재생에너지의 효율적 운영을 위한 전력 시스템의 발판 유연성자원

재생에너지의 효율적 운영을 위한 전력 시스템의 발판 유연성자원

 

14기 이한주, 15기 김수연, 16기 이서준

 

 재생에너지의 도입은 에너지전환의 핵심수단으로 빠르게 이루어지고 있다. 초기 기후변화에 대응할 수 있는 수단으로 재생에너지의 보급은 확대되었으며, 꾸준히 보급이 이루어짐과 동시에 빠른 속도로 기술발전이 이루어져 최근에는 경제성 또한 확보하고 있다. 하지만 이런 재생에너지에도 치명적인 면이 존재하는데, 바로 변동성이다. 날씨 혹은 그 외 요인에 따라 생산되는 전력의 양이 상이한 것이다. 우리나라의 경우 일사량과 풍속조건에 의존하는 태양광과 풍력 위주의 재생에너지 보급이 이루어지고 있다. 이러한 누적설비용량 증가에 따라서 재생에너지의 변동적인 특성으로 전력계통이 불안정해지는 문제를 야기할 수 있다.

 안정적인 운영은 전력시스템의 운영에 있어서 가장 중요한 문제이다. 따라서 재생에너지의 공급을 높일수록 변동성을 극복하기 위해 전력시스템의 발전과 유연성의 증가가 필요하다. 여기서 유연성이란 전력계통을 운영함에 있어서 전력수급의 균형을 유지하기 위해 발전과 부하를 조절할 수 있는 능력이다. 이는 재생에너지의 변동성을 극복하기 위해 필수적으로 요구되며 재생에너지의 보급량이 증가할수록 그 중요성도 점차 증가할 것이다.
 지금까지 우리는 재생에너지의 보급률을 높이는데 집중을 했다. 하지만 어느 정도 재생에너지의 비중이 늘어난 현시점에서는 재생에너지의 효율적 활용에 대한 고민이 필요하다. 이에 본문에서 재생에너지를 효율적으로 운영하는데 있어서 현 전력시스템이 어떠한 문제가 있는지 다루고, 이를 해결하기 위한 대응책으로써 유연성 자원의 역할에 대해 알아보자. 

 

 재생에너지가 전력시스템에 도입되면서 현재 전력시스템은 과거에 존재하지 않았던 자원 및 고객 특성의 변화로 인해 한계가 나타날 것이다. 이러한 한계를 극복하고 재생에너지의 효율적 운영을 위해서 7가지 이슈에 대한 고려가 필요하다.

 첫 번째와 두 번째 문제는 ‘자기 발전의 소유권 배정’과 ‘자기 발전의 운영권 배정’이다.                                                                                          과거에는 다양한 이해관계자가 고려되지 않아서 문제가 되지 않았다. 하지만 앞으로 다양한 이해관계자가 등장함에 따라서, 각 설비에 대한 ‘소유권’과 보유와 상관없이 소비자 땅에 있는 여러 기기를 제어하는 ‘운영권’에 대한 기준이 명확히 필요하다. 예를 들어 특정 기기나 제어 관리 및 배전 선로에 있어서 누가 이득을 가져갈 것이고, 운영을 할 것인지, 그리고 비용분담을 어떻게 할 것인가와 같은 문제에 대해서 뚜렷한 기준이 필요하다.

 세 번째 문제는 ‘새로운 시스템 배급에 대한 비용분담’이다.                                                                                                                                          재생에너지를 보급하는 과정에서 새로운 변전소 설치 등 부가적으로 추가해야 할 시스템 구성 요소들이 많다. 설치 과정에서의 비용을 누가 책임질 것인가가 갈등의 요인이 된다.

 네 번째 문제는 ‘소규모 신재생에너지와 수요 자원의 가격결정’이다.                                                                                                                     소규모 신재생에너지나 수요자원과 같이 이전에 없던 새로운 시스템에 대해, 어떠한 측면에서 가격을 매겨야 하는가에 대한 명확한 기준이 준비되지 않고 있다. 현재는 수동적인 요금으로도 운영이 가능하다. 하지만 재생에너지와 수요자원이 늘어날수록 실시간 가치와 가격을 동일시하는 가격 결정이 이루어져야 변동성이 심한 재생에너지를 효율적으로 활용이 가능하다.

 다섯 번째 문제는 ‘New Player’로 인해 발생한다.                                                                                                                                                     기존의 소비자들이 소규모 신재생에너지로 발전으로 생산자의 역할도 동시에 하게 될 것이다. 이처럼 재생에너지가 도입되면서 새로운 참여자(New Player)가 늘어나며 새로운 시장형성이 불가피하게 요구될 것이다.

 여섯 번째 문제는 ‘Available Capacity’와 관련이 있다.                                                                                                                                             공급 가능한 자원인 설치용량(Installed capacity)은 기존의 전력시스템에 중요한 체계였다. 앞으로는 설치용량을 넘어서 재생에너지, 수요자원, 배터리, V2G(Vehicle to Grid)와 같은 요소가 Available capacity(가용용량)이 얼마나 되는지 측정이 필요하다. 또한 각각의 요소들의 가치를 계측하는 기준을 설정하고 가치에 해당하는 인센티브를 설정하여, 가격과 가치의 균형을 맞추는 것이 중요하다.

 마지막 문제는 ‘Controllable Resource’와 관련이 있다.                                                                                                                                               운영권을 가진 사람 별로 제어 가능한 자원이 얼마나 되는지에 대해서 고려하는 것이 필요하다.

 

 앞에서 언급한 7가지의 이슈들은 기존의 전력시스템 구조상으로는 해결하기 어려운 문제들이다. 우리나라의 기존 전력 단일 시스템은 위계적이고 일방적인 공급체계이다. 이러한 시스템은 재생에너지 도입 이후 효율적인 전력시스템 운영을 발목 잡는다. 재생에너지가 상용화되면 새로운 생산자(New Player)로 인해 다양한 접속이 발생할 것인데, 만약 기존 체계가 지속된다면 접속에 대한 정보가 전체 운영자에게만 치우쳐질 것이다. 다양한 정보의 조화로 실시간 가격을 결정이 필요한 새로운 운영 시스템에 부적합한 것이다.

 그러므로 기존 전력 단일 시스템을 넘어 전력시스템의 물리적인 운영과 시장에 판매되는 메커니즘에 대해 고민을 해보아야 한다. 이를 위해서는 어떠한 정보가 유용한 지에 대한 연구가 필요하며 Data Management Center가 활성화되어 새로운 전력공급체계의 구체화됨이 중요하다. 또한 새로운 체계 도입을 위해 공급체계 운영을 위한 스펙을 알아보는 Lesson learn을 해야 한다.  

 

 재생에너지 도입 이후의 문제를 해결과 관련하여 기저 부하의 개념(8760시간 동안 필요한 부하의 정도)을 바꿔야 한다는 의견도 있다. 기존의 기저발전은 설치비는 많이 들지만 변동비가 작은 (즉 공급안정성이 큰) 원자력이나 석탄발전을 이용했다. 하지만 환경과 사회적인 면을 고려하였을 때 재생에너지를 기저부하로 설정하고, 재생에너지 사용 후 부족한 부분을 다른 자원으로 조정해야 한다는 의견이다. 물론 재생에너지는 변동성이 크기 때문에 수요에 못 미치는 공급량을 제공할 수도 있다. 그렇기에 나머지 부하를 책임질 에너지원들은 유연성이 요구된다. 재생에너지가 기저자원의 개념이 된다면 유연성 자원이 예비력의 역할을 맡게 됨으로써 Available capacity를 탄력적으로 설정할 수 있고, 그에 따라 가격 결정도 유연성 자원 소비에 따라 고려해 볼 수 있을 것이다.

 현 전력계통의 문제점들을 해결하기 위해 구체적인 계획을 바탕 한 체계적인 기술의 도입도 좋은 방법이 된다. 한국과학기술기획 평가원의 김선교 박사가 구성한 전력산업발전단계 2012ver 중 일부는 다음과 같다. 1단계는 효율적인 공급망부터 구성, 1.5단계는 신재생에너지 소규모 보급, 2단계 실시간 요금제(RTP) 구현, 3단계 신재생에너지 대규모 보급이다.

 

[표 1. 전력산업 발전 단계(2012 ver)]

출처: 한국과학기술기획 평가원 김선교 부연구위원님 

 1단계인 효율적인 공급망의 구성이 크게 강조되었다. 공급체계에 대한 사전조치는 하지 않고 발전 용량만 매우 늘린다면 효율적인 생산이 이루어질 수 없다. Lesson Learn을 통해 공급체계 운영 최소 스펙의 가늠치를 확실시하고 공급체계를 구축하는 내용이다.
 2단계인 실시간 요금제(RTP) 구현은 실시간 가격이 가치와 가격을 일치시킴에서 의미가 있다. 우선 하루 전에 계획하는 Day-ahead Market(하루 전 시장)이 축소되어야 한다. 이후 문제 발생 여부 등 상황에 따라 전기의 가치가 상이해지고 이에 따라 실시간 요금제를 구현해야 한다. 문제가 발생할 경우, 유연성 자원을 통해 확보한 Available Capacity를 이용하여 실시간으로 해결하는 것이 가능해진다. 시행 초기에는 전력공급이 복잡해지고 운영이 어려워질 수 있지만, 5G와 IOT로 모든 운영 체계 구성군을 연결시키면 안정될 것이라 기대된다. 완전자율자동차 시스템이 완성됨으로써 자동차 실시간 문제가 된다면 전력 시스템 최적화 또한 같은 기술을 바탕으로 완비될 것이다. 3단계인 신재생에너지 대규모 보급은 1.5단계에서 신재생에너지 발전 용량을 늘리는 것으로 설치 정도에서만 차이가 난다.

 

 마지막으로 앞에서 언급한 모든 문제해결에 기여하는 것으로 유연성자원이 있다. 재생에너지의 효율적으로 운영을 위한 대응책으로 유연성자원은 필수요소이며, 이 유연성자원을 효율적으로 활용하기 위해 체계적인 제도의 준비 또한 필요하다.

 

[그림 1. 전력계통 유연성 개념]

출처: 에너지경제연구원

 재생에너지의 발전 계획량과 실제 급전량의 차이는 전력계통 운영 및 정산의 혼동을 야기한다. 이러한 불확실성을 줄이려면 재생에너지의 공급량 예측능력을 강화해야 하며, 공급자들에게는 수급 균형의 의무를 부여하고 출력제한을 요구해야 한다. 하지만 국내 전력시장에서는 전력산업발전단계 2012ver에서 언급한 실시간 시장이 마련되어 있지 않아 계획 발전량과 실제 발전량 차이에 대한 벌과금을 매기기 어려운 상황이다. 이에 대한 대책으로 이중정산시스템이 있다.

 이중정산시스템은 하루 전 시장에서 결정된 발전계획량에 비해 초과 또는 미달한 실제 발전량에 대해서는 실시간 가격으로 정산하는 시스템이다. 이 시스템을 이용해서 실시간 시장을 운영하면, 앞에서 말한 변동적 재생에너지의 규제가 가능해진다. 또한 실시간 시장 가격이 형성될 시에는 유연성자원이 그 가치에 합당하는 보상을 받을 수 있어 시장 시스템으로 유연성 자원의 경제성을 획득할 수 있다.
 DR(수요자원, Demand Response), ESS, 양수발전과 같은 유연성자원의 확보도 계속해서 이루어져야 한다. 이는 단순한 양의 확보를 의미하는 것이 아니다. 실제로 시장에 참여할 수 있는 유연성 자원을 확보하자는 의미이다. 지금의 정산방식으로는 유연성 자원은 시장에 참여하기 어려운 상황이다. 이들을 확보하기 위해서는 적절한 인센티브가 지급되어야 할 것이다. 가치에 합당한 가격을 부여하여 보조서비스에 대한 보상금액을 현실화하고 안정적인 보조서비스를 확보할 필요가 있다.

 

 우리나라에 유연성자원이 없느냐고 묻는다면, 유연성 자원의 양은 이미 준비되어 있다고 답할 수 있다. 하지만 그 유연성 자원을 잘 활용하고 있냐고, 혹은 활용할 수 있냐고 물었을 때 그렇다고 답할 수 있을지 의문이다. 유연성자원의 잠재적 가치는 매우 크다. 재생에너지를 공급할수록 유연성의 중요도와 필요성이 커질 수밖에 없다. 하지만 현재의 경직된 전력시장시스템 앞에서 유연성은 무색하다. 재생에너지, 유연성자원, 전력시스템 이 세 가지는 별도의 것이 아니라 함께 발전되어야 하는 것이다. 앞에서 언급한 전력시스템과 제도들의 개선이 이루어지지 않으면 유연성자원의 활용이 불가능하며, 유연성자원을 활용하지 못하는 것은 곧 재생에너지의 한계를 나타낸다. 재생에너지가 실질적인 빛을 발휘하기 위해서는 유연성자원의 활용 및 전력시스템의 개선 이외에도 많은 노력이 필요할 것이다. 에너지 전환을 목표로 삼은 만큼 신재생에너지의 확대 뿐만 아니라 유연성자원을 활용한 효과적인 전력시장운영도 기대해본다.

 

[참고문헌]

1. 김선교, 재생에너지 확대의 세부 쟁점- 유연성자원, 에너지기후정책연구소, 2019.7.30

2. 안재균, 신재생에너지 보급 확산을 대비한 전력계통 유연성 강화방안 연구, 에너지경제연구원, 2017.6 

3. 안재균, 전력계통 유연성 강화방안, 에너지경제연구원, 2018.3.30