신재생에너지 통합관제시스템 [예측하자 신재생! 줄이자 이산화탄소!]

신재생에너지 통합관제시스템 

[예측하자 신재생! 줄이자 이산화탄소!]

태양광과 풍력으로 대표되는 신재생에너지는 기상조건의 영향을 받기 때문에 발전량이 간헐적이다. 해가 떠 있을 때, 바람이 불 때만 전력생산이 가능하다. 발전량의 변동성이 높다는 말이다. 또한 기상조건은 정확하게 예측하기 어렵기 때문에 불확실성 역시 높다. 이와 같은 이유로 발전량의 간헐성이 증가하면 전력망이 따라서 변동한다. 즉 신재생에너지 발전량이 출렁거리면 이를 뒷받침하는 나머지 기저발전소의 발전량도 따라서 출렁거리게 된다는 말이다. 이렇게 되면 전력망 안정성에 큰 부담이 될 뿐 아니라 심각한 경우에는 전력계통이 붕괴될 수도 있다.

[그림 1. 태양광 발전량 급변동 덕 커브 (Duck Curve) 현상]

출처 : 솔라플러스 (Solarplus)

예를 들어, 캘리포니아의 전력부하 현황과 추정을 나타낸 그래프를 보면 그 문제점을 알 수 있다. 미국 캘리포니아에서 태양광 발전이 크게 늘면서 태양광발전 전기를 많이 쓰는 곳에서는 해가 떠있는 동안 전력망에 걸리는 부하가 줄어들고 해가 지면 치솟는 현상이 생겼는데 이것을 덕(DUCK) 커브라고 부른다. 전력공급망에 걸리는 부하가 줄면 좋은 것이 아닌가 싶은데, 앞으로 적절한 대응이 되기까지는 문제가 된다는 것이다. 왜냐하면 이와 같은 현상이 지속되면 전력수요 예측 정확성이 하락하며 해가 지면 단시간에 전력부하가 급상승하게 되어 보다 많은 예비율을 확보해야 한다. 이에 따라 기저발전을 세웠다 돌렸다 하는 비용이 많이 들게 되고 전력망 운영비용이 상승하게 되는 문제점들이 발생하게 된다.

[그림 2. 신재생 통합관제시스템]

출처 : 산업통상자원부

그렇다면 신재생에너지 통합관제시스템은 무엇일까? 신재생에너지 통합관제시스템은 사전에 발전단지별 기상예보를 통하여 신재생에너지 발전량을 예측하고, 실시간으로 신재생에너지 발전량을 계측, 출력 급변 시 제어기능 등을 포함하며 전국지역 단위 관제시스템에서 이러한 정보들을 종합하여 신재생에너지의 간헐성에 선제적으로 대응하는 체계이다.

쉽게 말해, 기상예보를 통해 날씨를 실시간으로 예측하고 태양광이나 풍력 등의 발전원이 얼마나 출력을 낼 수 있는지 측정하여 재생발전원이 전력망에 얼마나 기여를 할 수 있는지 예측을 하는 장치라고 생각하면 된다. 신재생에너지의 전력공급 기여도에 따라서 우리나라에 있는 발전기를 효율적으로 그리고 경제적으로 돌릴 수 있는 것이다. 예를 들어 신재생에너지 통합관제시스템 모니터에 신재생원 발전량이 10%로 표시되어 있으면 화력발전소나 가스발전기, 복합발전기를 10%만큼 덜 돌려 이산화탄소 배출량을 절감할 수 있으며 전력 피크 때에는 비싼 발전원을 돌리지 않아도 되니 그 차액에 상응하는 이익을 챙길 수 있다. 이와 더불어 전체 계통 안정을 위해 EMS와 연계하여 신재생전원을 제어할 수도 있다. 위에서 언급했던 덕커브와 같은 문제점들을 해결할 수 있는 것이다.

[그림 3. 전력거래소 제주 지사에서 시범 운영중인 신재생에너지 통합관제시스템]

전력거래소와 한국전력은 2017년 말까지 시범단계 시스템을 구축한 후 2018년부터 2년간 시험운영을 추진한다고 하였다. 현재 전력거래소 제주 지사에서는 신재생에너지 통합관제시스템을 시범운영 중이며, 신재생에너지가 대폭 확대되는 2020년 이후에는 관제시스템을 본격적으로 운영할 계획이다. 또한, 서부발전 같은 사업자는 발전단지별 기상예보를 토대로 발전량을 예측해 제출하고, 전국 및 지역 단위 관제시스템에서 이 정보들을 종합 분석해 신재생에너지 간헐성에 선제 대응하게 된다. 통합관제시스템을 구축한 대부분 국가들은 계통접속을 희망하는 사업자가 발전단지별로 발전량 계측 및 예측 정보를 제출하도록 의무화하고 있다. 

   마지막으로 신재생에너지 통합관제시스템과 더불어 신재생전원의 간헐성 보완과 전력의 안정적인 보급에 도움을 줄 수 있는 빠른 시간 내에 출력을 조절할 수 있는 가변속 양수, 가스터빈(G/T) 단독 운전이 가능한 액화천연가스(LNG)복합 등의 백업설비에 대해 알아보자. 

  신재생에너지 발전량이 예측보다 적을 경우 확보해야 하는 예비력과 신재생에너지 발전량이 예측보다 많은 경우에 대한 대비가 필요한데, 이러한 역할을 하는 것이 바로 백업설비이다. 먼저 에너지저장장치(ESS)는 두 역할을 모두 할 수 있다. 발전량이 너무 많으면 저장하고, 너무 적으면 저장해 둔 전기를 내보냄으로써 변동성에 대비할 수 있다. LNG 발전소도 유력한 대안으로 꼽힌다. 하지만 아직까지 ESS의 가격이 높은 수준이고, LNG 발전소 건설에도 1기당 1조 4000억원 가량이 소요돼 비용 문제도 만만치 않다. LNG 발전소는 기동에 1시간이면 되지만, 보다 빠른 응답이 필요한 경우도 있다. 

[그림 4. 수요자원시장]

출처 : 에너지신사업 홈페이지

[그림 5. 수요자원시장 사업구조]

출처 : 에너지신사업 홈페이지  

  이와 관련, 최근 수요자원(DR) 시장이 경제성과 반응성 모두를 달성하며 신재생에너지 간헐성을 보완할 수 있는 대안으로 급부상하고 있다. DR의 경우 리튬이온전지를 사용하는 ESS에 비해 비용은 10% 수준이지만 급격한 날씨 변화 등으로 인한 신재생에너지 공급능력의 변동성에 대응하는 역할은 유사하다. 다만 발전량이 많을 경우에 대응하기 위해선 풍력발전기의 감발 등이 병행돼야 한다는 점, 현재 운영되는 DR시장보다 짧은 응답시간이 필요하다는 점에서 DR 운영의 고도화가 선행돼야 한다는 점은 한계로 남는다. 

  이밖에 태양광, 풍력자원을 실시간 시장에서 급전자원으로 활용하거나 용량보상 메커니즘을 강화해 백업발전설비의 투자유인을 높이는 것도 대안으로 지목된다. 재생에너지 간헐성 논의의 근저에는 지금까지 석탄, 원전 등 기저발전 위주의 전력수급구조가 뿌리깊게 자리잡고 있다는 지적도 있다. 잘 짜여져 진행돼 온 전력수급계획과 계통운영, 전력시장 방식에 익숙해져 있어 변화를 받아들이기보다 밀어내려는 경향이 강하다는 진단이다. 

  그 동안 계통 운영은 ‘단위기기 발전 계획’에 따라 이뤄져 왔다. 어떤 발전기가 특정 시간에 얼마나 발전을 해야 하는지는 이미 모두 계획돼 있던 상태였다. 변동성 전원에 맞춰 소프트웨어적 관점의 계통운영방식, 시장체계와 백업설비 확보라는 하드웨어적 관점이 모두 갖춰져야 하는 이유다. 하루빨리 우리나라 신재생에너지 보급 체계가 자리잡을 수 있는 정책과 계통체계, 솔루션들이 체계를 갖추었으면 하는 바람이다.

 

Reference

1. 전기저널 [“에너지정책 뒷받침 할 전력시장 개선 필요”]

2.  에너지경제연구원 [180518_제17기 에너지고위경영자과정 8주차 1특강 발표자료.pdf]

3. 전기신문 [신재생에너지 간헐성이 뭐길래]

4.  https://blog.naver.com/bec5483/221123660009 [탈원전 17, 신재생에너지의 간헐성]

5.  솔라플러스 [미국 태양광 발전소 발전량 급변동 현상 덕 커브]

6.  서울신문 [‘들쑥날쑥’ 신재생 발전량, 통합관제시스템 만든다]