핵분열 과정의 열(熱)과 햇빛‧바람을 이용해 전력을 생산하는 원전과 재생에너지는 임의로 발전량을 조절할 수 없는 대표적 경직성 전원(電源)으로 알려져 있다. 이런 사태에 대비해 출력조절이 가능한 유연전원과 양수발전 등 적정량의 에너지저장장치(ESS)를 확충하고, 예비력시장과 수요관리(DR) 시장을 정비해야 한다는 조언이 나온다.

전력거래소가 홍익대 산학협력단(연구책임자 전영환 전자전기공학부 교수)에 의뢰해 2017년 11월부터 올해 4월까지 수행한 ‘미래 신재생 변동성을 고려한 실시간 운영예비력 확보 전략 연구’ 보고서에 따르면, 현행 정책대로 2030년 전력믹스(발전원별비중)가 구성될 경우 향후 수급과 계통운영에 상당한 어려움이 초래될 수 있어 선제적인 대책을 마련해야 한다. 각 전원의 특성이 제각각이므로 적절한 조화가 이뤄질 수 있도록 구성을 최적화하고, 그에 맞게 전력시장을 정비해야 한다는 게 이 보고서의 핵심이다.

연구팀은 8차 전력수급기본계획대로 재생에너지가 확대된 상황을 가정해 전력수요가 평일보다 낮아지는 봄(4월), 여름(6월), 겨울(1월) 주말 경부하시에 시나리오별로 어떤 현상이 나타날지를 시뮬레이션 했다. 2030년까지 새로 완공되거나 수명만료로 폐지되는 원전‧석탄‧LNG는 물론 정부가 예측한 전력수요(목표수요), 연중 기상데이터와 태양광 풍력 발전량 예측치까지를 일체 반영했다.

8차 수급계획 상 2030년 발전설비 용량은 원전 20.4GW, 석탄화력 39.9GW, LNG 47.5GW, 신재생에너지 58.5GW, 5.5GW(6월 기준) 등 모두 173.7GW이며, 이중 태양광과 풍력은 각각 33.6GW, 17.6GW이다. (설비용량과 발전량은 전원 특성에 따라 상이)

보고서의 시나리오에서 가장 원전 가동량이 낮게 떨어진 상황은 재생에너지(태양광+풍력) 발전량은 연중 가장 많은데 전력소비량은 가장 적은 2030년 봄 주말로 나타났다. 태양광‧풍력 발전량을 모두 수용하고, 분(分)당 1GW 안팎씩 변하는 이들 발전기 출력변화를 ESS나 가변속 양수 발전에 의존하지 않고 기존 석탄‧LNG가 출력조절(Governor Free, GF)로 커버하는 조건이다.

이 시나리오(봄철 주말)에서 전력부하 곡선(순부하. Net-load)은 2.5GW의 양수발전기가 물을 상부저수지로 퍼올리며 수요를 증가시켰음에도 재생에너지 발전량이 대거 유입돼 30.1GW까지 떨어졌다. 또 원전은 20.4GW 중 8.2GW만을 가동하고 나머지 전력을 출력 조절이 가능한 화력발전기가 담당해야 전력수요-발전량 변화에도 적정예비력을 확보할 수 있다는 분석이 나왔다. 1000MW 표준원전 12기에 해당하는 나머지 12.2GW를 세워야 한다. 단순계산으론 원전을 줄이지 못하면 그 만큼 재생에너지 출력을 줄여야 한다.

원전은 발전기 특성과 안전문제로 출력조절이 어렵다. 또 한번 정지한 후 재가동까지 하루 이상이 소요된다. 현행 정책대로 원전을 일정량 유지해도, 실제 전력계통을 운영할 땐 출력조절이 불가능한 원전과 발전량이 제 맘대로 변하는 재생에너지 특성 탓에 설비용량대로 발전기를 가동할 수 없다는 뜻이다. 같은 조건에서 원전은 여름철 주말에도 17.4GW만이 가동 가능했다.

물론 입력 데이터를 달리 부여하면 결과도 달라진다. 재생에너지 출력을 25GW로 제한(Curtailment)하면서 분단위 변동성을 기존 발전기(조속기)가 커버하지 않는 시나리오에서는 모든 원전(20.4GW)을 가동해도 전력 수급에 차질이 발생하지 않는다는 시뮬레이션 결과가 나왔다.

물론 이 조건이 성립되려면 기존 발전기 대신 순간 출력변동을 뒷받침 할 ESS 등이 필요하다. 양수발전이나 BESS(배터리) 등을 적정량 확보하지 않으면, 원전 정상가동도 요원하다는 의미이기도 하다. 만약 재생에너지를 미래 주력전원으로 가져간다면, 원전을 더 줄여야 더 많은 재생에너지를 수용할 수 있다는 뜻이기도 하다.

출력제한은 일정량까지 발전량을 수용하고, 그 이상은 계통유입을 불허하거나 패널티를 부과하는 것을 말한다. 앞서 홍익대는 재생에너지 발전량 분석을 통해 연중 25GW 이상 출력이 발생하는 시간과 비중을 4만2717분, 전체의 8%로 추산했다.(15% 이상은 약 22%) 또 25GW부터 5GW씩 출력제한량을 낮추면서 1년 누적발전량을 집계, 25GW로 제한해도 전체 발전량의 95%를 수용할 수 있음을 확인했다. 2030년 재생에너지 발전원의 1분 변동량 표준편차(σ)는 590MW로 나타났다.

이에 따라 연구팀은 재생에너지 변동성을 고려해 적정량의 가용예비력과 자원을 확보해야 한다고 권고했다. 홍익대 산학협력단은 보고서에서 주파수 응답을 위한 1분 변동성은 가변속양수와 BESS로, 10분 단위 예비력은 발전기 AGC와 최소발전량 하향 조정이 필요하다면서 "신재생 예측오차의 경우는 20분내 확보가능한 양수발전과 단독운전이 가능한 가스터빈도 필요하다"고 조언했다.

전영환 홍익대 교수는 "재생에너지가 대거 투입된 전력계통의 안정적 운영을 위한 핵심요소는 유연성(Flexibility)"이라면서 "재생에너지 투입단계부터 발전기 유연성 확보방향을 제시하고, 석탄화력 등 기존 자원 최소발전량을 하향조정하거나 가스터빈, 가변속양수와 같은 시스템을 적정하게 확보해야 한다"고 강조했다. 전 교수는 "시장측면에선 예비력시장을 개설하고 유연성자원에게 인센티브 지급하는 방안이 필요하다. 아울러 장주기·단주기 수요자원(DR)을 효과적으로 활용하는 방안도 고려돼야 한다”고 부연했다.

향후 확충하는 신규 BESS(배터리)는 전력계통에 기여하는 방향으로 운영해야 한다는 지적도 나온다. 전력당국 한 계통 전문가는 "기존 태양광 ESS의 경우 REC수익 극대화에만 초점을 두고 수요와 관계없이 만충과 완전방전을 반복하면서 운영되고 있다"면서 "새로 건설되는 ESS부터라도 전력계통 상황에 맞게 운영하는 설비에 수익이 돌아가는 방식으로 제도를 변경해야 한다"고 말했다.

출처 : - 이투뉴스(http://www.e2news.com)