섹터 커플링, 에너지의 '아나바다' 시대를 열다

섹터 커플링, 에너지의 ‘아나바다’ 시대를 열다

 대학생신재생에너지기자단 14기 변홍균, 16기 이서준, 17기 이명현

 

섹터 커플링의 개념 및 필요성

   일반적으로 한 국가에서 에너지 전환이 실행되는 과정은 4단계로 구분된다. 독일 공학한림원(Acatech), 레오폴디나(Leopoldina) 한림원, 과학 및 인문학 연합(UGASH)의 공동 보고서에 따르면 그 첫 단계는 재생에너지 기술 개발을 통한 비용 절감 및 보급 확산이고, 두 번째는 최종 수요처의 전력화(Electrification)를 통한 공급 및 수요 부문 간 결합(Sector Coupling)이며, 세 번째는 전력화가 어려운 소비 부문의 에너지 전환과 과잉 생산된 재생에너지의 저장을 위한 수소 경제의 실현이고, 네 번째는 화력발전의 완전한 중단이다. 여기서 두 번째 단계인 ‘섹터 커플링’은 전력 수급 불안정성 해소를 위한 유연성 자원(Flexibility) 확보 및 시장 제도 개편을 포함한다.

   정부가 2017년 12월 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표한 이후 우리나라의 에너지 전환 정책은 주로 재생에너지 설비 보급을 강조해 왔지만, 에너지 전환의 최종 단계인 ‘탈석탄’을 활발하게 언급하면서도 그 이전 단계인 섹터 커플링에 대한 논의는 상대적으로 부실했다. 따라서 섹터 커플링의 영향과 기대 효과를 통해 재생에너지 중심의 전력계통에 대한 보다 구조적이고 체계적인 대응 방향을 모색해 보기로 했다.

 

섹터커플링 도입 방안

[자료 1. 재생에너지 중심의 전력수급 균형유지 방안]

출처: 남아공 과학산업연구협의회(CSIR)

 

   ‘에너지 전환(Energy Transformation)’은 에너지원의 전환뿐만 아니라 에너지를 둘러싼 사회적, 경제적 구조의 변화를 내포한다. 이를 현실적으로 관찰할 수 있는 개념이 스마트그리드, 그리고 더욱 확장된 ‘섹터 커플링’이다. 공급자와 소비자들 간 상호 의존성이 높아지는 섹터 커플링의 성공을 위해 공급, 소비 부문에 어떤 변화가 필요한지를 ‘아나바다’로 정리했다.

 

아껴쓰고

   재생에너지 기반의 에너지 소비 전력화(Electrification)는 섹터 커플링을 구현하기 위한 기초적인 조건이다. 국제재생에너지기구(IRENA)는 ‘Global Energy Transformation’에서 2018년 20% 수준인 전 세계 최종에너지 소비 대비 전력의 비중이 2050년 49%까지 증가할 수 있을 것으로 내다봤다. 이처럼 건물, 산업, 수송 등 개별 소비 부문에서 전력 사용 비중을 높이게 되면 전력에 대한 총수요가 폭등하여 재생에너지 설비 비용이 증가하며, 이를 완화하기 위해서는 총 에너지 소비 절감을 통해 전력 수요의 증가 폭을 최소화해야 한다(독일 경제 에너지부, 2016).

 

[자료 2. 섹터 커플링 과정에서의 에너지 소비구조 변화]

출처: 독일 경제 에너지부(BMWi)

 

   블룸버그 뉴에너지 파이낸스(BNEF)에 따르면 저소득층을 제외한 에너지 보조금 삭감은 가격 신호를 강화하는 한편 정부가 에너지 소비량 감축 목표를 설정하고 이행하도록 하여 총 에너지 소비 절감에 기여할 수 있다. 또한 건물 부문에서 세입자가 아닌 건물주에게 에너지 효율화 투자에 대한 인센티브가 제공되도록 제도 개선이 필요하다. 에너지 공급자가 매출액 일부에 해당하는 에너지를 절약하도록 의무화하는 방법도 있다. EU는 2012년 에너지 효율 지침(Energy Efficiency Directive)을 공표하여 2030년까지 약 32.5%의 에너지 절약을 목표로 에너지 소비를 관리하고 있다.

 

나눠 쓰고

   산업, 수송, 건물 부문의 전력 사용 비중이 늘어나면 피크타임 전력수요가 증가하고, 전력 수급의 불안정성이 심화된다. BNEF는 유럽의 섹터 커플링 과정에서 전력화(건물 부문은 50% 이내)가 이루어질 경우 2018년 대비 2050년의 피크타임 전력수요가 40~47% 증가할 것으로 예상했다. 그러나 정책 옵션에 따라서 각 부문의 전력화는 유연성 자원(Flexibility Resources)의 확보로 이어져 전력 수급 안정화에 기여할 수도 있다. 즉, 전력 공급이 부족할 때 전력 수요가 조정되거나, 미리 저장해 둔 여유 전력을 활용할 수 있게 된다는 것이다.

 

[자료 3. 전력 거래를 통한 피크수요 조정 과정]

출처: 블룸버그 뉴에너지 파이낸스(BNEF)

 

   BNEF에 따르면 집중 부하(Centralized Load)인 산업체 전력수요의 경우 차단 가능 부하(Interruptible Load)에 대한 사전 계약을 통해 피크타임에서 전력 소비량을 줄일 수 있다. 또한 분산 부하(Distributed Load)인 건물, 수송 전력수요의 경우 소비자가 가격 신호에 적절하게 반응하여 최적 시간(전력 가격이 낮은 시간)에 전력을 소비, 저장하게 하면 피크타임 전력 수요를 분산시킬 수 있다. 소매업자들의 전기 부하를 모집(Aggregation)할 수 있는 가상 발전소(Virtual Power Plant)의 운용은 이와 같은 수요 조절을 최적화할 수 있다.

 

바꿔쓰고

   섹터 커플링의 가장 큰 특징은 ‘Power to X’로 에너지의 형태를 변화 시켜 이용하는 것이다. 이는 공급 측면에서 기상 조건에 따라 과잉 생산되는 재생에너지 전력을 차단하지 않고 미래를 위해 저장할 수 있게 하여 경제적이고, 소비 측면에서 산업 공정 열 및 장거리 운송수단 등 전력화가 어려운 소비 부문에 재생에너지 전력 도입을 가능하게 한다. 신재생에너지로 생산한 전력을 특정 물질로 변환하고, 이를 이용해 필요할 때 발전을 하거나 연료로 활용한다. 여기서 감초의 역할을 하는 것이 바로 ‘수소’이다. Power-to-Hydrogen은 재생에너지로 생산된 전력으로 물을 분해하여 수소를 얻는 과정이다. 이렇게 생산된 수소는 에너지 저장의 역할을 하여 재생에너지 전력이 부족할 때 발전에 소비되거나 여러 PtX에 활용된다.

   PtG(Power-to-Gas)는 이렇게 생산된 수소와 이산화탄소를 생체 촉매를 바탕으로 반응하게 하여 메테인을 합성하는 것이다. 메테인은 우리가 알고 있는 천연가스이다. IRENA는 이를 계절별 에너지 저장을 위한 저렴한 방법이며 기존 교통 체계에 대량 이용될 수 있을 것이라 언급했다. PtL(Power-to-liquid)는 수소와 이산화탄소를 반응 시켜 합성 원유, 가솔린, 디젤, 제트 연료를 합성하는 것이다. 이는 최종 소비 방식의 전환이 필요 없다는 장점이 있다.

   PtCh(Power-to-Chemicals)은 수소로 메탄올, 암모니아 등을 생산하여 산업에 활용하는 방식이다. 현재 EU에서 화학 공정에 활용되는 수소의 84%는 암모니아 생산에 쓰인다. 대개 메탄에서 분리된 수소가 대기 중의 질소와 반응하여 암모니아가 생성되는데, 이처럼 재생에너지로부터 생산한 수소로 대체가 되면 보다 친환경적인 화학 공정이 이루어질 것으로 기대된다(European Parliament, 2018).

 

[자료 4. 수소의 상업적 이용 용도 개략도]

출처: 국제재생에너지기구(IRENA)

 

   PtH(Power-to-Heat)는 재생에너지로 발전한 전력을 열에너지로 전환하는 기술이다. 열저장 기술은 대수층이나 지하에 에너지를 저장하고 수개월까지 보존하여 계절별 열 수요 변동에 대응할 수 있다(IRENA).

   이와 관련된 프로젝트로는 덴마크의 HyBalance가 있다. 풍력 발전으로 생산한 수소를 Hobro 시의 교통과 산업에 활용하는 것이다. 오스트리아의 H2Future는 수소를 철 제조 과정에 활용한다. 독일의 Lemgo는 2012년 5MW 급 PtH(Electric Boiler) 시스템을 도입하여 해당 연도 열 공급량의 5%에 해당하는 7.5 GWh를 이를 통해 공급했다. 스코틀랜드의 Heat Smart Orkney는 풍력 터빈을 소유한 지역 가정에 고효율의 열전환기를 제공하고, 컴퓨터로 열 전환 장치의 작동을 통제하여 풍력 터빈의 전력을 효율적으로 열로 변환하는 프로젝트이다(IRENA).

   이처럼 다양한 P2X 기술을 섹터 커플링에 활용하는 것은 순수한 전력화(Electrification)보다 효율적이다. 전력의 잉여 공급을 PtX로 저장하고 공급이 부족할 때 저장된 에너지를 활용하면 더욱 경제적이다. 하지만 P2X 기술의 문제점은 생산 비용에 있다. EU의 운송 분야는 2050년이 되어야 세금을 포함한 비싼 전기로 생산된 수소가 가솔린과 경쟁할 수 있을 것으로 예측되며, 이러한 비용 문제는 기술의 발전과 제도적 지원으로 해결되어야 하는 과제이다(European Parliament, 2018).

 

다시쓰고 

   점진적으로 화력발전의 비중은 감소하고 재생에너지 비중이 증가하는 추세지만 저렴한 가격과 계통 연계 문제 등을 이유로 화력발전은 여전히 전체 공급량 중 상당 부분을 차지하고 있다. 화력 발전의 기본 원리는 원료 가열 방식이므로 탈탄소 전환이 어려우며 열 등의 에너지 낭비가 발생한다. 이러한 관점에서 더욱 높은 효율성을 위해 제안된 내용이 열병합 발전소(CHP, Combined Heat and Power)이다. 이는 1번 태우고 사이클이 종료되는 일반 발전소와 달리, 1차 발전 이후 남은 열, 증기 등을 2차 발전과 지역난방에 활용한다. 발전 부문에서 발생하는 폐열을 산업, 건물 등 다른 부문에 사용한다는 점에서 열병합발전소는 넓은 의미의 섹터 커플링에 속한다.

 

[자료 5. Fuels and biomass shared for CHP in EU28(Status 2014)]

출처 : IEA Bioenergy, 2019

 

   2014년 유럽의 경우 열병합발전 총생산량 179.3 MTOE(Mega Ton of Oil Equivalent))에서 바이오매스가 27.3 MTOE로 17.95%를 차지하고 있다. 화석연료에 의존하던 열병합 발전에서 재생에너지원인 바이오매스가 상당한 비중을 차지하는 것은 화석연료의 비중을 줄이고 재생에너지 공급을 늘리는 에너지 전환의 과도기적인 측면을 보여준다.

   한국지역난방공사의 지역난방 및 집단에너지 사업을 통해 ‘다시쓰기’를 실천 중이며, 열병합 발전뿐만 아니라 쓰레기 소각장, 산업 냉난방 시스템에서 발생하는 폐열을 이용해 발전 혹은 가정에 에너지를 공급하는 것을 국내 섹터 커플링의 사례로 볼 수 있다. 전반적으로 전기, 열에서의 섹터 커플링은 시스템의 유동성을 높이기 위한 설비 투자 증가로 전력 시스템 비용 및 저탄소 목표를 충족하기 위한 비용 절감이 가능하다.

 

[자료 6. 집단에너지의 에너지이용효율 우수성]

출처 : 한국지역난방공사

 

독일 섹터 커플링의 현황과 진단

재생에너지 기반의 전력화는 어느 정도 이루어지고 있는가?

   1986년 체르노빌 원전 사고를 겪은 독일은 2000년 재생에너지법(Erneuerbare-Energien-Gesetz; EEG)을 제정, 에너지 절약과 풍력, 태양광 발전 사업에 대한 FIT(Feed-in Tariff) 등의 집중 지원으로 2000년 6.6% 수준이던 재생에너지 발전 비중을 2010년 16.7%, 2019년 40.0%까지 끌어올렸다. 변동비(Variable Cost)가 낮은 재생에너지 전력이 확대됨에 따라 발전 사업자의 전력 판매 가격은 하락했고, 유연성 자원, 실시간 거래, 예비력, 국가 간 거래 등 공급 지장에 대한 단계적 대응으로 수급체계의 유연성이 증대되어 소비자 1명당 공급 중단이 발생하는 시간은 2014~2017년 연간 12분 수준으로 줄어들었다(BDEW, 2019). 현재 독일은 전력 부족보다는 전력 공급 과잉을 걱정하고 있다.

 

[자료 7. 독일 내 PtH 및 PtG 플랜트 위치, 2017년 12월]

출처: Energy Brainpool

 

   2017년 12월 기준, 독일에는 5MW 이상의 PtH 플랜트 25기, 1MW 이상의 PtG 플랜트 8기가 건설되어 있다. 이러한 운영에서 풍력, 태양광 등 재생에너지 발전이 유연하게 이루어짐을 확인할 수 있다(Energy Brainpool).

 

전력시장 제도는 얼마나 유연한가?

   독일은 1998년 전력 소매시장에서 소비자가 공급처를 결정할 수 있는 시장 자유화를 도입하여 경쟁 체제를 구축했으며, 전력 도매시장은 최대 공급 6년 전 거래가 가능한 선물거래 시장, 하루 전 시장(Day-ahead Market), 공급 15~30분 전 거래가 가능한 실시간 시장(Intraday Market)으로 구성되어 있다. 2007년 전력 공급 과잉 시 발전사업자가 일정 금액을 지불하고 전력을 판매하도록 하는 ‘마이너스 가격’이 도입된 이후, 마이너스 가격이 실제로 발생한 횟수는 재생에너지 비중 확대에 따라 점차 증가하여 2019년 211건에 달했다.

   이는 에너지 단일 가격 시장(Energy-only Market) 이외에 섹터 커플링을 통한 유연성 자원과 용량 시장(Capacity Market)의 역할을 증대시킨다. ‘EU 통합전력망(ENTSO-E)’을 통한 국가 간 전력 거래 또한 전력 수급 안보를 위한 대비책이다.

   독일 경제 에너지부(BMWi)의 보고서 “An electricity market for Germany’s energy transition”에 따르면 2015년 3월 20일의 부분일식은 독일의 150만 태양광 발전 시설의 전력 공급이 일시에 변화하는 급격한 전력 수급 변동을 가져왔고 송전망 운영자들은 일식 직후의 전력수요에 대비해 +8GW, 일식 종료 이후 증가하는 생산량을 수용하기 위해 –7.3GW의 수급 균형 용량(Balancing Capacity)을 확보해 두었다. 그러나 실시간 시장에서의 활발한 전력 거래로 전력 수급이 빠르게 안정화되어, 준비한 용량 중에서 +1.2GW, -1.4GW 만이 사용되었다. 이는 정확한 예측과 체계적인 전력 시장 거래 제도가 재생에너지 공급 변동에 대응하는 중요한 변수가 될 수 있음을 시사한다.

 

결론, 한국 적용 시 극복해야 할 과제들

저장장치 및 발전설비 기술 개발 다원화

   최근 제주도에서는 태양광 설비 확충으로 풍력발전의 출력 제한이 발생하는 횟수와 출력 제어 용량이 급격히 늘어나고 있다. 장기간, 대용량의 에너지 저장 장치를 활용한 섹터 커플링은 이와 같은 손실을 막아줄 수 있다. 2019년 5월 한국에너지기술연구원이 발표한 연구에 따르면 증기터빈, 가스터빈을 응용한 ‘고온 전력저장 시스템’은 저장부와 발전부의 독립으로 연속적인 운영이 가능하고 순 건설비용이 낮아 배터리 ESS(BESS)나 양수발전보다 균등화 전력 저장 비용(LCOS)이 낮다. 이처럼 다양한 전력 저장 기술의 개발과 수소 경제의 활성화를 통해 재생에너지 전력의 초과 공급량을 활용하기 위한 연구가 필요하다.

   또한 우리나라 태양광, 풍력의 균등화 발전 비용(LCOE)은 원자력보다 높고 이는 해외 지표와 상반된다. 따라서 재생에너지 전력에 대한 사회적 수용성을 높이기 위해서는 태양광, 풍력의 발전비용을 낮추기 위한 기술적, 제도적 연구와 함께, 해양에너지, 바이오에너지 등 다양한 에너지원의 잠재력에 대한 폭넓은 검토가 필요하다.

 

시장 자유화: 유연성 자원 확보, 수요 공급 정보체계 구축

   섹터 커플링 이후 개별 공급자와 소비자들의 판매 및 소비 행동은 서로의 전력 수급에 더욱 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서 공급자와 소비자들이 시시각각 변화하는 전기의 가치를 인지하고 에너지 저장 및 재판매 등 최선의 대응을 통한 협조적 균형에 이를 수 있도록 가격 신호와 수급 상황에 대한 정보 체계를 구축해야 한다. 소비자와 공급자 간 전력 소비량에 대한 정보 통신을 가능케 하는 ‘스마트미터’와 같은 에너지 디지털화(Digitalisation)는 경제주체들의 올바른 판단을 위한 기초 여건을 마련할 것이다.

 

섹터 커플링 실현 과정에서 정부의 역할은?

   섹터 커플링을 구성하는 과정에서 부문 간 결합을 어떤 식으로 진행해야 하는지에 관한 논의가 이루어져야 한다. 전력, 수소, 가스 등 다양한 업계의 이해관계자들이 엮인 문제이므로 이익에 관한 문제와 소비자가 겪을 수 있는 문제 등을 해결하는 과정에서 주체적인 역할을 하는 정부 혹은 거버넌스가 필요하다. 지난 3월 19일 운영을 시작한 전력거래소 기술평가위원회는 정부, 송배전사업자, 발전회원사와 외부 전문가의 입장을 고려하여 계통 관련 운영규정을 다루어 미래 계통 체계의 거버넌스 역할을 수행할 예정이다.

 

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참고문헌

[섹터 커플링의 개념 및 필요성]

1) Leopoldina, Acatech, UGASH, “Coupling the different energy sectors – options for the next phase of the energy transition”, Position Paper, 2018.09.

 

[섹터 커플링의 도입 방안]

아껴쓰고

1) BMWi, “Green Paper on Energy Efficiency”, 2016.09.

2) BNEF, EATON, Statkraft, “Sector Coupling in Europe: Powering Decarbonization”, 2020.02.

3) IRENA, “Global energy transformation: A roadmap to 2050 (2019 edition)”, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2019.

 

나눠쓰고

1) BNEF, EATON, Statkraft, “Sector Coupling in Europe: Powering Decarbonization”, 2020.02.

 

바꿔쓰고

1) IRENA, "Innovation landscape for a renewable-powered future: Solutions to integrate variable renewables", International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi. [SOLUTION XI Power-to-X solutions], 2019.

2) Luc VAN NUFFEL, Joao GORENSTEIN DEDECCA, Tycho SMIT, Koen RADEMAEKERS, "Sector coupling: how can it be enhanced in the EU to foster grid stability and decarbonise?", European Parliament, 2018.11.
https://www.europarl.europa.eu/thinktank/en/document.html?reference=IPOL_STU(2018)626091

 

다시쓰고

1) 윤성권, 임현지, "재생에너지 기반 섹터커플링(부문간 연계)을 통한 기후변화 대응 연구", 한국기후변화학회지, 10(2), 153-159, 2019.06.

2) 한국에너지공단, “2019 집단에너지사업 편람”, 2019

3) ETIP SNET, “Sector Coupling: Concepts, State-of-the-art and Perspectives”, 2020.01, p.19

4) IEA Bioenergy, “Best practise report on decentralized biomass fired CHP plants and status of biomass fired small- and micro scale CHP technologies”, 2019.02

 

[독일 섹터 커플링의 현황과 진단]

재생에너지 기반의 전력화는 어느 정도 이루어지고 있는가?

1) 유동헌, 이효선, “독일의 에너지전환정책 비용 요인과 정책적 시사점”, 에너지포커스 가을호, 15(3), 2018.

2) Agora Energiewende, “The German Power Market: State of Affairs in 2019”, 2020.01.

3) BDEW, “Energy Market Germany 2019”, 2019.06.

4) Simon Göß, "Sector Coupling – How far is Germany?", Energy Brainpool, 2018.01.19. https://blog.energybrainpool.com/en/sector-coupling-how-far-is-germany/

 

전력시장제도는 얼마나 유연한가?

1) 유동헌, 이효선, “독일의 에너지전환정책 비용 요인과 정책적 시사점”, 에너지포커스 가을호, 15(3), 2018.

2) 전력거래소, “2017년 독일 해외전력산업동향”, 2017.

3) 전력거래소, “2018년 독일 베를린 워크샵 ‘독일의 에너지전환사례 연구’”, 2018.

4) Agora Energiewende, “The German Power Market: State of Affairs in 2019”, 2020.01.

5) BMWi, “An electricity market for Germany’s energy transition”, 2015.07.

 

[결론, 한국 적용시 극복해야 할 과제들]

저장장치 및 발전설비 기술 개발 다원화

1) 노철우, 조준현, 신형기, 백영진, 이길봉, 조종재, 이범준, 최봉수, “재생에너지 변동성 완화를 위한 고온 전력저장 시스템의 성능 특성 및 경제성 비교에 관한 연구”, 설비공학논문집, 31(5), 206-215, 2019.

2) 이상복, “준비 안 된 에너지전환…전력계통은 ‘살얼음판’”, 이투뉴스, 2019.12.09.
https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=217416

3) 이철용, “태양광 원가분석을 통한 균등화 비용 국제 비교 분석”, 에너지경제연구원 기본연구보고서, 2017.

 

시장 자유화: 유연성 자원 확보, 수요 공급 정보체계 구축

1) 한국에너지공단, “세계 스마트미터 시장 동향”, KEA 에너지 이슈 브리핑, 2019.04.30.

 

섹터 커플링 실현 과정에서 정부의 역할은?

1) 이상복, "에너지전환기 전력망 규정 다룰 거버넌스 신설", 이투뉴스, 2020.03.20.
http://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=220857