미국 캘리포니아주 덕 커브(Duck Curve) 발생 현황과 대응 정책
미국 캘리포니아주 덕 커브(Duck Curve) 발생 현황과 대응 정책
  • 한유리
  • 승인 2018.01.24
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한유리 한전 경제경영연구원 선임연구원

1. 개황
덕 커브(Duck Curve)란 신재생에너지, 특히 태양광 발전 량이 증가하면서 일출에서 일몰 사이인 Daytime에 순부하(Net Load)가 급감하며 나타나는 부하곡선을 오리 모양으로 상징화한 것으로 2013년 캘리포니아 계통운영기구 (ISO)인 CAISO가 발견해 명명하였다. 신재생에너지 비중이 증가하기 전에는 전력 수요가 오전 9시와 오후 9시 전 후로 하루 2회 소폭 상승 및 하강하는 ‘카멜 커브(Carmel Curve)’를 보이며 예측이 비교적 용이하였으나 태양광 발전 설비 보급이 급속히 확대된 이후 태양광 발전량 급증으로 일출 수요의 대부분을 태양광이 담당하게 되면서 일출에서 일몰 사이 순 부하량 급감과 늦은 오후 출력 급증과 같은 수요 불확실성이 증가하는 등 전력망을 안정적으로 운영해야하는 CAISO와 기존 유틸리티는 전력망 운영과 화력발전 등 기저 발전자원의 운전 측면에서 다양한 문제에 노출되었다. 출력 변동성이 심한 신재생 발전 증가로 순 부하량 예측 의 정확성이 낮아지며, 전력망의 안정적 운영이 곤란해짐은 물론 태양광 발전 전력이 늘어나 석탄, 원자력 등 기저전원 이 담당하던 부하 수준까지 점유하게 될 경우 하루 단위로 기저전원을 가동 정지 및 재가동해야 하는 문제가 발생한 다. 또한 석탄, 원자력 대비 단시간에 기동 및 정지가 가능한 가스발전을 일몰 후 저녁 피크 부하 충당을 위해 운전함 에 따른 운영유지비의 부담이 가중된다. 이러한 덕 커브로 인한 문제점은 향후 태양광 발전 보급 확대에 따라 점차 심 해질 것으로 예상된다.
 

2. 현황
가. 캘리포니아주 덕 커브 발생 추이
2013년 시행한 CAISO의 2012~2020년 순 부하량 예측 연 구 결과 2014년부터 캘리포니아의 덕 커브 현상이 가속화되 어 2020년 오후 5~8시 사이 저녁 피크 부하 충당을 위해 3시간 안에 13,000MW의 발전소가 매일 정지 후 재가동되어 야 할 것으로 전망했다. CAISO의 2013년 보고서의 예측치 를 검증한 보고서인 ‘The Duck has landed 2016’ 보고서 에 따르면 2016년 3월말에서 4월초 일일 낮 시간 순 부하량 실측치는 CAISO가 2013년 예측한 15,000MW 보다 낮은 수준까지 떨어짐을 확인했다. 캘리포니아주는 저녁시간 피 크 부하 충당을 위해 기존 화력 발전과 캘리포니아 인근인 애리조나주, 오레곤주, LA 지방정부 관할 지역 등에서 전력 을 수입하고 있으며, 유틸리티급 태양광, 시·카운티 등 지 자체 주도 사업, 소규모 사업자 태양광, 주택용 태양광이 확 대될수록 Daytime의 태양광 발전량이 증가하면서 덕 커브 현상이 가속화될 것으로 전망하였다.

또한 캘리포니아주 이외의 지역에서도 태양광, 풍력 등 신 재생 발전이 확대되면서 덕 커브 현상이 광범위하게 발생하고 심화될 것으로 예상되며, 특히 유틸리티급 태양광발전 확대 정책을 적극적으로 추진 중인 노스캐롤라이나주, 애 리조나주, 조지아주, 네바다주, 텍사스주 등에서도 덕 커브 발생이 임박한 것으로 평가했다. 미국의 에너지 컨설팅 회사인 Scottmadden은 봄철 특정일(3월 31일)만 분석 대상으로 한 2013년 CAISO의 순부하 량 예측의 한계를 보완하고 이를 반영해 전망치를 검증하였 다. Scottmadden의 분석 결과 캘리포니아의 덕 커브 현상 은 CAISO가 2013년 전망한 수준보다 빠른 속도로 심화되 고 있으며, 덕 커브의 발생 시기도 봄철에 국한된 것이 아니라 연중 다양하게 발생하는 것으로 나타났다. 보고서의 주요 연구 결과를 살펴보면 2016년 3월 캘리포니아주의 일출에서 일몰 사이 순 부하 최저치는 13,854MW 수준으로 2011년 3월 최저치인 20,118MW 보다 약 31% 감 소했다. 2016년 3월 발생한 순 부하 최저치(13,854MW)가 CAISO 2013의 2016년 최저 순 부하 예측치(15,000MW) 보 다 낮아 캘리포니아주의 덕 커브 현상이 CAISO의 예상보 다 빠르게 진행 중임을 확인한 것이다. 또한 1년 365일에 대 해 일간 Daytime 순 부하 최저치를 가장 높은 값에서 낮은 순으로 정렬한 값을 비교한 결과 2015년 발생한 순 부하 최 저치(14,335MW)는 CAISO의 2013년 전망에서 2017년 3 월 31일 최저 순 부하 예상치(14,000MW)와 유사한 수준으 로 2년 앞당겨 발생했으며 해가 지날수록 순 부하 최저치가 지속적으로 감소함을 확인했다.

 

태양광 발전량이 많은 봄 철, 특히 3월에 국한되어 나타나던 덕 커브가 태양광발전 설비 증가로 인해 CAISO가 2013년 전망한 2015년 3월 31일 최저 순 부하 예측치(약 16,000MW)보다 더 낮은 수준으로 떨어진 날이 3월, 4월, 5월, 11월, 12월 등 계절에 상관없이 연 중 무작위로 발생했다. 덕 커브 현상이 심화되어 순 부하 최저치가 낮아질수록 일 몰 후 늦은 오후에 발생하는 피크수요 충당을 위해 단시간 (약 3시간) 안에 공급해야하는 전력량은 증가한다. 2015년 에는 365일 중 약 212일(58%) 동안 늦은 오후 피크 충당을 위해 출력 증발량이 5,000MW 이상 필요했고 이는 2011년 (22일, 6%)과 비교 시 52%p 급증했으며, 2015년 출력 증발 량 최대치는 10,091MW로 2011년 6,230MW 대비 62% 증 가했다. 향후 태양광 발전설비가 지속적으로 증가함에 따라 오후 3시 전후의 순 부하 최저치와 오후 8시 전후의 순부하 최대치 사이의 격차도 계속 벌어질 전망이다. 또한 주중보다 총 부하 수준이 낮아지는 주말에 덕 커브 현상이 심화되어 2015년 기준 평균 출력 증발량은 주말이 주중보다 약 10% 높은 것으로 나타났다.

 

나. 캘리포니아주 덕 커브 심화 원인
덕 커브 현상의 원인은 주택용 태양광 등 BTM 분산전원의 급증 뿐 아니라 유틸리티급 대규모 태양광 발전단지 증가, 에너지 효율 기술 향상과 보급 등 매우 다양하다. 캘리 포니아주의 경우 유틸리티급 대규모 태양광 발전단지 증가가 주요 원인인 반면, 유사한 현상이 발생하고 있는 하와이 주는 주택용 태양광과 같은 BTM 분산형 태양광발전 급증 이 주요 원인이다. 캘리포니아주는 주택용 태양광 발전이 지속적으로 증가하여 2016년 2분기 기준 약 2,709MW 수준까지 증가했음에 도 불구하고 일출에서 일몰 사이 평균 시스템 부하의 감소 현상은 발생하지 않았다. 이는 주택용 태양광발전 보급량이 캘리포니아주의 전력거래시장에 참여하는 설비용량의 약 3% 수준에 불과하여 시스템 부하 감소에 미치는 영향 력이 미미하기 때문인 것으로 보인다.
그러나 하와이주의 경우 2011년에는 일출에서 일몰 사이 평균 시스템 부하 감소가 없었으나 주택용 태양광 설비용량이 2011년 약 70MW에서 2015년 말 474.4MW로 약 6.7배 증가하여 HECO가 운영하는 총 발전설비(3,017.7MW)의 약 16%를 차지할 정도로 비중이 증가하면서 2015년 시스템 부 하 감소현상이 발생했고 점차 심화될 것으로 예측된다.


3. 결론
덕 커브 현상의 심화와 그로 인해 발생하는 다양한 문제점 들을 최소화하기 위해 CAISO는 2024년까지 캘리포니아의 3대 유틸리티(PG&E, SCE, SDG&E)에 1.324GW 규모의 에너지저장시스템(ESS) 조달의무를 부과하고 기타 전력회 사는 2020년 피크수요의 1%에 해당하는 ESS 조달 의무를 부과했다. 또한 2021년 순 부하 평균 예측 데이터를 기반으 로 월별, 주중과 주말의 상이한 부하패턴을 반영하여 전력 요금을 차별화 하는 New TOU 요금제를 제안하기도 하는 등 대책 마련에 부심하고 있다.

 

참고문헌
1. NREL, Overgeneration from Solar Energy in California, (2015.11)
2. SCOTTMADDEN, Revisiting the California Duck Curve, (2016.10)
3. Siemens Energy Power Engineering, The Duck Pond, (2016.3)
4. Energyathaas, The Duck has Landed, (2016.5)
5. Hawaiian Electric Industries, INC. Annual Report 2015, Hawai’i at the Energy Crossroads, Democratic 2015
6. HECO

 


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