인간의 생활에 필수적인 여러 형태의 에너지 중 사용이 편리한 전기에너지 소비가 증가하고 있어 국가 에너지 정책에서 전기 에너지의 비중이 더욱 커지고 있다. 인류의 생산 활동에 기인한 기후 변화를 지연시키기 위한 전 세계적인 노력으로 전기의 생산 방법은 화석연료 기반의 발전 방식에서 자연을 활용하는 친환경 발전 방식으로의 변화가 진행 중이다.

이에 따른 태양광 발전과 풍력 발전 등의 변동성 재생에너지원의 보급 확대는 전력 공급 부분에서의 불확실성을 크게 증가시키고 있지만, 안정적이고 경제적인 전기 공급에 대한 소비자 요구는 여전하여 전기의 생산, 송전, 배전에 관련된 여러 기관들의 기술적 경제적 부담이 커지고 있다.

변동성 재생에너지원의 보급 확대는 피할 수 없는 상황이므로 이에 따른 문제를 잘 파악하고 가능한 해결 방안을 잘 준비하기 위한 노력이 집중되어야 한다. 본 원고에서는 새로운 환경 하에서 안정적이고 효율적인 전력 공급을 위한 필요 기술에 대해 의견을 제시하고 한다. 

먼저, 우리나라의 상황을 고려한 변동성 재생에너지원의 단계적 보급 목표 산정이 필요하다. 유럽에서는 다양한 시나리오에 기반하여 2040년 유럽 총 부하량과 신재생에너지원의 발전량을 예측하고 39.7%에서 50%까지로 신재생에너지 발전량 비중을 늘리는 목표를 제시하였다.

우리나라도 3차 국가에너지기본계획에서 2040년까지 신재생에너지원 발전량 비중을 30~35%로 하겠다는 목표를 제시했는데, 이는 우리나라의 전력계통 현황과 예측을 통한 상세한 분석이 없이 우리가 기대하는 목표를 제시한 것이어서 우리나라가 감당 가능한 목표인지에 대한 우려가 크다.

출력 조정 특성이 우수한 수력 자원을 풍부하게 가진 노르웨이, 아이슬란드나 다른 나라들과의 전력계통 연계가 잘 이뤄진 독일이나 덴마크 등은 우리나라의 전력계통과는 상황이 다른 사례들이기 때문에 해당 국가들의 목표나 달성 전략을 그대로 따르기는 힘들다. 다른 나라들의 변동성 재생에너지원 보급 결과나 목표 수치는 해당 국가와 우리나라의 전력계통 여건의 차이가 있음을 동시에 고려하여 우리나라의 도전적 목표 설정에 사용하기 바란다.

변동성 재생에너지원의 출력을 20% 이상으로 고려하기 위해서는 지금까지 사용해 왔던 전력계통 계획과 운영 방법의 개선이 아닌 결정론적인 방법의 한계를 넘어선 상정 고장과 발전 출력의 변동 확률을 고려한 새로운 전력계통 위험도 산정 방안의 개발이 필요하다.

변동성 재생에너지의 보급이 크게 진행된 2025년 어느 날을 예로 들면 그 날의 공급 가능한 발전량은 변동성 재생에너지원의 출력 예측에 기반한 값이 포함되어야 하므로 전력계통 정적 해석의 기본인 전력조류계산 과정에 변동성 재생에너지원의 발전량은 출력 확률을 고려하여 반영되어야 한다.

변동성 재생에너지원의 일시적인 발전 비중이 40%를 초과할 경우 기존의 전력조류계산 방법이 아닌 별도의 해석 방법을 필요로 하고, 아울러 변동성 재생에너지원은 시간에 따라 발전 출력이 변동하므로 이를 반영한 전력계통의 동적 안정도 해석은 더욱 복잡해진다.

대부분의 변동성 재생에너지원들이 인버터를 통해 전력계통에 접속하고 있어 해당 전원들의 인버터 특성을 어느 수준까지 해석에 반영할 지에 따라 모델링의 범위와 해석 대상 계통의 크기가 달라지므로 적정한 범위에서의 클러스터링 등으로 이러한 특성이 반영된 새로운 전력계통에 대한 동적 해석 기법이 필요하다.

전력계통 계획과 관련한 주요 이슈는 변동성 재생에너지원도 다른 제어 가능한 발전기처럼  정격 용량을 기준으로 변전소와 선로를 건설하고 상위의 공용 송전 선로를 증설해야하는지 여부이다. 변동성 전원의 이용률을 20% 대로 예상하면 관련된 전력 설비들의 이용률도 그 정도로 낮아지므로 변동성 재생에너지원의 보급 확대에 따라 전력설비 신설 및 증설될 양이 크게 증가하게 된다. 비용 문제는 남겨두더라도 전력 설비에 대한 사회적 수용성이 크게 낮은 상황에서 더 많은 전력 설비의 건설은 전력회사의 큰 부담이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 기존 전력설비의 활용도를 크게 증가시켜 신설되거나 증설할 전력 설비를 최소화할 수 있는 연구가 필요하다. 교류 전력계통에서 각 선로에 흐르는 전력 조류를 인위적으로 조정할 수 없으므로 일정 구간에 대해 DC를 활용하여 이용률이 낮은 전력 설비를 추가로 활용할 수 있도록 해야 한다. 특히, 정부의 장기 에너지 계획에 의해 폐지되는 발전단지의 인출 송전 설비를 활용하기 위한 준비는 시급한 상황이다.

전력계통의 운영과 관련해서는 변동성 재생에너지원을 포함한 전력계통 운영 전반에 대한 적절한 정책과 규제가 필요하다. 변동성 재생에너지원에 대하여 발전원으로서의 최소 기본 책임을 부과하고 전기저장장치와 수요반응 자원 등 새로운 형태의 조정 가능한 자원을 추가로 확보해야 한다. 이를 위해 변동성 재생에너지원 규모에 따라 적용 대상을 정한 후 일정 수준의 정확도를 가진 출력 예측 의무를 부과하고 기본적인 유효전력 출력 조정 책임을 부여하는 것이 필요하다.

인근의 다른 발전원과 연계하거나 HVDC를 통한 연계 등으로 이러한 의무를 달성하는 것이 가능하므로 전력계통운영자의 의무 부과는 변동성 재생에너지 사업자들을 효율적인 출력 변동성 대응 노력에 참여하게 할 것이다. 일정 규모의 전력 수요를 가진 전력 부하에 대하여 일정 수준의 수급 조정 의무를 부과하거나 신뢰성 수요 반응 자원의 확대 등도 전력계통 변동성에 대응하는 좋은 방안이 될 수 있다.

과도 안정도에 대한 변동성 재생에너지원의 부정적인 영향을 개선하기 위하여 일정 규모 이상의 변동성 전원 연계용 인버터에 대한 FRT (Fault Ride Through) 기준과 관성 제어 기능을 의무화할 필요가 있고, 주파수 안정도에 기여하도록 1차, 2차, 3차 예비력 제공이 가능한 제어기를 설치하고, 전압 안정도 기여를 위한 전압 및 무효전력 제어 기능 부과가 필요하다.

전력 시장 측면에서는 변동성 전원의 보급 확대로 일정 지역에서 만들어지는 전력을 그 지역에서 소비하도록 하는 것이 더 효율적인 방법이 되므로 그러한 변화가 이뤄질 수 있도록 전력 요금 체계를 개편하는 것이 필요하다. 일정 지역에 집중되는 변동성 재생에너지원을 고려한 지역별 요금제는 전력계통에서의 혼잡과 불필요한 전력계통 설비의 신증설을 막을 수 있다.

변동성이 증가하는 전력계통 상황을 고려하여, 발전 출력의 신속하고 유연한 조정이 가능하며 예비력의 공급량이 큰 발전 자원의 가치를 더 크게 인정할 수 있도록 전력 제공 용량(MW), 전력 증가 속도(MW/min), 에너지 제공 용량(MWh)에 따른 별도의 보조서비스 비용 체계로 바뀌어야 한다. 또한 전력계통 신뢰성 유지를 위해 변동성 재생에너지원의 출력 제약이 발생할 경우 해당 양을 마이너스 예비력으로 일부 인정하는 것도 고려해야 한다.

전력망, 유무선 통신망, 상하수도망, 도로망 등 네트워크에 기반한 여러 산업들은 각각의 특성에 따라 망을 설계하고 운영한다. 그 중 망을 구성하는 설비들의 고장이나 운영 조건과 관련하여 가장 엄격한 기준을 적용받는 것이 전력망이다.

입시 등으로 일시에 많은 사람들이 일정 지역에 몰려 정상적인 통화가 되지 않거나, 추석이나 설과 같은 명절에 도로의 체증이 심각하거나, 수도관 공사를 위해 몇 시간 단수가 되는 사건 등은 언론에서 다룰 정도의 심각한 불편으로 인정하지 않는 반면 아파트 관리 사무소에서 관리하는 변압기에 문제가 생겨 해당 아파트 단지에 정전이 발생하는 경우는 TV 뉴스에 나올 정도의 사건이 되고 있다.

이렇게 중요한 전기를 안정적으로 공급하기 위한 노력은 이제 더욱 큰 전력 설비 투자와 새로운 기술 개발을 필요로 한다. 하지만, 이러한 투자를 위해 전기 요금의 인상이 필요한 경우에도 요금 인상을 억제하고 있어 전기의 안정 공급은 위협받고 있다. 더 안전하고 친환경적인 전기를 생산해야하는 추가 부담에 대하여 정부와 새로운 발전 사업자들과의 합리적인 비용 분담 방안이 필요하다.

전기를 사용하는 소비자들도 더 안전하고 친환경적인 전기를 사용하는 것에 따른 비용 부담이 필요하고 현재 전기 품질 수준의 저하가 발생할 수 있음을 인정하고 변화하는 전력 환경에 대비한 전기 소비 형태를 준비해야 한다.

출처 : 에너지데일리(http://www.energydaily.co.kr)