형 양수식 수력발전소는 1기에 불과하다"라고 말했다. 그는 이어 "SwRI가 개발한 m-Presa 시스템은 이 세 가지 문제를 모두 해결한다"라고 덧붙였다.

양수식 수력발전에 대한 신규 투자를 계속 방해하는 비용 요인에는 설치 용량 kW당 5천 달러에 달하는 대규모 자본 비용과 명확한 에너지 저장 가격 책정의 부재 등이 있다. m-Presa™ 설계는 건설 비용을 설치 용량 kW당 1천500달러까지 절감할 수 있어 양수식 수력발전은 다른 장기 에너지 저장 모드에 비해 경쟁력을 갖게 된다.

저수지 건설에 소요되는 시간 역시 중요한 비용 요소이다. 기존의 양수식 수력발전소를 배치, 설계, 건설 및 시운전하는 데 종종 10년이 소요된다. 프로젝트 시작과 수익 창출 사이의 시간을 단축하면 지속 가능하지 않은 가스 피크 발전소 또는 수명이 짧은 배터리 에너지 저장 시스템과 같이 태양열 발전의 큰 일일 변동폭을 관리하는 데 사용되는 다른 솔루션보다 더 매력적인 대안이 될 수 있다.

위트마이어(Wittmeyer)는 “우리는 조립식 구조용 강철 모듈로 건설된 부벽댐에 의해 주입된 상부 및 하부 저수지에 물을 저장함으로써 폐쇄형 양수식 수력발전 장치를 제안한다”라며 "이러한 구조용 강철 모듈은 표준 크기의 평상형 트레일러로 운반할 수 있어 광범위한 표면적과 물의 양을 담을 수 있는 10~40피트 높이의 부벽 댐을 신속하게 모듈식으로 구축할 수 있다"라고 말했다.

저수지 건설의 잠재적인 환경 영향은 자연 수로를 매립할 때 양수식 수력발전을 채택하는 데 대한 또 다른 중요한 걸림돌로 작용한다. 자연 하천이나 하천과는 별도로 완전한 밀폐 댐을 건설하여 상부 및 하부 저수지를 생성하는 경우 폐쇄형 양수식 수력발전과 관련된 잠재적인 환경 영향을 줄이거나 피할 수 있다.

비트마이어 박사는 "m-Presa 시스템은 강력하고 수명이 긴 강철 부벽댐을 사용해 수요가 최고조에 달하는 기간 동안 전력을 공급하기 위해 수백~수천MWh의 에너지를 저장할 수 있는 저수지를 만들고 전력망 안정성을 위해 부수적인 서비스를 제공한다"라며 "m-Presa 시스템을 사용하는 폐쇄형 양수식 수력발전 장치는 물을 매립하기 위해 흙 제방이나 콘크리트 댐을 사용하는 전통적인 폐쇄형 양수식 수력발전 장치에 필요한 절반 이하의 시간 안에 건설될 수 있다"라고 말했다.

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SwRI’S MODULAR DAM DESIGN COULD ACCELERATE THE ADOPTION OF RENEWABLE ENERGY

Southwest Research Institute has developed a new modular steel buttress dam system designed to resolve energy storage issues hindering the integration of renewable resources into the energy mix. The m-Presa™ modular steel buttress dam system facilitates the rapid construction of paired reservoir systems for grid-scale energy storage and generation using closed-loop pumped storage hydropower (PSH), cutting dam construction costs by one-third and reducing construction schedules by half. The m-Presa system will be featured at booth 313 at the Clean Currents Conference in Cincinnati from October 10-13.

Electric power systems use PSH for load balancing. The method uses the gravitational potential energy of water, pumped from a lower-elevation to a higher-elevation reservoir using low-cost, off-peak surplus electric power to run the pumps. During periods of high electrical demand, the stored water is returned to the lower reservoir, driving turbines to produce electric power. Although the losses from the pumping process mean it consumes more energy than it generates, the system creates value by providing more electricity during periods of peak demand, when electricity prices are highest, which mitigates the challenges associated with huge daily swings in intermittent, variable and carbon-free renewable energy, such as solar and wind power.

“Pumped storage hydropower accounts for approximately 95 percent of all energy storage in the U.S., and modern PSH plants have a round-trip efficiency approaching 80-percent,” said Dr. Gordon Wittmeyer, a hydrologist in SwRI’s Chemistry and Chemical Engineering Division. “However, only one moderate-sized 40 MW PSH plant has been constructed in the past two decades in the U.S. Three factors stand in the way of rapidly deploying PSH: cost to construct, time to construct and potential environmental impacts. The SwRI-developed m-Presa system addresses all three of these issues.”

Cost factors that continue to deter new investment in PSH include large capital costs — as much as $5,000 per kW installed capacity — and the lack of clear energy storage pricing signals. The m-Presa™ design could reduce construction costs to $1,500 per kW-installed capacity, making PSH competitive with other long-term energy storage modes.

Time to construct reservoirs is a significant cost component as well. It often takes 10 years to site, design, construct and commission a conventional PSH plant at a time when private investors are realizing paybacks of 10 years or less from subsidized solar and wind farms. Reducing the time between project initiation and revenue generation could make PSH more attractive than other solutions used to manage huge daily swings in solar generation, such as non-sustainable gas peaking plants or shorter-lived battery energy storage systems.

“We propose closed-loop pumped storage hydropower units by storing water in upper and lower reservoirs, impounded by buttress dams constructed from prefabricated structural steel modules,” Wittmeyer said. “These structural steel modules can be transported on standard-sized flatbed trailers to allow rapid modular construction of 10- to 40-foot-high buttress dams that can enclose a wide range of surface areas and water volumes.”

Potential environmental impacts of reservoir construction are another significant impediment to adoption of PSH when impounding a natural waterway. Potential environmental impacts associated with closed-loop PSH can be reduced or avoided if the upper and lower reservoirs are created by constructing fully enclosed dams separate from natural streams or rivers.

“The m-Presa system uses strong, long-lived steel buttress dams to create water impoundments that can store hundreds to thousands of MWhs of energy to supply power during periods of peak demand and provide ancillary services for grid stability,” Wittmeyer said. “A PSH unit using the m-Presa system can be constructed in less than half the time needed for traditional PSH units that use earthen embankment or concrete dams to impound water.”

For more information, visit Energy Storage Systems or contact Deb Schmid, +1 210 522 2254, Communications Department, Southwest Research Institute, 6220 Culebra Road, San Antonio, TX 78238-5166.

[출처 = SwRI(https://www.swri.org/press-release/swri-s-modular-dam-design-could-accelerate-the-adoption-of-renewable-energy) / 2023년 10월 10일]

[번역 = 배민지 차장]