끊임없이 주는 복학생 재생에너지, 부담스러운 새내기 전력계통

끊임없이 주는 복학생 재생에너지, 부담스러운 새내기 전력계통

대학생신재생에너지기자단 16기 김미림, 18기 김민주, 18기 한동근, 19기 권승호

 

 전기의 품질은 우리의 삶은 물론 그 나라 산업의 품질에도 중요한 영향을 미친다. 한국은 주파수 유지율 99.9%, 전압 유지율 99.9%, 호당 정전 시간 8.59분으로 세계 최고 수준의 전기 품질을 제공하고 있다. 여기에는 높은 수준의 송배전 인프라와 석탄, 원자력 등등 제어 가능한 발전소의 역할이 크다. 하지만 전 세계는 지구 온난화에 의한 기후 변화의 피해를 우려하고 있고, 탄소 중립과 기후변화 대응을 목표로 에너지 전환을 이루려 하고 있다. 그에 따라 전 세계적으로 화석연료를 기반으로 전기를 생산하는 화력 발전 방식에서 자연을 활용하는 친환경적인 재생에너지 발전으로 변화하는 중이다. 우리나라 역시 현재 변동성 재생에너지의 비중이 작지만 보급목표에 따른 재생에너지 비중이 2040년 최대 35%까지 증가하는 목표를 제시하고 있다. 우리나라의 발전량에서 재생에너지가 차지하는 비중 역시 2015년 3.7%에서 2019년 6.5%로 꾸준히 증가하는 추세다.

 하지만 재생에너지 발전이 기본적으로 태양광, 풍력 등 자연 발전으로 지역별 발전-수요 불균형 현상이 나타난다. 대표적인 예로 우리나라 탄소 없는 섬 CFI(Carbon Free Island)를 슬로건으로 걸고 있는 제주도가 있다. 제주도는 재생에너지 발전량 전국 비율로 따지자면 1위지만 재생에너지 발전 공급량과 제주도가 소모하는 전력량의 수요가 맞지 않아 잦은 출력제어를 할 수밖에 없다. 출력제어로 인해 재생에너지 발전 계통과 전체 전력계통에 악영향을 끼치게 된다. 위 문제는 제주도라는 한정된 지역뿐 아닌 우리나라 재생에너지 발전 보급이 활발한 지역 전남, 전북도 함께 이어진다.  

 지역별로 고르지 못한 발전량, 기존 기저전원에 맞게 설계된 전력 인프라 때문에 재생에너지 발전과 연계된 전력계통의 측면에서 여러가지 문제점들이 나타나고 있다. 현재는 외국에 비해서 변동성 재생에너지의 비중이 낮음에도 불구하고 지역적으로 전력계통에서 재생에너지 비중이 높은 국가와 유사한 경험을 하고 있다. 즉, 변동성 재생에너지의 영향으로 전력수급 불균형과 이에 따른 주파수 및 전압의 급격한 변동으로 인한 계통의 불안 사례가 나타나고 있다. 우리나라는 국가 간 계통연계가 이루어진 유럽과는 달리 섬나라와 같은 고립 계통으로 유사시에도 자체적으로 전력계통의 불확실성과 변동성에 대응할 수밖에 없다. 현재는 전력계통에 문제가 될 경우 재생에너지 발전설비의 출력제어를 실시하여 전력계통을 유지하고 있지만, 이대로 대책 없이 출력제한만을 유일한 방법으로 남겨둔다면 2040년에는 전체 재생에너지 발전량의 13%에 달하는 전력이 계통에 공급되지 못할 전망이다. 또, 아직 재생에너지의 전력생산 비중이 크지 않아 정전사고가 발생하지는 않았지만 향후 대응 여부에 따라서 정전사고의 발생 가능성은 남아있다. 이에 따라 전원 계통 유연성과 안정성을 위한 계통 보강에 대한 필요성이 요구되는 상황이다. 

 

[왜 재생에너지가 전력계통에 문제가 되는 걸까?]

 재생에너지는 석탄, 원자력 발전 등 기존 기저전원에 비해 제어하기가 어렵다. 변동성이 큰 재생에너지가 증가하면 발전소에서 생산한 전력을 전력 소비자에게 전달하는 계통시스템 운영에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 태양광과 풍력 같은 재생에너지는 날씨에 따라 발전량이 크게 달라진다. 계통에서 주파수와 전압은 일정해야 하는데 발전량이 일정하지 않으면 주파수와 전압이 불안정해진다. 주파수와 전압이 불안정해지면 정전이 일어나고 설비가 고장 날 수 있다. 태양광 및 풍력 발전의 비중이 크지 않았던 과거의 전력 시스템은 원자력 및 화력발전 위주의 대규모 발전소를 중심으로 장거리 수송을 통해 각 소비지로 전력을 공급하던 기저전원 중심의 전력 시스템이였다. 따라서 계통의 관성을 유지시켜주는 석탄과 원자력 발전 등 기저전원으로 인해 전력수급 불균형에서 발생되는 주파수와 전압에 변동이 발생하더라도 큰 문제없이 회복될 수 있어 비교적 안정적인 계통운영이 가능했었다. 그러나 태양광 및 풍력 발전의 비중이 높아지면서 관성이 약화되어 주파수와 전압의 변동이 빠르게 진행되고, 정격주파수로 복원하는 힘이 약해지게 되었다. 발전원의 믹스에서 태양광 및 풍력 발전의 비중이 증가함에 따라 계통의 관성은 낮아지기 때문에 전력수급 불균형이 발생하면 계통의 주파수가 빠르게 변화되면서 계통을 더욱 불안정하게 한다. 한국에서 통용되고 있는 주파수인 60Hz의 주파수를 유지하기 위해서는 전력의 수요와 공급이 균형을 이루어야 하지만, 태양광 및 풍력 등 불확실성과 출력 변동성의 특성을 가진 발전설비가 전력계통에 접속하면서 전력수급의 불균형 심화와 계통 주파수 및 전압의 일정 수준을 유지하기가 더 어려워지고 있다. 이 균형을 유지하지 못 하게 되면 주파수가 일정 범위를 넘나들게 되고, 전력 계통이 정상적으로 역할을 할 수 없게 된다.

 

[자료 1. 제주도 연도별 풍력 발전 출력제어 발생 추이]

출처 :  Electric Power Journal

 이미 재생에너지 설비용량 비중 36%, 발전 비중이 16.2%인 제주도에서는 재생에너지가 전력계통에 주는 부담을 해결하기 위해 골머리를 앓고 있다. 제주도 지역에서는 태양광 및 풍력 발전설비의 증가로 인해 이미 전력수요에 비해 공급이 많아지는 사례가 자주 발생해, 이에 따라 풍력발전의 출력제한 횟수가 증가하고 있는 상황이다. 제주도의 풍력발전 출력제어 횟수는 2019년 기준 46회를 기록해, 2017년 연간 1TWh의 출력을 제한한 것에 비해 2020년 전반기에만 10TWh 이상의 출력제한이 발생했다. 제주도뿐만이 아니다. 육지에서도 태양광 풍력 등 재생에너지의 출력제어가 처음으로 시작됐다. 업계에 따르면 지난 16일, 22일 2차례에 걸쳐 전남 신안군에 위치한 안좌스마트팜태양광발전소가 회당 30분가량 강제로 발전을 멈춘 것으로 나타났다. 안좌스마트팜은 갑작스럽게 발전기 가동을 멈춰야 해 수백만원의 손실을 기록했다. 출력제어를 하지 않을 경우 전력계통에 과 공급이 일어나 기존 60Hz 수준의 주파수를 초과하게 되어 설비가 대규모로 탈락하고, 계전기의 부하차단이 일어나 대규모 정전이 일어날 우려가 있어, 출력제어를 실시하지 않을 수도 없는 노릇이다.

 재생에너지가 전력계통에 끼치는 문제는 과 공급뿐만이 아니다. 재생에너지는 자연조건에 의존하여 발전하는 경직선 전원으로 석탄, 원자력 등 기저전원에 비해 전력 생산량이 일정하지 않고 이를 예측하기 어렵다. 따라서 기저전원이 문제가 생겨 탈락할 경우, 제어가 어려운 재생에너지만으로는 안정적인 전력 공급이 어려워진다. 2020년 3월 28일, 신보령 1호기가 불시정지하여 계통 주파수가 하락했고, 태양광 발전설비인 인버터가 이를 위험신호로 인지해 전력생산을 중단하여 주파수가 추가로 하락한 사례가 있다. 

[자료 2. 재생에너지 발전 정격용량 및 실효용량]

출처 : 머니투데이

 또, 기저전원을 대체하여 안정적 전력 공급에 기여하기에는 아직 재생에너지의 효율이 턱없이 부족한 현실이다. 정부가 보고한 '제 8차 전력수급기본계획'에 따르면, 2030년 예측한 전력수요는 100.5GW다. 목표로 하고 있는 신재생에너지 발전 비중 20%를 달성하려면 20.1GW를 신재생에너지로 공급해야 한다. 태양광, 풍력 등 신재생에너지는 날씨가 흐리거나 바람이 없는 날에 발전효율이 떨어지는 불확실성을 극복하기 위해 예비설비까지 포함해 설비 총량 목표를 58.5GW로 정했다. 태양광(33.5GW)와 풍력(17.7GW) 중심으로 발전 설비를 확충할 계획이다.

 현재 한국의 발전의 전반을 담당하고 있는 석탄, 가스, 원자력 발전소의 화석연료 기반 발전기가 생산한 전기를 소비자들에게 전달하기 위해서는 전력망, 변전소, 송전선 등 다양한 추가적인 전력 설비들이 건설되어야 한다. 이 설비들의 규모는 발전기가 최대로 낼 수 있는 정격용량 기준으로 결정된다. 이때 설비의 효율성을 가늠하는 것이 ‘피크 기여도’라는 개념이다.  현재 석탄, 가스, 원자력발전소의 피크 기여도는 100%이다. 그러나 태양광, 풍력 등 대표적인 신재생에너지는 15%에 불과하다. 2030년 한국이 예상한 신재생에너지 발전의 설비 용량은 58.5GW 지만 재생에너지 발전의 피크 기여도를 기준으로 산정한 실효 용량은 8.8GW밖에 되지 않는다. 즉 이 말은, 8.8GW를 생산하기 위해 58.5GW에 해당하는 송배전 설비가 필요하다는 의미이다. 이 58.5GW의 송배전 설비는 현재 대한민국 절반 규모에 해당하는 것으로 효율적인 측면에서 너무 비효율적이다. 효율 개선을 위한 추가적인 기술 개발이 시급하다.

*피크기여도: 최대 전력 수요가 발생하는 시점에 발전기가 자체 정격 용량의 몇%를 낼 수 있는지를 표시한 수치적 표현

[자료 3. 신재생 용량과 피크기여도]

출처 : 장길수, "전력효율 극히 낮은 신재생에너지, 그래도 가야할 길이라면 전용고속도로부터" ,2020.10.13, 여시재

*피크기여도: 최대 전력 수요가 발생하는 시점에 발전기가 자체 정격 용량의 몇%를 낼 수 있는지를 표시한 수치적 표현

 

 

[어떻게 해야 전력계통이 재생에너지를 수용할 수 있을까?]

 이와 같이 일정한 출력을 보장하지 못하는 재생에너지는 계통을 불안정하게 만든다. 이러한 불안정한 특성 때문에, 재생에너지 비중을 높이는 데는 한계가 있다는 문제가 꾸준히 제기되어왔다. 그렇다면 어떻게 이 문제를 해결할 수 있을까?

1.     슈퍼 그리드

 시야를 한 나라가 아닌 대륙 전체로 넓혀보자. 재생에너지가 풍부한 지역에서 부족한 지역으로 재생에너지를 주고받을 수 있다면 어떨까? 이러한 발상에서 시작된 것이 바로 대륙 규모의 광역 전력망인 ‘슈퍼 그리드’이다. 사전적 의미로 격자・바둑판의 눈금을 뜻하는 그리드는, 에너지분야에서는 전력망을 일컫는다. 즉, 슈퍼 그리드란 단일 국가의 경계를 넘어 다수 국가 간 이어진 대규모 에너지 전력망이다. 에너지가 풍부한 나라에서 생산된 전력자원을 에너지 수송 네트워크인 슈퍼 그리드를 통해 에너지 자원이 부족한 다른 나라에 상호 공유하는 것이다.

[자료 4. 동북아 슈퍼그리드]

출처: 동북아 슈퍼그리드, 한중 전력망 공동연구 합의 :: 내가 사는 그 집 (tistory.com)

 우리나라는 중국, 일본, 러시아, 몽골 등과 함께 ‘동북아 슈퍼 그리드’에 속해 있다. 동북아 슈퍼 그리드는 주변 국가와의 전력망 연계로 재생에너지의 효율적 이용, 전기요금 인하로 국민편익 제공, 동북아 정세 안정 및 신성장의 동력 확보를 위해 필수적이다. 한전은 동북아 슈퍼 그리드 사업이 성공할 경우, 국내 전력 사용량이 급증하는 여름, 겨울철에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있을 것으로 전망했다. 슈퍼 그리드는 효율적인 에너지 분배와 에너지 수급 안정화 외에도 신재생에너지의 활용을 최대로 끌어올린다는 장점이 있다. 단점은 초기 대규모 인프라 건설에 많은 비용이 든다는 것이지만, 장기적으로는 전기 교역이 활성화된다면 비용이 낮은 지역의 저렴한 전기를 수입해 전기요금을 줄일 수 있다.

 

 2.분산 에너지 활성화

[자료 5. 기존전력망과 마이크로그리드 모식도]

출처: news1

 전력망으로부터 전기를 받아 사용하는 건물, 단지들이 스스로 발전해 수요를 소화한다면 망에 부담을 줄여줄 수 있을 것이다. 분산에너지란 이렇게 수요지 인근에 소규모 발전 설비를 분산 배치해 해당 지역에서 소비되는 중소규모의 에너지를 뜻한다. 분산에너지는 송배전 인프라 건축비용과 운영비용을 절감시킬 수 있고, 수요지 인근에 건설해 송전 손실을 줄일 수 있으며, 자체 전력으로 전력 수요 급증에 따른 영향을 받지 않을 수 있다.  

 산업부는 ‘지역이 주도하는 분산에너지 시스템 구축’이라는 목표 아래 제주도 내에 다양한 분산전원을 보급・연결하고, 지역 특성을 반영한 다양한 에너지 체계를 구축할 수 있도록 맞춤형 마이크로 그리드 사업을 추진하겠다고 발표했다. 또한, 지난 제9차 전력수급기본계획에서도 재생에너지 중심의 분산에너지 시스템의 필요성을 강조한 바 있다. 전력산업 구조는 중앙 집중적이고 단방향인 에너지 ‘공급’위주에서 ‘수요’중심의 분산형 에너지자원으로 변화하고 있는 셈이다. 분산에너지 확대에 따른 시스템 구축 또한 더 이상은 피할 수 없는 과제이다.

 

3. 2021년 ESS 다시보기

 기존 ESS 시스템은 재생에너지의 잉여 발전량을 저장 할 수 있는 저장 시스템으로써 전력계통에 좋은 영향을 미칠 것으로 상용화에 들어갔지만 화재 등 안전 문제로 현재는 주춤한 모습을 보여준다. 하지만 한국에너지공단과 한국전력연구원의 개발과 연구로 본래 기능을 다하는 더욱 안정적이고 실용적인 ESS 시스템이 완성되고 있다.

 

[자료 6.  ESS·EMS 융합 시스템]

출처 : woorizen

 첫 번째로 ESS·EMS 융합 시스템의 새로운 지원이다.  ESS는 Energy Storage System의 약자로 에너지를 저장하는 역할, EMS는 Energy Management System의 약자로 에너지를 운영, 관리하는 시스템을 말한다. 기존 ESS 단독 시스템은 화재 안전성 문제로 2020년부터 상용화에 대한 문제점이 제기되며 실제 사용에 어려움을 겪었다. 하지만 지난 3월 25일 한국에너지공단에서 ESS·EMS 융합 시스템을 확대하겠다고 밝혔다. 단순 ESS로 재생에너지로 발전된 잉여 에너지를 저장만 하는 것이 아닌 EMS를 통해 관리도 함께 하며 안전성을 높여 전력계통 안정화에 좋은 영향을 보여줄 것으로 보인다. 에너지 공단은 초기 설치비 부담으로 융합 시스템의 보급이 더디다고 판단하며 지원 대상과 지원율을 높일 계획이다. 추가 지원 대상의 예시로 출력 제어가 1회 이상 시행된 재생에너지 발전 시설이 있다. 융합 시스템의 안전성 관리를 위하여 지원 대상자는 5년 동안 데이터 및 운영 결과를 보고한다.

 두 번째로 한국전력연구원은 ESS와 MW 급 슈퍼커패시터 하이브리드 병행 운전 개발을 착수하였다고 밝혔다. 슈퍼 커패시터는 ESS와 같이 대용량 전기 에너지를 저장하는 역할을 한다. 병행 운전을 통해 기존 ESS의 열화 문제를 개선할 수 있으며 잦은 출력 변화로 인한 문제는 슈퍼 커패시터가 담당하여 전체적인 전력계통 안정화에 도움을 줄 수 있다. 이번 슈퍼 커패시터와 ESS의 병행 운전 시스템 개발을 통해 기존 ESS의 문제점인 화재 위험과 수명 연장에 도움을 줄 수 있다. 전력연구원은 향후 연구에서 병행 운전 시스템을 전력시험센터에서 실증 후에 재생에너지 분산 전원의 안정성과 경제성을 위하여 확대하여 적용할 예정이다. 이처럼 기존 ESS의 관리, 운영 미흡으로 인한 화재 위험을 줄이며 전체 전력계통에는 더욱 안정화를 미치는 EMS 융합과 슈퍼커패시터와의 병행 운전을 통해 초기 ESS의 목적에 따라 재생에너지 분산 에너지를 위한 해결책이 더욱 안정적으로 발전할 것으로 보인다.

 

[결론]

 기후 위기에 대응해 에너지 전환이 빠르게 이뤄지면서 재생에너지 공급은 계속해서 확대되고 있다. 그로 인해 발생한 제주 지역의 출력 제한 문제는 머지않아 우리나라 전체의 문제가 될 것이다. 전문가들은 최근 몇 년 새 발표된 에너지 정책들은 모두 재생에너지 보급 확대에만 방점이 찍혀 있다고 지적한다. 재생에너지 발전과 전력계통 간의 불균형이 심각한 만큼, 계통안정성 확보를 위한 확실한 돌파구가 필요한 상황이다.

 한국 정부가 제시한 2040년 국내 재생에너지 발전량 35% 목표에 도달하기 위해서는 효율적인 해결책을 찾아 하루빨리 도입하는 것이 시급하다. 위에서 언급했듯, 국내에서는 ‘슈퍼 그리드’, ‘분산 에너지 활성화 로드맵 수립’, 'ESS·EMS 융합 시스템’ 등 여러 방법들을 모색하고 있다. 이러한 계통 보강과 유연성 확보를 통해 출력 제한 문제를 해결하고 잉여발전량 또한 감소시킬 수 있을 것이다.

 이제는 공급 확대에만 초점을 맞춘 보여주기식 재생에너지 발전량 확대가 아닌, 계통안정성 확보를 위한 올바른 에너지 전환이 필요하다. 꾸준한 연구와 관심을 바탕으로, 빠른 시일 내에 재생에너지 발전과 전력계통의 성공적인 연계를 통해 재생에너지 발전 산업에 새로운 국면이 다가오기를 바란다.

 

---

참고문헌

[서론]

1. “에너지포커스 2020 가을호”, 제 17권, 제 3호, 2020, 에너지경제연구원

2. 장길수, “전력 효율 극히 낮은 신재생에너지, 그래도 가야할 길이라면 전용 고속도로부터 만들어야”, 여시대, 2020. 10. 13 (https://www.yeosijae.org/research/1031)

3. 오세영, “[전력좌담회] 임정효 사장 "안정적인 전력 공급 시스템 마련이 큰 숙제", 에너지경제, 2021. 03. 26 (https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210326010005391)

4. 고선호, “계통전력 한계에 멈춰선 신재생 발전…“주먹구구식 확대 부작용”, 이뉴스투데이, 2021. 03. 31 (http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=1464940)

5. 이원희, “이태의 연구위원 "2040년 재생E 13% 출력제한…전원상호보완·분산화 필요", 에너지경제, 2021. 03. 26 (https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210326010005366)

6. 정혜윤 기자, “신재생 2030년 58GW 설비 확충, 효율은 15% 턱걸이”, 머니투데이, 2017.12.14

(https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017121410004054361) 

 

[왜 재생에너지가 전력계통에 문제가 되는 걸까?] 

1. “에너지포커스 2020 가을호”, 제 17권, 제 3호, 2020, 에너지경제연구원

2. “에너지포커스 2020 겨울호”, 통권 78호, 2020, 에너지경제연구원

3. 정형석, “육지에서도 태양광 출력제한 시작”, 전기신문, 2021. 03. 23 (http://www.electimes.com/article.php?aid=1616476429214432002)

4. 이유수, “제생에너지 확대를 위한 전력시장 발전 방향”, 에너지경제연구원, 2021. 02. 15

5. 장길수, “전력 효율 극히 낮은 신재생에너지, 그래도 가야할 길이라면 전용 고속도로부터 만들어야”, 여시대, 2020. 10. 13 (https://www.yeosijae.org/research/1031)

[어떻게 해야 전력계통이 재생에너지를 수용할 수 있을까?]

1. 김정환, “ 한국전력연구원, 안전성 향상시킨 MW급 슈퍼커패시터 개발 박차”, 브레이크뉴스, 2021.03.24, (http://www.breaknews.com/794700)

2. 이동재, “산업부, ‘분산에너지 활성화대책’ 제주도에 우선적으로 시행한다.”, Hello T산업경제, 2021.03.04, (http://www.hellot.net/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=203&sub=004&idx=56895&list=thum)

3. 주식회사 레즐러, 주식회사 레즐러 공식 블로그, “[에너지 라이프]그린뉴딜 실현 위한 분산에너지 활성화”, 2021.03.18, (https://m.blog.naver.com/razzler2017/222278573119), (2021.03.27)

4. 천근영, “ 에너지공단, ESS・EMS 융합시스템 확대 팔 걷었다.”, CEO SCORE DAILY, 2021.03.25,(http://www.ceoscoredaily.com/news/article.html?no=80117)

5. 한국에너지공단, 한국에너지공단 블로그, “에너지를 상호 공유할 수 있다? 동북아 슈퍼그리드!”, 2019.12.12,( https://m.blog.naver.com/kea_sese/221734822311), (2021.03.27)

6. 한국에너지정보문화재단, 한국에너지정보문화재단 블로그, “[스토리]국경을 넘어선 전력망, 슈퍼그리드 시대”, 2019.08.01, (https://m.blog.naver.com/energyinfoplaza/221598976423), (2021.03.27)

7. 황락훈, 나승권, 최병상 (2021). 계통 연계 PV-ESS 확장성 확보를 위한 병렬 DC-모듈형 PCS 설계. 한국정보전자통신기술학회 논문지, 14(1), 56-69. 

 

[결론]

1. 노병우, “신재생 에너지 확대로 ‘출력제한 ’급증, 해법은?”, 프라임경제, 2021.03.19, (http://www.newsprime.co.kr/news/article/?no=537384)

2. 최근주, “재생에너지 확대 전에 전력계통 운영방식에 변화 필요”, 전기신문, 2021.03.22, (http://www.electimes.com/article.php?aid=1616379151214363097)

3. 장길수, “변동성 재생에너지원 확대에 따른 전력계통에서의 문제와 대응”, 전기저널,2020.09.08 (http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=3599)