[미국] 미국 듀크대 연구팀, “옥상 태양광, 물 절약에도 도움”

벤고쉬·와인탈 교수, 전기 생산시 소요 에너지원에 대한 물 소비량 조사·연구 

화석연료로 전기생산시 엄청난 물 사용…옥상 태양광 설치시 가구당 연간 약 61㎥ 절약

미국 듀크대학(Duke University)의 애브너 벤고쉬(Avner Vengosh)와 에리카 와인탈(Erika Weinthal) 교수는 한 가구가 옥상 태양광을 설치함으로써 연간 평균 1만6천200갤런(약 61.2㎥)의 물을 절약할 수 있다는 것을 발견했다. 벤고쉬(왼쪽)와 와인탈(오른쪽) 교수가 하와이 미 진주만 해군기지 옥상 태양광 설비에서 조사를 하는 모습. [사진출처(photo source) = 듀크대학(Duke University]

 

“전기를 생산하는 옥상 태양전지(solar cells)는 지구 온난화 탄소 배출량을 절약할 뿐만 아니라 상당한 양의 물을 절약한다”고 이 계산을 해 본 듀크대학(Duke University)의 2명의 연구원이 말했다.

그들은 한 가구가 옥상 태양광을 설치함으로써 연간 평균 1만6천200갤런(약 61.2㎥)의 물을 절약할 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 캘리포니아와 같은 일부 주에서는 이 절약량이 5만3천 갤런(약 201㎥)까지 증가할 수 있는데, 이것은 미국의 평균 가정 용수 사용량의 60%에 해당한다.

가정집 수도요금에서 절약되는 양은 표시되지 않지만, 그것들은 여전히 중요하다. 에너지 사용은 물 소비와 밀접하게 연관되어 있기 때문이다. 

미국의 전기 에너지 생산은 농업 부문과 거의 같은 양의 물을 소비한다. 그러나 이 수치에는 처음부터 화석연료를 생산하기 위해 사용된 추가 물과 석탄재 폐기물을 관리하는 데 사용되는 물은 포함되지 않는다.

듀크대학(Duke University) 환경품질학과 교수이자 9월 19일 학술지 『전체 환경의 과학(Science of the Total Environment)』에 게재된 논문의 공동저자인 애브너 벤고쉬(Avner Vengosh)는 “전력망(grid)을 위한 전기를 생산하기 위해서는 석탄을 채굴하고 태워야 하며, 천연가스를 파쇄 및 펌핑하고, 원자력 발전소를 냉각시켜야 한다. 이 모든 것은 지속적으로 손실되는 많은 양의 물을 포함한다”고 강조했다.

애브너 벤고쉬 교수는 이어 “하지만, 태양전지의 경우 제조를 위해 훨씬 더 적은 양의 물을 한 번 소비하는 것”라면서 “그리고 나서, 일단 그것이 설치되면, 향후 25년 동안 예상되는 용도의 물 사용은 더 이상 발생하지 않는다”라고 덧붙였다.

현재 전 세계 태양광 패널의 70% 이상이 중국에서 만들어지고 있어 태양광 발전을 위한 물 소비는 해외에서 이뤄진다.

니콜라스 학교(Nicholas School)의 환경정책 교수인 에리카 와인탈(Erika Weinthal) 공동 저자는 “태양광 패널 생산으로 인한 광범위한 물의 영향을 이해하기 위해서는 전 세계의 공급망 전체를 살펴보는 것이 중요하다”고 강조했다.

애브너 벤고쉬(Avner Vengosh) 교수는 “오염의 관점에서 볼 때, 태양전지는 환경에 큰 피해를 줄 가능성이 있다”라면서 “그것은 중금속을 함유하고 있는데, 그 중 일부는 매우 독성이 강하기 때문에, 그것들은 제조 시 즉각적인 환경에 영향을 미칠 수 있다”라고 역설했다.

하지만, 그 이후에는 태양열의 물 소비량은 ‘제로(0)’이다. 이전의 연구들은 일반적으로 기가줄기가줄(gigajoule)당 리터(L)나 갤런(gallon)과 같은 주어진 에너지에 대한 물의 양으로 표현되는 에너지 생산의 다른 단계에 대한 물 사용량을 평가하려고 시도해왔다

그러나 새로운 연구에서 저자들은 인접한 미국 전역의 주택 부문에서 전기를 생산하는 데 사용되는 에너지원을 결합했고, 그것을 각 주의 물 소비량으로 변환했다.

새로운 연구는 주거 분야에 대한 주 전체의 물 사용을 평가한 후, 새로운 연구는 48개 주에서 개별 주택의 가상 물 사용을 계산했다. 이러한 계산은 미국 전역의 주택 부문에 전력을 공급하기 위해 소비되는 물의 총량을 2조 6천억 갤런으로 추정한다.

가정에서 태양열로 변환하는 것은 그리드 전기의 사용이 줄어들고, 따라서 물의 양도 감소시킨다. 미국 남서부와 같은 일부 주에서는 옥상 태양광을 설치할 때 개별 가정의 물 절약량이 최대 1천%에 달할 수 있다.

이러한 물 사용 계산은 다양한 화석연료원의 물 소비에 대한 상세한 기준선을 제공하는 에너지와 수질의 교차점(intersection of energy and water quality)에 관한 벤고시(Vengosh)와 와인탈(Weinthal)가 올해 초 출판된 연구눈문의 후속 조치이다.

‘코로나 19’ 팬데믹 셧다운(pandemic shutdown) 동안 저자들은 그들이 공유하는 집에 태양 전지판을 추가하기로 결정했다. 처음에는 탄소 배출을 줄이는 것이 주된 동기였지만, 얼마 후 그들은 그것이 또한 물을 절약할 수 있다는 것을 깨달았다.

와인탈(Weinthal) 교수는 “그래서 이 논문은 실제로 우리 자신의 개인 생활을 탈탄소화하고자 하는 산물이다”라면서“나는 지구 환경 정치를 가르치고, 파리협약에 대해 가르치며 항상 학생들이 주간 수준에서 일어나는 일을 우리 자신의 기관 형태로 할 수 있는 일과 연결시키려고 항상 노력한다”라고 말했다.

오늘날, 태양광 발전 태양전지는 미국 전기 공급의 약 1.5%를 차지하고 있다. 이는 연간 990억 갤런(3억7천476만㎥)의 물을 절약하는 것으로, 캘리포니아의 전체 물 사용량 중 약 4일에 해당한다고 저자들은 추정한다. 하지만 태양광 비율이 증가함에 따라, 절약양도 증가할 것이다.

그들의 논문은 또한 각 주마다 전기 생성을 위해 다른 에너지원을 사용하고 다른 사용 패턴과 가정 수를 가지고 있기 때문에 주별로 에너지에 대한 물 소비량을 비교했다.

벤고시(Vengosh) 교수는 “예를 들어 뉴잉글랜드 주는 에어컨에 전기를 많이 사용하지 않고 전기가 아닌 기름으로 집을 난방하는 경향이 있기 때문에 태양열로 전환하는 데 큰 성공을 거두었다”라면서 “물이 부족하고 맑은 날이 많은 애리조나와 캘리포니아도 큰 승자가 될 수 있다”라고 말했다.

와인탈(Weinthal)과 벤고시(Vengosh)는 논문에서 물 사용은 퍼즐의 일부일 뿐이라는 것을 보여주었다. 석탄 채굴 및 파쇄, 석탄재 처리로 인한 수자원의 오염은 물의 가용성을 더욱 감소시키므로 화석연료 추출로 인한 물 발자국은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 크다.

9월 19일 학술지 『전체 환경의 과학(Science of the Total Environment)』에 게재된 논문의 공동저자인 애브너 벤고쉬(Avner Vengosh)는 “전력망(grid)을 위한 전기를 생산하기 위해서는 석탄을 채굴하고 태워야 하며, 천연가스를 파쇄 및 펌핑하고, 원자력 발전소를 냉각시켜야 한다. 이 모든 것은 지속적으로 손실되는 많은 양의 물을 포함한다”고 강조했다. [사진출처(photo source) =   『전체 환경의 과학(Science of the Total Environment)]

 

벤고시(Vengosh) 교수는 “우리는 또한 기름 유출이나 수자원에 대한 석탄재의 만성 폐기 같은 사건으로 인해 얼마나 많은 물이 오염되고 있는지와 같은 수질 영향을 정량화하려고 노력했다”라면서 “그래서 기름 유출의 양을 안다면, 오염되고 유실된 물의 양으로 환산할 수 있다”라고 강조했다.

와인탈(Weinthal) 교수는 “중요한 것은 모든 기술의 총 비용을 평가하는 것”이라면서 “우리는 재생 에너지, 태양열, 풍력발전 쪽으로 이동해야 하지만, 그렇게 함으로써 우리는 어떤 형태의 에너지 기반 시설이라도 그것이 재생 에너지라고 할지라도 물과 관련하여 약간의 비용이 발생할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 어떤 형태의 에너지 생산이든 물 발자국(water footprint)을 생각해야 한다”라고 역설했다.

연구진은 이미 차세대 배터리의 핵심 금속인 리튬(lithium) 채굴의 물 사용과 환경 영향에 관심을 돌렸다.

※인용 : ‘미국 가정용 태양광 설비의 물 소비 감소(The Water Consumption Reductions From Home Solar Installation in the United States)’, 애브너 벤고쉬(Avner Vengosh), 에리카 와인탈(Erika Weinthal). 『전체 환경의 과학(Science of the Total Environment)』, 2022년 9월 17일 DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.158738

 

[원문보기]

Rooftop solar cells can be a boon for water conservation too

Fossil-fueled electrical grid’s enormous water use is often overlooked

 

DURHAM, N.C. - Electricity-generating rooftop solar cells not only save on planet-warming carbon emissions, they also save a significant amount of water, say a pair of Duke University researchers who have done the math.

A given household may save an average 16,200 gallons of water per year by installing rooftop solar, they found. In some states, like California, this saving can increase to 53,000 gallons, which is equivalent to 60 percent of the average household water use in the U.S.

You won’t see the savings on your home water bill, but they’re still important.

That’s because energy use is tightly bound to water consumption. Electrical energy production in the U.S. consumes nearly as much water as the agricultural sector. But that figure doesn’t include the additional water used produce fossil fuels in the first place, nor to manage coal ash waste.

“To generate electricity for the grid we need to mine and burn coal, frack and pump natural gas, and cool nuclear plants, all involving high volumes of water that is continuously lost,” said Avner Vengosh, a Duke University distinguished professor of environmental quality in the Nicholas School of the Environment and co-author of a new paper that appears Sept. 19 in Science of the Total Environment.

“However, with the solar cell, it's a one-time consumption of much a lower volume of water for manufacturing,” Vengosh said. “And then, once it's installed, there's no longer any water use coming from that for the next 25 years of expected use.”

Currently, more than 70 percent of the world’s solar panels are being made in China, so the water consumption to generate solar energy occurs overseas.

Co-author Erika Weinthal, a professor of environmental policy in the Nicholas School, said  that to understand the broader water impacts from solar panel production, it is vital to look at the entire supply chain across the world.

“From a contamination point of view, solar cells have huge potential for environmental damage,” Vengosh said. “It contains heavy metals, some of which are very toxic, and therefore they could have impact on the immediate environment where the manufacturing occurs.”

But after that, the water consumption of solar is zero.

Previous studies have attempted to evaluate the amount of water use for different stages of energy production, typically expressed as the volume of water to given energy such as liter or gallon per gigajoule. 

In the new study, the authors combined energy sources that are used to generate electricity for the residential sector across the contiguous U.S. and translated that to the volume of water consumption in each state. 

After evaluating the statewide water use for the residential sector, the new study calculated the virtual water use of individual homes in 48 states. These calculations estimate that the total amount of water consumed for powering the residential sector across the U.S. is 2.6 trillion gallons.

Converting to solar in homes reduces the use of the grid electricity and therefore also the volume of water. In some states, like in the southwestern U.S., the individual household water saving can reach up to 1000 percent upon installing rooftop solar.

These water use calculations are a follow-up to a recent book Vengosh and Weinthal published earlier this year on intersection of energy and water quality that provides a detailed baseline for the water consumption of various fossil fuel sources.

During the pandemic shutdown, the authors had decided to add solar panels to the home they share. While in the beginning the major motivation was to save carbon emission, after a while they realized it can save also water.

“So this article is really a product of wanting to decarbonize our own personal life,” Weinthal said. “I teach global environmental politics, and I teach about the Paris agreement, and I always try to get the students to connect what's happening at the interstate level to what we can do with our own forms of agency.”

Today, photovoltaic solar cells account for about 1.5 percent of the nation’s electrical supply. That represents a saving of 99 billion gallons of water a year, the authors estimate, which is equivalent to about four days of California’s total water usage. But as the solar percentage grows, so too will the savings.

Their paper also compares water consumption for energy by state, since each state uses different energy sources for electricity generation and has different use patterns and number of homes.

The New England states, for example, show huge wins for converting to solar because they don’t use much electricity for air conditioning and they tend to heat their homes with oil, not electricity, Vengosh said. Arizona and California, states which have water shortages and a lot of sunny days, would also be big winners.

In their book, Weinthal and Vengosh showed that water use is only part of the puzzle. Contamination of water resources because of coal mining, fracking, and coal ash disposal further reduce the water availability, and therefore, the water footprint from fossil fuels extraction is far larger than we think.

“We also tried to quantify water quality effects, like how much water is being contaminated from an event such as oil spill or chronic disposal of coal ash to the water resources,” Vengosh said. “So if you know the volume of the oil spill, you can translate it to the volume of water that being contaminated and lost.”

What’s important is to assess the total cost of any technology, Weinthal said. “We need to be moving toward renewables, solar and wind, but in doing so, we have to recognize that for any form of energy infrastructure, even if it is renewables, there may be some costs when it comes to water. One has to think about the water footprint for any form of energy production,” she said.

The researchers have already turned their attention to the water use and environmental effects of lithium mining, a metal that is key to next-generation batteries.

CITATION : “The Water Consumption Reductions From Home Solar Installation in the United States,” Avner Vengosh, Erika Weinthal. Science of the Total Environment, Sept. 17, 2022. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.158738

Online - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969722058375?dgcid=author

[출처 = 듀크대학(Duke University)(https://today.duke.edu/2022/09/rooftop-solar-cells-can-be-boon-water-conservation-too) / 2022년 9월 21일]