<그림 1> 효율적인 산업구조 재편을 통한 재생에너지 공급
※ CCUS : Carbon Capture, Utilization and Storage
우리의 일상생활에서 탄소를 가장 많이 발생시키는 분야는 전력부문이지만 산업의 생산활동, 수송, 건물의 난방 등에서도 많은 탄소를 배출하고 있다. 이 중에는 전기에너지로 직접 대체가 가능한 부분도 있지만 수소를 통한 대체가 가능한 분야, 그리고 탄소가 배출되지 않으면 안 되는 산업공정도 있다. 따라서 탄소중립은 전기에너지뿐 아니라 사회전반에 걸친 생산 활동이나 우리의 일상생활에서 에너지 사용을 억제하고 절약하는 것이 무엇보다도 중요하다.
현재 우리나라는 단위 면적당 세계 최고의 발전설비를 보유하고 있으며 단위 면적당 세계 최고의 송전망 길이를 기록하고 있는 만큼 에너지 다소비 산업구조를 가지고 있다. 우리나라 국토의 여건상 풍력과 태양광 등 에너지 밀도가 낮은 재생에너지를 사회 전반에 공급하기 위해서는 현재와 같은 에너지 다소비 산업구조를 보다 효율적인 산업구조로 재편하여야 할 것이다. 그리고 무엇보다도 산업, 건물, 수송 분야에 필요한 전기, 열, 수소를 공급하는 전력분야의 성공적인 탄소중립 없이 우리 사회 전반의 탄소중립 목표는 달성하기 어려울 것이다.
탄소중립을 위한
원자력 발전기의 위치
전력분야에서 재생에너지로부터 생산된 전기에너지를 산업전반에 공급하기 위해서는 재생에너지만으로는 어려우니 원자력 발전을 병용해야 한다는 의견이 많다. 얼핏 들으면 타당하다고 생각될 수 있으나 매 순간 전력의 공급과 수요의 균형을 맞추지 않으면 안정성을 유지하지 못하는 전력망의 특성을 고려하면 현재의 경직적이고 대형인 원자력 발전기 특성으로는 가능하지 않다.
2020년 우리나라 제9차 전력수급기본계획에서 발표한 원자력 발전기, 석탄 발전기, 가스 발전기 그리고 재생에너지 비율 데이터를 근거로 전력망을 운영하기 위한 발전 계획 프로그램을 이용하여 컴퓨터로 모의 계산한 결과를 보면 이러한 점을 이해할 수 있다. <그림 2>는 제9차 전력수급기본계획의 마지막 연도인 2034년 봄철의 일주일 동안의 전력수요 패턴에 맞추어서 우리나라 전체의 발전기를 대상으로 비용이 가장 적게 드는 발전기 운영 형태를 모의한 결과이다. 목요일부터 다음 수요일까지 일주일 동안의 전력수요 패턴에 따른 전력생산 추이를 살펴보면 특히 소비가 적은 토요일과 일요일에는 전력 원자력 발전기는 평일과 다르게 전력생산을 하지 않고 모두 정지시켜야 함을 나타낸다.
<그림 2> 제9차 전력수급기본계획에 맞춰 모의한 우리나라 발전기 운영 형태
이는 초록색의 재생에너지가 낮에는 전력생산이 많다가 오후부터 서서히 줄어들면 그만큼 재생에너지의 문제 – 출력과다(overgeneration) 기존의 발전기가 발전을 증가시켜야 하는데 출력 조절이 안 되는 원자력 발전기를 대신해서 석탄과 가스 발전기가 대체되어서 운전해야 하기 때문이다. 원자력 발전기는 한 번 정지시키면 다시 가동하기 위해서는 3일 정도의 시간이 필요하기 때문에 주말마다 정지하는 상황이라면 수요가 적은 봄, 가을에는 원자력 발전기를 모두 정지시켜야 할 것이다. 실제로 전력망을 운영하는 측면에서 보면 발전 계획과 같이 정밀하게 계산된 운영이 현실적으로 어렵기 때문에 발전기 운영을 훨씬 보수적으로 할 수밖에 없고 계통의 안정성 등을 모두 고려하면 원자력 발전기의 운영환경은 더욱 어려워질 수밖에 없다. 이러한 원자력 발전기의 운영환경은 소비의 유연화를 통해 완화할 수 있으며 이는 3절에서 다루기로 한다.
해외의 경우 원자력 발전기의 경직성과 이에 따른 유지비용 상승 문제로 인해 이미 캘리포니아는 마지막 남은 원자력 발전기 2기를 2025년에 폐쇄하는 것으로 계획되어 있고, 영국의 경우도 노후 원전을 중심으로 운전 중인 원자력 발전기의 50%를 2025년까지 단계적으로 폐쇄하는 것으로 결정하였다. 재생에너지의 변동성과 간헐성을 보완하기 위해서 가동·정지가 쉬운 소형 원자력 발전기에 대한 연구 개발이 진행 중이지만 소형 원자력 발전기의 경제성 문제, 안정성 문제가 여전히 제기되고 있어서 상용화 가능성은 불투명한 상태이다. 즉 탄소중립을 위한 전원믹스에서 원자력 발전기를 활용하기 위해서는 현재와 같이 경직적인 대형 발전기 형태가 아니라 출력 조정이 자유롭고 껐다 켜는 것이 자유로운 소형, 다수의 원자력 발전기 형태여야 한다. 그러나 소형 원전이 탄소중립을 위한 길을 같이 갈 수 있느냐 하는 문제는 소형 원전의 경제성, 안정성 그리고 원자력 발전기의 설치 위치에 관한 국민의 수용성을 확보할 수 있느냐에 달려있다고 할 수 있다.
재생에너지의 문제
– 출력과다(overgeneration)
재생에너지는 바람의 속도, 태양광의 조도에 따라 에너지 생산이 영향을 받기 때문에 재생에너지의 출력은 일정하지 않다. 따라서 기존의 화력 발전기, 수력 발전기 등으로 재생에너지의 변동성을 조절할 수 있어야 하고 발전기의 고장 등에 대비해서 예비력도 확보해야 하기때문에 재생에너지 외에 운영해야 하는 최소한의 기존 발전기가 필요하다. 따라서 재생에너지가 100% 에너지를 공급하지 않는 상황에서도 재생에너지를 더 이상 전력망에서 수용하지 못하는 초과발전 상황이 발생하게 된다. 재생에너지가 점점 증가할수록 출력변동 영향도 커지게 되므로 변동성을 보완하는 기존 발전기의 역할이 점점 더 커지게 된다. 전력망에서 최소한으로 운전해야 하는 기존 발전기의 비율은 전력망의 구성에 따라 다르며 전력망 운영자가 기술적 검토를 통해서 정하고 있다. 최소한으로 운전해야 하는 기존 발전기 양이 많을수록 전력망에서 수용할 수 있는 재생에너지 양은 그만큼 줄어들게 된다. 특히 우리나라와 같이 원자력 발전기가 많은 전력망에서는 원자력 발전기가 재생에너지 변동성을 조정할 수 없기 때문에 전력망에서 수용할 수 있는 재생에너지 규모는 그만큼 적어지게 된다. 재생에너지 설비를 많이 갖추어도 전력망에서 수용한계를 벗어나게 되면 그 이상은 버려야 하는 에너지(Curtailment)가 발생하게 되는데 이 문제를 과다출력(Overgeneration) 문제라고 한다. 전력망에서 과다출력 문제로 버리는 에너지를 최소화하는 방법은 다음과 같이 세 가지를 생각할 수 있다.
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에너지 저장 장치를 통해 저장하는 방법 |
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연계선을 통해서 이웃 계통으로 에너지를 수출하는 방법(이웃 계통에 여유가 있을 때) |
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소비의 유연화(전력을 소비하는 시간대를 조절) |
첫 번째로, 에너지 저장 장치는 남는 전기로 하부저수지의 물을 펌핑해서 상부저수지로 저장하는 양수발전 그리고 배터리 등을 생각할 수 있다. 우리나라는 이미 8차 전력수급기본계획에서 양수 발전소 3개소를 추가로 건설해서 에너지 저장의 양을 증가시키고 현재 부지를 확정해서 건설을 위한 절차를 진행하고 있다. 그리고 현재 활용되고 있지는 않지만 앞으로 수(水) 전해를 통해 생산하는 그린수소를 철강 제조의 환원제나 수소자동차의 연료로 제공하는 용도 이외에도 수소터빈을 이용해서 발전을 하는 에너지 저장의 수단으로 활용할 수 있어서 탄소중립을 위한 최후의 보루가 될 것으로 기대가 크다. 그러나 에너지 전환은 앞으로 30년에 걸쳐서 점진적으로 추진하는 계획인 만큼 에너지 전환 과정에서 기술적 수준에 따라 적절한 방법과 제도를 병행해 추진해 나가는 것이 매우 중요하다.
두 번째로, 연계선을 활용하는 경우는 우리 전력망에서 남는 에너지를 인근 전력망으로 수출할 수 있다는 측면에서 유용한 수단이긴 하지만, 인근 전력망이 재생에너지 과다출력 문제로 여유가 없는 경우에는 서로 도움이 되지 못한다. 특히 우리나라의 경우 이웃나라인 중국이나 일본과 연계를 하는 경우, 상대적으로 비용이 비싼 DC를 통한 전력망 연계만이 가능하기 때문에 비용 대비 활용도를 충분히 검토하여 실행해야 한다. 이는 중국이나 일본도 재생에너지 출력과다 문제가 발생할 수 있기 때문에 항상 이용 가능한 설비가 아니라는 문제가 있다. 전력망 연계의 가장 큰 이점인 관성의 공유는 DC연계가 아닌 AC연계로만 가능하다는 점도 간과 해서는 안 된다.
마지막으로, 소비의 유연화는 현재 수요반응(DR, Demand Response)을 통해서 일부 활용하고 있지만 전력시장제도가 발달해 있는 재생에너지 선진국에서도 아직 개발할 여지가 많다고 보고하고 있다. 즉 시장가격과 연동하여 재생에너지 출력과다 시 소비를 집중하게 하고, 다른 시간대에는 소비를 억제함으로써 소비의 패턴을 발전 패턴에 맞추어서 조절하도록 유도하는 방법이다.
전력시장이 완전경쟁 시장체제로 선진화되어 있는 구미 선진국에서는 재생에너지의 출력과다로 에너지를 버리는 현상이 발생하면 도매시장 전력가격이 마이너스를 기록하게 된다. 즉 에너지를 버리는 상황이 되면 발전 사업자는 도매시장에서 돈을 내고 발전을 하게 되고 소매 사업자는 돈을 받고 전기를 사는 것이 가능하게 된다. 이는 우리 주변의 소매상점이 도매로 물건을 받을 때는 매우 비싸게 받을 때도 있고 매우 싸게 받을 때도 있으며, 때로는 생산과잉인 제품을 소매상점의 창고를 이용하여 돈을 받고 도매시장에서 물건을 받을 수도 있는 것과 유사하다. 가정 등 일반 소비자는 소매상점과 계약된 요금제로 전기를 구매할 수 있기 때문에 일반 소비자는 보다 안정적인 요금 체계로 전기를 구매할 수 있다.
<그림 3> 도매시장 가격에 따른 소비패턴 변화
<그림 3>에서와 같이 도매시장에서 가격 신호는 소비자가 싼 시간대에 난방이나 냉방기기를 이용해서 전기소비를 증가시키고 축열, 축냉을 이용하여 저장하는 반면 전기요금이 비싼 야간 시간대의 소비를 줄임으로써 소비패턴을 변화시켜서 전력망을 안정화시키는 유인을 제공한다. 이러한 소비의 이동이 일어나면 마이너스 시간대의 가격은 오르고 반면 재생에너지가 에너지를 생산하지 않는 비싼 시간대의 소비는 적극적으로 감소하기 때문에 발전기의 출력 조정의 필요성과 도매시장 가격의 평탄화를 기대할 수 있다.
이러한 전력시장 체제는 구미 선진국에서는 일반화되어 있지만 우리나라는 그렇지 않다. 우리나라의 전력시장 체제에서는 도매시장에서 재생에너지 초과발전 상황이 시장가격에 반영되고 있지 않다.
그리고 도매시장 가격을 활용하여 소비자에게 다양한 서비스를 제공할 수 있는 새로운 형태의 판매사업도 한전 독점구조에서는 불가능하다. 현재 우리나라의 전력시장 제도는 재생에너지의 초과발전 시의 가격신호가 소비자에게 전달되지 않고 있어서 소비의 유연화를 통한 초과발전 해소는 어려운 상황이다.
가. 해외의 초과발전 사례와 도매시장 가격의 연동
재생에너지로 100% 공급을 하지 않은 상태에서 재생에너지를 더 이상 받아들이지 못하는 과다출력(Overgeneration) 문제는 재생에너지 점유율 30% 이상을 달성한 미국 캘리포니아를 비롯하여 텍사스, 오스트레일리아, 스페인, 캐나다, 영국, 독일, 아일랜드 등 재생에너지 선진국에서는 이미 경험하고 있는 문제이다.
<그림 4>는 미국의 초과발전에 의해 도매시장 가격이 마이너스를 기록한 빈도를 나타내고 있다. 이미 미국은 텍사스, 캘리포니아 이외에도 초과발전에 의한 마이너스 요금이 발생하고 있음을 나타내고 있다.
<그림 4> 미국의 초과발전에 의해 도매시장 가격이 마이너스를 기록한 빈도
※ LMP : Locational Marginal Price
특히 풍력발전의 점유율이 높은 텍사스 전력시장(ERCOT)에 대해서 살펴보면 다음과 같은 특징이 있다. <그림 5>와 같이 텍사스 지역은 송전망의 제약에 의해 크게 West zone, South zone, North zone, Houston zone으로 나누어지고 시장가격도 지역에 따라 다르게 나타난다. 4개의 지역별 일 년(8,760시간)의 가격 분포를 높은 가격부터 누적으로 나타내면 <그림 6>과 같다.
<그림 5> 텍사스 시장의 지역구분(전력망의 제약)
<그림 6> 텍사스 시장 2018년 지역별 가격지속곡선
특히 텍사스 서부지역의 경우 마이너스 가격이 일 년 동안 270회 발생하였음을 알 수 있다. 전력망의 기술적 진보와 전력시장의 제도의 개선이 필요 ERCOT는 소매시장 가격의 가격 신호를 활용하여 수GW의 수요반응 효과를 도출하여 그만큼 재생에너지의 출력제한을 방지한 것으로 알려져 있다. 재생에너지의 초과출력에 의한 문제는 도매시장 가격 신호 만으로도 수GW의 효과를 보았고 앞으로 개발되지 않은 소비의 유연화 자원을 활용할 여지는 많이 남아 있어서 소비의 유연화를 통한 전력망의 안정화에 기대를 걸고 있다.
나. 우리나라 제주도의 초과발전 문제
CFI(Carbon Free Island)제주를 목표로 하고 있는 우리나라 제주는 2020년 재생에너지 16% 정도의 점유율을 기록하였다. 그러나 2020년 이미 초과발전에 의한 출력제한이 77회 발생하였고 앞으로 증가할 것으로 예측된다. 이에 따라, 정부는 최근 제주의 과다출력 문제를 해결하기 위해 제주 특구를 설정하여 재생에너지의 직접거래 허용 등 다양한 제도를 도입하는 것으로 발표하였다. 하지만 우리나라 재생에너지가 아직 다른 발전자원에 비해서 훨씬 비싸기 때문에 재생에너지의 직접 판매를 허용하더라도 당장 가시적인 효과를 기대하기 어렵다. 잉여 전력을 열이나 수소로 저장해서 활용하는 방법도 초과발전이 나타나는 정확한 시점과 양에 대한 정보가 실시간으로 제공되어야 한다. 초과발전이 문제가 되고 있는 제주에서부터 도매시장을 개선하여 PBP(Price Based Pool) 시장을 도입하고 재생에너지의 직접 판매뿐 아니라 소매시장 전체를 개방하여 양방향 입찰시장으로 발전해야 한다. 판매시장에서 완전한 경쟁이 실현되면 소비자를 모아서 소비의 유연화를 통한 효과적인 요금제를 만들 수 있고 재생에너지의 출력제한을 완화할 수 있다. 이는 해외의 선진시장이 20년 전부터 구현했던 시장구조이고 이 구조에서 재생에너지의 출력제한을 완화하고 있다.
제주도는 발전기가 많지 않은 작은 전력망이기 때문에 재생에너지의 초과발전 문제를 완화하기 위한 여러가지 대책을 실증하기에 매우 좋은 환경을 갖추고 있다. 제주도의 초과발전문제를 해결하지 못하고 탄소중립을 달성할 수는 없다
