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전력 효율 극히 낮은 신재생에너지, 그래도 가야할 길이라면 전용 고속도로부터 만들어야

장길수(고려대학교 전기전자공학부 교수)

2020.10.13

신재생에너지 확대에 따르는 문제 많아
산업계 전반에 큰 영향 미칠 것

전 세계적인 기후 변화에 대응하기 위해 전력 분야에서도 신재생에너지원의 보급이 크게 확대되고 있다. 한국 정부도 장기 에너지 계획을 통해 신재생에너지원의 보급 목표치를 지속적으로 올리고 있다. ‘신재생에너지 3020’ 정책에 따르면 신재생에너지원의 비중은 2030년까지 전체 발전량의 20%까지, 현재 수립 중인 9차 전력수급기본계획에서는 2034년까지 최대 40%까지 늘어날 전망이다. 이를 달성하기 위해서는 신재생에너지 발전 설비 용량을 2030년까지 58GW, 2034년까지 78GW로 늘려야 한다. 이는 우리나라 전체의 평균 전력 수요(64GW/2019년)에 맞먹는 수준이다. 이 계획이 실현된다면 한국은 신재생에너지가 불러올 엄청난 변화에 직면하게 될 것이다. 현재 신재생 에너지 확대에 따라 예상되는 문제들이 적지 않다.

<문제 1>
신재생은 화력에 비해 전압 안정화에 취약
세계 최고의 전기 품질을 유지할 수 있을까?

한국은 주파수 유지율 99.9%, 전압 유지율 99.9%, 호당 정전 시간 8.59분으로 세계 최고 수준의 전기를 공급하고 있다(2018년 기준). 여기에는 높은 수준의 송배전 인프라와 함께 석탄, 원자력, LNG 등 제어 가능한 발전소의 역할이 크다.


60헤르츠의 주파수를 유지하기 위해서는 전력의 공급과 수요가 균형을 이루어야 한다. 이 균형이 깨지면 주파수가 규정 범위를 넘나들게 되고, 결국 전력 계통이 정상적으로 역할을 할 수 없게 된다. 수요에 맞게 공급을 조절하는 것이 핵심이다. 그런데 수요-공급 흐름에 맞춰 전력 생산량을 조정하는 데 최적화된 발전원이 화력발전이다. 또한 발전소는 다양한 보조 서비스를 제공한다. ①전압을 일정하게 유지하기 위해 필요한 무효전력 확보 ②전력 수요와 공급의 평형 조건이 깨진 상황에서 전력 계통의 급격한 주파수 변동을 방지하는 회전기 관성 ③낙뢰 등으로 인한 고장 상황에서 전압을 유지해 줄 수 있는 단락 용량 등이다.


문제는 변동성이 심한 신재생에너지는 전력 생산량 조정이 힘들 뿐만 아니라 무효전력, 관성 등 각종 보조 서비스도 제공하기 힘들다는 점이다. 즉, 주파수와 전압 안정화에 기여하기보다는 문제를 일으킨다고 할 수 있다. 소비자가 직접 사용하는 유효전력만 공급하는 신재생에너지가 기존 발전기를 대체하면 전력 계통의 리스크 관리를 위한 추가 설비가 반드시 필요하게 된다.

<문제 2>
실효 발전량 보다 최소 6배 이상의 설비가 필요
낮은 설비 효율을 어떻게 높일 것인가?

발전기가 생산한 전기를 소비자에게 전달하기 위해서는 전력망, 변전소, 송전선 등의 다양한 전력 설비들이 건설되어야 한다. 추가되는 전력 설비의 규모는 통상 추가되는 발전기가 최대로 낼 수 있는 정격 용량을 기준으로 결정된다. 이때 설비의 효율성을 가늠하는 것이 ‘피크 기여도’라는 개념이며, 이는 최대 전력 수요가 발생하는 시점에 발전기가 자체 정격 용량의 몇 %를 낼 수 있는지를 표시한다. 석탄, 가스, 원자력 발전소는 피크 기여도가 100%다. 그러나 태양광과 풍력 등 대표적인 신재생에너지는 15%에 불과하다. 2030년을 예로 들면 신재생 전원의 설비용량은 58.5GW지만 피크 기여도를 기준으로 산정한 실효 용량은 8.8GW에 불과하다. 단순화하자면 8.8GW를 생산하기 위해 58.5GW에 해당하는 송배전 설비가 필요하는 의미다. 이는 우리나라 송배전 설비의 절반 규모에 해당한다. 엄청난 비효율이라 할 수 있다.


막대한 비용과 노력도 문제이지만, 전력 설비에 대한 사회적 수용성이 낮아 설비 건설의 지연도 불가피하다. 최근, 해상 풍력 발전에 대한 정부의 지원 정책으로 다수의 해상 풍력 프로젝트 계획이 발표되고 있고 해상 풍력 단지의 특성상 풍력 단지의 규모가 커질 수밖에 없다. 이러한 대규모 풍력 단지를 교류 전력 계통에 접속할 경우 대규모 단지의 변동성 전력에 의한 전력 계통에서의 큰 부작용이 예상된다. 따라서 재생에너지원이 대규모로 보급되는 환경 하에서도 전력 계통이 역할을 다하기 위해서는 변동성 전원 특성에 맞는 새로운 전력 인프라 구축이 필요하고 이에 대해 몇 가지 제안을 하고자 한다.

<제안 1>

대규모 신재생에너지 단지를 위한 제안: 신재생에너지 전용 고속도로, “서해안 DC 그리드”를 건설하자

서해안 DC그리드

별도의 DC그리드 접속망 건설해야


신재생 자원 환경과 기술 수준을 고려할 때 우리나라에서 신재생에너지원 보급 환경이 우수한 곳은 제주, 전남, 전북 등 일부 지역에 한정되어 있다. 생산한 전력은 그 지역에서 소비하는 것이 최선이다. 하지만 신재생 자원이 집중된 지역에서 잉여 전력이 클 경우 우리나라 전기 수요의 절반이 집중된 수도권 지역으로 송전할 수밖에 없다. 이를 위해 가장 효과적인 방법은 전남과 전북에 신재생 발전 단지를 최대 가능 규모로 개발하고 여기서 생산된 전력을 기존 전력망을 통하지 않고 수도권으로 바로 보내는 방법이다. 지금처럼 분산된 풍력과 태양광 발전 설비와 풍력 발전 설비를 개별적으로 기존 전력망에 접속할 경우 많은 지역에서 주민 반발이 일어나 사업이 지연될 수밖에 없고 신재생에너지의 생산 전력이 지나는 선로는 이용률이 낮더라도 추가로 건설할 수밖에 없다. 즉, 전남의 태양광 발전소에서 생산한 전력이 수도권으로 갈 경우 해당 전력이 전송되는 전체 경로의 선로는 해당 발전소의 설비 용량 기준으로 환산된 일정량의 선로 증설 또는 신설을 해야 한다. 게다가 변동성이 큰 신재생에너지 접속으로 기존 AC 전력망이 교란될 리스크도 커진다.


그보다는 기존 전력망과 전기적으로 분리된 하나의 대형 송전선로를 설치하여 여기에 대규모 신재생 발전 단지들을 접속하는 것이 여러 문제들을 해결하는 효율적인 방법이다. 서해안 해상 풍력 단지, 전남의 대규모 태양광 발전 단지, 새만금의 태양광과 풍력 단지의 연계를 통해 신재생에너지를 전력 수요 지역으로 송전하는 일종의 전력 고속도로인 ‘서해안 DC 그리드’를 제안하는 이유다.

DC 그리드는
신재생의 변동성, 설비 비효율성 문제를 해결

이렇게 하면 우선 개별 신재생 발전기들 간의 변동성 차이가 하나의 그리드에서 상보적으로 수렴되어 변동성이 상당 수준 완화된다. 그리드는 멀티 터미널 구조로 되어 있어 각 터미널에서 전기를 받고 싶은 만큼 받고, 보내고 싶은 만큼 보낼 수 있다. 각 컨버터의 제어를 통해 개별 신재생 발전기의 변동성도 보상할 수 있다. 그리고 양수 발전설비를 연계하여 잉여 발전량을 저장하였다가 필요한 시기에 공급하면 전력 수요 지역에서 필요한 양의 전력을 일정하게 공급할 수 있다. 무엇보다 기존의 AC 전력망과는 비동기 연계되기 때문에 대규모 재생에너지원의 변동성에 따른 기존 전력계통에의 영향을 근원적으로 제거할 수 있다. 게다가 공용 선로의 설비용량은 개별 신재생 발전기들의 정격 용량을 산술적으로 합친 것보다는 훨씬 낮은 수준으로 정할 수 있다. 현재 계획된 신재생에너지 사업을 근거로 최대 22GW까지의 신재생에너지는 7.41GW 용량의 서해안 HVDC 그리드로 접속 가능하다. 이로써 피크 기여도와 정격 용량의 차이로 발생하는 신재생 발전 설비의 고질적인 비효율성도 최소화된다.

전압형 HVDC를 사용하면
주민 수용성 문제 해결하고
여타 송전망과 연계성 강화

전압형 HVDC를 사용하므로 공용 선로는 해저나 지중 케이블로 깔 수 있어 주민 반발을 완화할 수 있다. 전압형 HVDC에 접속되는 신재생 단지는 정전 발생 시 자체 해결할 수 있는 블랙스타트 기능, 변환 설비의 무효 전력 조정 기능 등을 추가로 얻어 리스크 대응력도 향상된다. 다수의 연계점을 통해 다양한 전력 수요지에 위치한 ‘RE 100’ 참여 기업에게 신재생에너지원의 직접 공급도 가능하다. 또한 현재 제주도 신재생에너지원의 발전 출력 제한을 완화하기 위하여 육지와 제주 사이 HVDC 역송을 고려 중인데 이 과정에서 발생 가능한 부작용과 중국과의 전력망 연계 시의 문제점도 서해안 DC 그리드로 연계하여 줄일 수 있다. 한마디로 서해안 DC 그리드는 정부 정책에 따른 우리나라 전력 계통에서의 장단기 계획을 포괄적으로 실현할 수 있는 다용도 인프라 솔루션이며, 현재 일부 지역에서 발생하는 재생에너지 발전 출력 제한 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방안이다.

cf. RE100
기업활동에 필요한 전력을 100% 재생에너지로 사용하겠다는 세계적 캠페인. 2020년 6월 기준으로 전세계에서 235개 글로벌 기업들이 참여를 선언했다. 구글, 애플 등 30여개 기업은 이미 ‘RE100’을 달성했다. 우리 IT 기업들이 세계에서 경쟁하기 위해서는 ‘RE100’이 필수가 될 전망이다.

물론 해저 케이블과 변환 설비 등으로 큰 비용이 소요된다. 정확한 비용 산정에는 상세한 검토가 필요하지만 대체로 10조원 정도일 것으로 예상된다. 하지만 대규모 변동성 전원이 전력 계통에 접속되면서 발생하는 추가 설비 비용과 직간접적인 피해 비용, 그리고 변동성 발전기의 부족한 성능을 변환 설비로 보완하여 제어 가능한 발전원으로 활용 가능한 효과 등을 고려하면 충분히 경제성 있는 대안이다.


남는 문제는 누가 이 사업을 진행할 것인가이다. 현재로서는 법률상 발전 사업자를 위한 접속 설비를 한전이 부담할 수 없다. 그러나, 이미 신재생에너지로 인한 공용 전력망 등의 전력 설비 보강 비용을 한전이 부담하고 있는 상황이고, 이 사업을 통해 해당 숨은 비용을 줄일 수 있다. 따라서 정부가 정책 전원을 수용하기 위해 필요한 전력 인프라 구축의 책임이 있으므로 공적 기금을 통해 건설하거나 한전이 먼저 인프라를 구축하고 추후 접속되는 신재생 발전 사업자들로부터 접속 비용을 받는 방법을 고려해야 할 것이다.

<제안 2>
신재생에너지원 접속 변전소(Dispatchable Hub-Station)를 만들자


신재생에너지원은 154kV 이상의 송전망에 접속되는 대규모 발전 단지와 배전망에 전용 또는 공용으로 접속되는 소규모 전원으로 구분된다. 전자가 일종의 도매용 네트워크라면 후자는 소비자와 직접 연결된 소매용 네트워크다. 대규모 발전 단지는 전체 전력계통의 운영자가 출력을 예측하고 제한된 급전 지시를 하고 있다. 문제는 최근 접속이 늘고 있는 신재생에너지원의 대부분이 배전망에 연결되는 소규모 전원들이라는 점이다. 이들은 전용 선로에 접속되는 일부를 제외하고는 전력계통 운영자가 발전 출력의 예측이나 제어를 할 수 없는 상황이다. 발전 출력 예측과 제어가 힘들고 리스크 관리를 위한 보조 서비스도 제공하지 않는 변동성 신재생에너지원이 기존의 제어 가능한 발전 자원을 대체하면서 전력계통의 운영은 더욱 힘들어 지고 시스템의 안정성도 더욱 떨어지게 된다.

변전소에 발전소 기능을 결합하는 발상의 전환


이러한 문제점을 극복하기 위하여 변동성 재생에너지원이 많이 접속된 변전소에 전기를 저장하고 보낼 수 있는 발전소 기능을 추가하는 발상의 전환이 필요하다. 기존 변전소의 주된 기능은 송전선을 통해 도착한 초고압의 전기를 최종 소비자가 사용 가능한 저전압 전기로 바꾸는 것이다. 전압 변동성은 제한적으로 조정할 수 있지만 재생에너지원에 의한 유효 전력 변동성을 조정할 수 있는 기능은 없다. 다수의 소규모 신재생에너지 발전기들이 불규칙하게 생산한 전력을 한데 모으고 에너지 저장 장치를 활용하면 제어 가능한 발전기처럼 동작할 수 있어 전체 전력 계통에서의 변동성 문제를 해결될 수 있다. 전력계통 운영자가 변전소에 발전기처럼 급전 명령을 내릴 수 있는 ‘급전 가능한 신재생에너지원 접속 변전소’를 제안하는 이유다. 발전소 역할을 하는 이 변전소는 소비자에게 연결되는 배전망에 변동성이 영향을 주지 않도록 중간에서 제어하는 버퍼링 역할을 담당한다.

예비 공급 능력도 확보하고 전력 자급 지역도 구현
한전의 고유 업무를 확대할 필요


전력 변동성 조정을 위해 변전소에 접속된 신재생에너지원의 총 설비 용량에 비례하는 에너지 저장 장치가 필요하다. 그리고, 기존 변전소에 전력 변동성 조정 기능을 추가하는 동시에 전압 조정 능력도 강화해야 한다. 전압 조정 능력은 배전용 무효전력공급원 등을 추가로 설치하여 강화할 수 있다. ‘급전 가능한 변전소’를 통해 전력 계통 운영자 입장에서는 심지어 예측하지 못한 이상 기후가 발생한 경우에도 해당 변전소를 통해 접속된 신재생에너지원 변동성에 따른 불확실성을 미연에 대처한 후 전체 전력 계통을 운영할 수 있다. 또한 변동성 전원에 따른 전력 계통의 추가 예비 공급능력 확보 부담을 줄일 수도 있다. 나아가 이러한 변전소들을 전체 배전망 부하의 제어 수단으로 활용하고 이들을 DC로 연계하면 해당 지역 내에서 전력 수요와 공급이 균형을 이루어 재생에너지원이 가지는 지역적 가치를 극대화할 수 있는 전력 자급 지역을 구현할 수 있다. 다만 변전소에 발전 기능을 추가 업그레이드하는 것이 송배전 회사인 한전의 역무를 벗어난다는 문제가 있다. 변동성 전원 확대로 인한 새로운 전력 산업 환경에 적합하도록 각 기관별 고유 업무의 조정이나 포괄적인 해석에 대한 사회적 합의가 필요한 시점이다.

<결론>

자동차 산업에 고속도로 필요했듯
신재생에너지에 별도 인프라 필요

전력망, 유무선 통신망, 상하수도망, 도로망 등 네트워크에 기반한 여러 산업 중 가장 엄격한 운영 규제를 받는 것이 전력망이다. 통신 장애, 도로 체증, 단수는 심각한 불편을 주는데도 큰 문제로 취급되지 않지만 민간 변압기 문제로 인한 아파트 단지 정전도 TV 뉴스에 나올 정도의 사건이 되고 있다. 정전 없이 언제나 사용 가능한 전기를 공급하기 위해서는 변동성 자원 증가에 따른 전력계통의 운영 불확실성을 해소할 수 있는 새로운 개념의 전력 인프라 구축이 필요하다. 지난 5년간 절대적인 수치는 미미하지만 신재생에너지원의 발전량 비중은 2.4%에서 5.5%로 2배 정도 증가하였는데, 이는 변동성 자원의 부족한 성능을 다른 발전 자원들이 추가로 보상해 주었고 전력 설비에서의 여유 용량이 존재했기에 가능한 것이었다. 공격과 수비를 다 할 수 있는 선수를 공격만 하는 선수(신재생에너지)로 계속 교체해야 하는 상황에서 교체되지 않은 선수가 수비를 더 하게 하는 방법은 한계에 다다랐다. 이제 부족한 수비 능력을 채울 획기적인 대책이 필요하다. 자동차 산업을 일으키기 위해 고속도로가 필요하듯 신재생에너지 사업 활성화를 위해서는 개별 신재생 사업을 지원하는 것보다 신재생에너지 확대의 장벽을 해소할 전력 인프라 건설이 우선되어야 한다. 에너지 전환을 성공적으로 달성하기 위해서 정부는 그린 뉴딜과 같은 정부 주도 사업을 통해 친환경적인 전기 생산을 위한 전력계통 인프라 확충을 추진해야 한다. 그리고, 이를 위한 합리적인 비용 부담 방안을 마련하여 신재생법 시행령 제18조 11에 따라 신재생에너지원 공급에 따른 의무 비용을 전기 요금에 반영하여 지속 가능한 투자가 이루질 수 있도록 해야 한다. 10년 후 우리나라 전력 계통의 모습은 현재의 제주 전력 계통 상황에서 미리 볼 수 있고, 사전에 대비하지 않으면 현재 제주 계통에서의 여러 문제점을 육지 전력 계통은 더 심하게 겪게 될 것이다. 특성이 달라진 전력 계통은 체질이 달라진 몸과 같아서 예전에 처방했던 약이 아닌 새로운 약이 필요하므로 이제는 새로운 전력 계통 신뢰도 유지 기준과 규제, 전력 시장, 신재생에너지원 보급 정책 등이 필요하다. 전기를 사용하는 소비자들도 이상 기후로 인한 피해를 막기 위해 친환경적인 전기를 사용하겠다고 동의하면 기꺼이 그에 따른 비용을 부담하고 새로운 환경 하에서의 전기 사용 형태에 적응해야 한다.


현 정부의 그린뉴딜은 신재생에너지 기반을 대대적으로 확충하는 내용이 핵심이다. 여기에 ‘DC그리드’가 빠진 데도 나름의 이유가 있을 것이다. 하지만 나는 정부의 여러 관계자들이 서로를 믿다가 이 문제를 간과한 게 아닌가 생각한다. 정부, 특히 산업부는 접속과 전력망 문제는 한전이 잘 해결할 것이라고 생각하고, 송전회사 한전은 발전원 접속 설비 건설의 책임이 없다고 생각하고 공용망 보강은 지금 고려하지 않아도 된다고 생각할 수 있다. 만약 상황이 그렇다면 이 DC그리드 건설 문제를 본격적으로 논의해서, 신재생에너지 구축의 길이 잘못된 길로 새지 않도록 했으면 한다.


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