분산재생에너지 중심의 미래 전력망을 위한 사고실험

 

무선통신은 초기에는 기존 유선통신의 보조적 역할을 했지만 이제는 유선통신망을 거의 사용하지 않고 무선통신만으로도 사람들이 불편 없이 생활할 수 있을 만큼 발달했다. 이런 이유로 유선통신망이 존재하지 않는 저개발국가의 어떤 지역에서 통신망을 새로 구축할 경우 유선통신망을 설치하지 않고 무선통신만으로 망을 구축하는 것이 효율적이고 저렴하다. 아프리카 많은 나라의 사람들이 무선통신으로 음성통신, 인터넷, 금융 등의 편의서비스에 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 유선통신망이 이미 구축되어 있던 나라에서도 유선망이 이제 거꾸로 무선통신을 보조하는 역할로 변모하였다. 

 

분산형 재생에너지를 기반으로 구축될 미래의 전력망을 구상하는 데 있어 기존 망을 어떻게 변화시켜야 할 것인가를 구상할 때 유무선 통신망의 변화를 참고해 볼 만하다. 

 

아직 전기가 미치지 않은 저개발국가의 오지에 전력 접근의 혜택을 부여하려 할 때, 이전에는 중앙집중식 전력 케이블을 원거리까지 포설해야 했지만, 지금은 태양광 패널 수 개 혹은 수백 개로 한 가구 혹은 한 마을의 전기 문제를 해결할 수 있다. 전기 문제가 해결되면 양수와 정수를 통해 깨끗한 식수를 쉽게 얻을 수 있고 지하수의 양수나 관개를 통해 농업도 발달시킬 수 있다. 이 전기를 이용해 교육과 문화에의 접근을 위한 무선통신망을 설치할 수 있다. 하지만 태양광 발전은 낮에만, 특히 맑은 날에만 충분한 전기를 얻을 수 있다. 한 가정을 위해서든, 한 마을을 위해서든 분산적 변동성 재생에너지원으로 독립적인 전력망을 구성하기 위해서는 에너지저장장치(Energy Storage System, 이하 ESS)가 필수적이다.   

 

각기 소규모 독립 전력망을 구성한 마을들은 각 마을별로 그 전력 구성이 다를 것이다. 태양광 패널 위주인 곳, 소수력 발전을 하는 곳, 바이오매스나 바이오가스를 사용하는 곳, 풍력 발전기를 설치한 곳, 혹은 그것 중 복수로 가지고 있는 곳 등 다양할 것이다. 이 마을들이 서로 연결하여 더 큰 전력망을 구성한다면 한 마을에서 남아도는 전기를 부족한 마을에서 사용할 수 있기 때문에 각 마을이 갖추어야 할 ESS의 총량은 줄어들 것이다. 여러 마을을 연결한 분산적 송배전망을 관리할 주체가 이때부터 필요해질 것이다. 이를 소규모배전계통운영자(micro-DSO, micro Distribution System Operator)라 부를 수 있을 것이다.

 

Micro-DSO들이 연결되고 여기에 대규모 전력소비자와 대규모 전력공급자가 결합하면 지역배전계통운영자(regional DSO)가 탄생할 것이다. 이런 지역배전계통운영자들이 결합하면 비로소 국가 차원의 송전망운영자(TSO, Transmission System Operator)가 탄생할 것이다.

 

전력망이 없는 국가에 분산재생에너지로 전력망을 구축해 나가는 사고실험을 통해 얻게 되는 미래의 전력망의 모습은, 현재 대규모 화석연료 기반 중앙집중식 송배전망을 가지고 있는 나라의 전력망을 점차 분산재생에너지 중심의 전력망으로 변환시키는 데 있어 좋은 시사점을 준다.    

 

 

 

미래 전력망의 실험장인 제주도와 재생에너지 출력제한

 

제주도는 2030년 이내에 재생에너지로 100% 전기를 충당하고 내연기관자동차를 모두 전기차로 바꾼다는 Carbon Free Island(CFI) 계획을 수립하여 시행 중이다. 제주도는 육지에서 상당한 거리가 떨어져 있어 송전용량이 제한된 직류고압송전선을 통해서만 외부에서 전력을 수급받고 나머지는 내부에서 조달해야 한다는 점에서, 규모만 다룰 뿐이지 현재 남한의 전력망이 처한 환경과 비슷하다고 할 수 있다. 남한의 전력망이 가까운 시일 안에 일본이나 중국 등 국제 전력망에 접속될 가능성이 크지 않은 만큼, 분산재생에너지 기반으로 전력망을 성공적으로 구축하기 위해서는 이보다 규모가 작지만 비슷한 상황에 처한 제주도의 CFI 계획의 성공 여부가 매우 중요하다.

 

 

 

2013년부터 본격 시행된 이 계획은 2020년 말 신재생에너지 발전비중이 16.2%에 그치고(MOTIE, 2021) 전기차 전환도 등록자동차 대수의 5%에 그치고 있다(카본프리 아일랜드 제주, n.d.). 그러나 신재생에너지의 이런 발전량에도 불구하고 전력 밸런싱이 어려워 재생에너지 발전에 출력제한을 시행하고 있고 해가 갈수록 그 빈도와 손실이 커지고 있다.

 

 

 

변동성이 특징인 재생에너지의 발전비중이 높아짐에 따라 고립된 전력망이 밸런싱에 실패하고 있음을 알 수 있다. 재생에너지 출력이 기저부하를 넘을 경우 출력제한이라는 손쉬운 방법을 사용하고 있지만 이는 귀중한 전기에너지를 허비하고 사업자 혹은 소비자에게 손실로 되돌아오게 한다.

 

육지로 역송전하는 방법도 있겠지만, 송전 장소인 서남해안은 향후 재생에너지 생산기지로서 여기서 생산되는 전기를 수도권으로 대량 송전할 예정임에 따라, 제주도에서 송전하는 양만큼 이 지역에 송전 부담을 안기게 된다. 이것이 제주도에서 생산되는 재생에너지 총량이 소비량보다 많아 잉여분을 송전하는 것이라면 의미가 있겠지만 그 전에 밸런싱 기능을 육지에 송전함으로써 해결하려 하는 것은, 애초에 고립된 전력망에서 재생에너지만으로 밸런싱을 이루어 미래 우리나라 전력망 구축의 전초라는 과제를 방기하는 결과를 낳게 된다.

 

이런 이유로 에너지공동체, 가상발전소, 마이크로그리드 등을 기반으로 하는 미래 분산형 전력망의 기초가 되는 에너지저장장치의 역할을 알아보고 그것이 이런 고립 전력망 밸런싱에 어떤 기여를 하는지 알아볼 필요가 있다.

 

전력망의 시간 및 공간과의 관계 – 밸런싱과 계통효율성

 

화석연료, 수력, 원자력을 이용한 기존 전력망에서 전기생산의 시간과 공간의 문제는 해결하기 어렵지 않았다. 기저부하, 추종부하, 첨두부하를 담당할 전력원을 설치하여 전력의 소비에 맞추어 각각의 발전소에서 전력을 생산했다. 원격지로부터의 송전을 최소화하기 위해 가능하면 소비지에 가까운 곳에 발전소를 두었다. 우리나라에서는 장소 제약을 받는 수력과 원전만이 소비지와 크게 상관없이 개발되어 송전선로 만드는 데 애로를 겪었을 뿐이다.

 

재생에너지 전력망에서는 태양광과 풍력과 같은 변동성 발전원은 많은 데 비해 수력, 바이오매스, 바이오가스 등 유연성 발전원은 적기 때문에 발전의 시간과 장소가 매우 중요하다. 햇빛이 비치는 시간과 바람이 많이 부는 시간이 꼭 에너지의 수요와 일치하는 것은 아니다. 변동재생에너지원의 전력 비중이 커지면 전력 소비와 생산을 일치시키는 밸런싱은 어렵고도 중요한 과제가 된다. 

 

한편 태양광발전의 적지는 소비지와 일치하지 않는다. 토지가격이 저렴해야 하고 햇빛이 좋아야 하기 때문이다. 토지가가 비싼 우리나라로서는 태양광발전의 적지는 전력소비가 적고 송배전망이 충분치 않은 곳일 확률이 높다. 육상풍력으로 한계가 있는 우리나라의 특성상 필수불가결하게 확충해야 할 해상풍력을 위해서 송배전망을 새로이 설치해야 한다. 그리고 기존 송배전망은 시간에 따른 전력수송량이 크게 차이가 나지 않아 효율적이지만, 태양광과 풍력은 최대전력에 맞추어 송배전망을 설치해야 하지만 전력 수송량은 시간에 따라 달라 효율성이 좋지 않다. 

 

재생에너지원으로 구성된 고립된 전력망에서는 기존 전력망보다 밸런싱은 어려워지는 한편 송배전망의 효율성도 떨어지는 문제에 직면하게 된다. 지금 재생에너지 비중이 얼마 되지 않는 제주도가 이미 이런 문제를 맞닥뜨리게 되어 발전량의 일부를 차단하는 방법을 사용하고 있다. 이는 가장 쉽지만 가장 비싼 해결책이다.

 

재생에너지로 구성된 고립 전력망에서 에너지저장장치는 필수적이다

 

한 가정이 태양광발전만으로 고립된 전력망을 구축하려 한다면 에너지저장장치는 필수이다. 배터리를 이용한 ESS가 가장 효율적일 것이다. 규모를 넓혀 1,000 가구 정도가 사는 고립된 섬을 재생에너지로 전력망을 구축할 경우, 태양광에 풍력발전까지 도입한다면 변동성을 줄일 수 있어 평균 ESS 필요 용량을 줄일 수 있을 것이다. 

 

이보다 넓은 1만 가구가 넘는 고립 전력망을 구축하려면 태양광, 풍력 등의 변동성 재생에너지 이외에 소수력, 바이오매스, 바이오가스 등 유연성 재생에너지 발전원을 도입하는 것이 평균 ESS 필요 용량을 더 줄일 수 있을 것이다. 만약 제주도와 같이 10만이 넘는 가구와 많은 상업 및 산업시설이 있는 섬의 고립 전력망을 구축하려면 앞의 경우 이외에 그린수소를 이용한 연료전지 발전시설을 설치하고 고압직류송전을 통해 본토 전력망과 연결하는 것이 필요 ESS 용량을 더 줄일 것이다.

 

중요한 것은 1인 가구 전력망에서 수십만 가구 전력망까지 전체 전력량에서 차지하는 ESS 용량 비율은 줄어들지만 절대량은 증가하고 필수적이라는 사실이다.    

 

그럼 현재 전력망에서 밸런싱과 계통효율화을 위해 ESS가 어떻게 사용될 수 있는지 알아보기로 하자.

 

 

위의 표는 재생에너지만으로 전력망을 구성하면서 필요한 두 가지 중요과제, 즉 밸런싱과 계통효율성을 위해 필요한 서비스와 가용자원을 정리했다. 여기서 가용자원은 재생에너지원으로 구성된 자원만을 뜻한다.

 

유연성발전기는 재생에너지원 중에 수요에 따라 출력 조정이 가능한 수력, 바이오매스, 바이오가스, 그린수소 혹은 그린메탄 등을 사용한 연료전지나 가스터빈발전소 등을 뜻하며, DR(Demand Response, 수요자원)은 필요에 따라 전력의 사용을 줄이거나 늘릴 수 있는 자원을 뜻한다. DR에는 ESS를 활용한 것은 제외되고 스마트가전, 생산량 조절과 같이 전력망의 필요에 따라 전력사용을 줄이거나 늘릴 수 있는 것이 포함된다. 변동성 재생에너지는 태양광과 풍력처럼 그 출력을 임의로 조절할 수 없는 에너지원을 뜻한다.

 

시간혼잡완화는 특정 송배전망에 물려있는 발전기의 생산량 총량이, 그 송배전망이 운송할 수 있고 운송해야 하는 총량을 넘지 않지만 변동성 재생에너지원의 발전량을 시간적으로 제어할 수 없는 것으로 인해 일시적으로 송배전 허용량을 넘는 경우에 이를 완화하는 것을 의미한다. 

 

공간혼잡완화에는 특정 지역에 송배전 혼잡이 발생하거나 발생할 우려가 있을 경우 혼잡이 일어나지 않은 지역으로 발전소를 이전하는 방법, 그리고 공간혼잡이 발생한 지역에서 이를 ESS와 DR를 활용해 시간적으로 송배전량을 조절하는 방법이 있다.  

 

위의 표에서 보듯이, 재생에너지만으로 구성된 전력망의 두 가지 숙제인 밸런싱과 계통효율성의 해결을 위한 모든 서비스에 ESS가 활용될 수 있음을 알 수 있다. ESS로는 배터리와 양수발전소가 대표적이고 기타 압축공기저장, 플라이휠, 공기액화저장 등이 있고, 광의로는 그린 수소, 그린 메탄 등도 포함된다. 우리나라는 리튬이온전지 기술이 발달하여 있고 생산기반이 좋은 만큼 배터리 ESS 확충에 유리한 위치에 있다. 그리고 출력조절이 어려운 원전의 심야전기를 저장하기 위해 주로 개발된 양수발전소가 이제 재생에너지 전력망 밸런싱에 사용될 자원이 되었다. 양수발전소의 추가 설치가 환경적 부담과 주민 수용성 문제를 안고 있는 만큼, 대규모 양수발전소에만 주력할 것이 아니라 이미 설치된 저수지 혹은 댐 등을 새로운 양수발전소 자원으로 활용하는 것도 생각해 볼 수 있다. 

 

이처럼 재생에너지의 확충을 위한 ESS의 중요성이 부각되면서 우리나라에서는 2015년에 태양광 및 풍력 연계 ESS에 REC를 4.5~5.5 배수로 부여하는 RPS 제도가 마련되어 태양광발전소와 풍력발전소 종단에 장착되는 ESS가 급격하게 증가하기 시작했다. 그러나 REC 가격이 급격히 하락하고 설치한 ESS에 화재가 빈발하면서 2018년을 경계로 ESS 설치에 급격히 제동이 걸리기 시작했다. 또 2020년 하반기부터는 REC 배수도 4.0으로 줄어들었다.

 

 

 

 

제주도의 경우 현무암 지대의 특성상 양수발전소 설치가 어려운 점을 고려하면 배터리 ESS의 설치량 감소는 제주도 전력망 유지에 적신호가 켜졌다고 보아야 한다. 

 

지금까지 재생에너지 연계 ESS는 주로 태양광발전소와 연결되어 있었다. 이 ESS의 또 하나의 문제점은 밸런싱을 위해 전력중계소와 스마트하게 연계된 것이 아니라 출력시간이 정해져 있어 밸런싱에 한계가 있다는 점이다. 태양광의 경우는 출력시간이 낮으로 한정되어 있어 그 연계 ESS의 출력시간을 고정을 해도 크게 문제가 없지만, 풍력발전의 경우는 출력시간이 하루 24시간 가능하기 때문에 연계 ESS의 경우 전력중계소의 밸런싱 기능과 반드시 스마트하게 연결되어 있어야 한다. 더구나 다른 지역과 달리 제주도는 풍력발전 비중이 태양광보다 높다. 이 경우 풍력연계 ESS의 스마트 기능은 재생에너지의 밸런싱과 계통효율화에 크게 기여하는 한편 출력제한을 최소화할 수 있을 것이다. 풍력발전 연계 ESS의 대량 보급되어 있고 스마트하게 작동한다면 남아도는 전력을 ESS에 실시간으로 저장하여 밸런싱을 이를 수 있게 할 것이고, 특정 지역에서 전력을 과다 생산되어 송전제한이 필요한 경우 이를 ESS에 저장하고 다른 지역에 저장된 ESS로부터 재급전(redispatch)을 지령할 수 있어 전력계통의 효율화도 올릴 수 있을 것이다. 

 

 

 

ESS의 역할과 그 확대를 위한 조건

 

제주도의 출력제한 사태를 분석함으로써 이 지역에 ESS가 재생에너지와 연계되어 충분히 설치되어 있고 이 장치들이 전력중계소와 실시간으로 스마트하게 연결되어 있었다면, 전력의 밸런싱과 송배전망의 효율화를 위해 기여함으로써 이 사태를 회피할 수 있었다는 것을 알 수 있었다.

 

ESS는 재생에너지만으로 구성되는 전력망의 규모와 상관없이 전력의 소비와 생산의 균형을 맞추는데 핵심적으로 역할을 하면서, 기타 전력망 유지에 사용되는 거의 모든 서비스에서 전통적인 방법을 대체할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 그런 의미에서 향후 재생에너지 비중이 늘어날수록 ESS 용량이 더욱 확충되어야 하는 만큼, 현재 제주도에서 출력제한 문제를 해결하기 위해 ESS 용량을 크게 늘리는 것은 어떠한 경우도 지나친 것은 아닐 것이다.

 

그러므로 재생에너지 전력망 구축에 일차적으로 배터리와 양수발전소로 이루어진 ESS를 확충하고 점차 유연재생에너지원을 개발 확대해야 할 것이며, 마지막으로 재생에너지의 계절적 간헐성을 커버하기 위해 에너지변환기술(Power to Gas, 수소, 메탄, 암모니아)을 발전시켜야 할 것이다. 

 

제주도뿐만 아니라 우리나라 전체가 범하고 있는 오류는 이 순서가 잘못되어 있다는 것이다. 전 사회적으로 수소경제에 총력을 기울이고 있다. 그린수소는 재생에너지가 충분히 많이 생산되어 남아도는 계절에 수소 등으로 변환하여 저장했다가 부족한 계절에 사용하는 기술로 재생에너지 비중이 절반이 넘어가는 마지막 단계에서 필요한 기술이다. 재생에너지 비중이 높지는 않지만 출력제한을 해야 할 만큼 순간적으로 출력이 초과하는 상황에서 가장 먼저 확충되어야 할 것이 ESS이다. 현재 제주도의 문제는 이 순서를 지키지 못한 것에서 일차적으로 연유하고 이차적으로는 그나마 존재하는 ESS가 중앙 밸런싱과 실시간으로 스마트하게 연결되지 않은 데에서 연유한다.

 

ESS의 용량 및 그 역할을 확대하기 위해서는 기술적으로, 시장 방식에서, 그리고 사업조직 면에서 많은 변화가 있어야 한다. 스마트하게 작동하는 ESS 기술, 전력 수급에 따라 실시간으로 변하는 전기 가격과 요금, 그에 따라 반응하는 각종 전력장치 기술, 이러한 기술과 시장을 가능케 하는 사업체의 성격과 방식의 변화 등은 다음 주제로 다뤄질 것이다.

 

참고문헌

 

국토환경연구원. (2020). 소규모중개사업 활성화 방안 도출. 한국에너지기술연구원.

양철민. (2021, 4월 26일). '신재생 핵심' ESS시장이 쪼그라든다. 서울경제.

https://www.sedaily.com/NewsVIew/22L8HOBDNQ

이상복. (2018, 11월 26일). 제주도 재생에너지만으로 전력수요 50% 충당. 이투뉴스.

https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=204758

이상복. (2020, 10월 22일). ESS 설치사업장 436곳 '아직 가동중단'. 이투뉴스.

https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=227064

저탄소정책과. (2020). 2019년 신재생에너지원별 보급현황. 제주특별자치도.

https://www.jeju.go.kr/open/open/iopenboard.htm?category=1099&act=view&seq=1242544

정현우. (2019). 용도별 에너지저장장치(ESS) 경제성 검토. KEMRI 전력경제 Review, 2019(18), 1–8.

정환보. (2020, 12월 29일). 친환경 에너지 유망산업서 고사 위기에 내몰린 ‘ESS 업계’. 경향비즈.

http://biz.khan.co.kr/khan_art_view.html?artid=202012292206005&code=920501

카본프리 아일랜드 제주. (n.d.) CFI 소개. 제주특별자치도.

http://www.jeju.go.kr/cfi/intro/vision.htm

최근주. (2021, 4월 19일). “올 제주도 재생E 출력제한 역대 최대치”…손실보전 방안 ‘아직’. 전기신문. https://www.electimes.com/article.asp?aid=1618808359215897097

IRENA. (2020). System Operation: Innovation Landscape briefs. 2020.

Lee, J., Lee, J., & Wi, Y.-M. (2021). Impact of Revised Time of Use Tariff on Variable Renewable Energy Curtailment on Jeju Island. Electronics, 10(2), 135.

MOTIE. (2021). 분산에너지 활성화 추진전략. 산업통상자원부(MOTIE).