통합 스마트 에너지시스템과 전력산업의 미래
통합 스마트 에너지시스템과 전력산업의 미래
  • 박종배
  • 승인 2018.11.07
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박종배 건국대학교 전기전자공학부 교수

 

1. 글로벌 및 국내 에너지 믹스 현황과 전망

세계의 최종에너지 소비는 2000년 이후 연평균 1.9% 증가해 2015년 93.8억toe를 소비했다. 이 가운데 석유는 40.9%로 가장 많은 비중을 차지하며, 전력 18.5%, 천연가스 14.9%, 신재생에너지 11.6%, 석탄 11.1% 순으로 소비되고 있다. 석탄 4.4%과 전력 3.1%의 소비 증가율은 석유 1.4% 소비 증가율을 상당 수준 상회하고 있다. 한편 전력의 비중은 2000년 15.5%에서 2015년 18.5%로 지속적으로 증가해 전기화(Electrification)가 지속됨을 알 수 있다.

미국 EIA의 ‘International Energy Outlook 2017(IEO 2017)’ 보고서에 따르면 향후 세계 전력수요 증가는 경제 성장률이 높은 비OECD 및 아시아 지역에 의해 주도될 것으로 전망된다. 세계 전력수요는 2015년 23.43조kWh에서 2040년 34.05조kWh 규모로 증가할 것으로 추정하고 있다. 전원별로 살펴보면 원자력의 경우 비OECD국의 이용으로 2015년 발전량 비중 10.7%를 2040년에도 비슷하게 유지할 것으로 전망됐다. 석탄 화력은 오염물질 배출기준 강화 등과 같은 환경규제로 인해 2015년 39.4%에서 2040년 30.5%로 감소할 것으로 전망된다. 천연가스의 경우 2015년 22.2%에서 2040년 25.8%로 증가할 것으로 전망되고 있다. 수력을 포함한 신재생은 2015년 기준 발전량 비중 23.0%에서 2040년 31.4%로 증가할 것으로 전망하고 있다. 즉, 신재생과 천연가스가 주도적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

2016년의 에너지 수입의존도는 약 95% 수준으로 매우 높다. 또한 1차 에너지 기준으로 원별 공급 상황은 석유가 40%, LNG 15%, 유연탄 26%, 원자력 12% 수준이다. 최종소비는 산업, 가정, 수송, 공공 등의 순서대로 소비되고 있다.

전력부문의 비중은 지속적으로 증가하여 2000년 8%에 불과하던 것이 2017년에는 18% 수준으로 확대되었으며 향후 이러한 추세는 지속될 것으로 전망된다.

2000년 이후 에너지원별 발전비중의 추이를 살펴보면 원자력은 지속적인 비중 감소를 가져왔고(2000년 41%, 2017년 27%) 반면에 석탄(2000년 37%, 2017년 43%)과 LNG(2000년 11%, 2017년 21%)는 상당 수준의 성장을 가져왔다. 한편 신재생 및 수력은 2000년 2%에서 2017년 7% 수준으로 성장한 바 있다. 하지만 우리나라의 재생에너지 비중은 현재 상당히 낮은 수준이다.

2. 글로벌 재생에너지의 보급과 전력산업의 변화

표 4는 글로벌 에너지시장의 최신 동향을 요약한 것이다. 각 기관별로 차이를 보이기는 하지만 공통적인 상황은 신재생에너지의 지속적인 보급, 설비 효율향상과 기술혁신, 석탄의 수축과 천연가스의 성장 등으로 압축할 수 있다. 재생에너지는 전력 부문을 중심으로 지속적으로 확대되고 있으며 그 비용도 급격하게 하락하고 있다. 한편 세계 에너지산업은 기후변화에 대응하기 위해 친환경 에너지의 사용에 집중하고 있다. 2015년 유엔 기후변화회의에서 채택되고 2016년 발효된 파리협정에 의해 신기후체제가 본격적으로 시동됨에 따라 EU, 중국, 일본 등 주요 선진국은 물론 남미 및 아프리카 대륙의 개도국 등도 온실가스 감축목표 수립 및 이행 방안을 모색하고 있다.

각국은 온실가스 배출이 큰 석탄에 대한 의존도를 낮추고 천연가스 및 풍력, 태양광 같은 친환경 에너지 비중을 높여 저탄소·무탄소 에너지로의 전환을 추진하고 있다. 예를 들어 영국은 2025년까지 석탄발전 전면폐쇄, 중국은 소규모 석탄발전 폐쇄 및 신규진입 금지 등을 예정하고 있다. 한편 일부 국가의 경우 원자력을 저탄소원으로 간주해 추진하는 경우도 있다.

IEA에 따르면 OECD EU 국가들의 발전설비 투자 동향을 보면 1990년을 기점으로 그 이전에는 원자력과 석탄에 집중 투자를 했지만 그 이후에는 신재생에 집중적인 투자가 이루어지며 부수적으로 천연가스 투자에 한정되고 있음을 알 수 있다. 1990년은 영국 전력산업 구조개편이 시행된 시기이며 전력시장 체제와 친환경 에너지의 상호 보완적인 관계를 잘 살펴볼 수 있다. 즉, 신재생의 집중적은 투자와 관리를 위해서는 전력시장의 활성화가 필요함을 역으로 알 수 있다. 2017년 글로벌 발전설비 투자의 약 70% 수준이 신재생에 집중하고 있기도 하다.

표 5는 주요국의 신재생에너지 보급 목표를 요약한 것이다. 일본은 2030년 발전량 기준으로 신재생의 비중을 22%∼24%, 원자력 22%∼24%, 기타 석탄 및 LNG와 같은 화력 설비의 경우는 50%를 설정하고 있다. 에너지전환을 주도하고 있는 독일은 2050년 발전부문에서 재생에너지의 비중을 80% 까지 상향하는 것을 목표로 하고 있으며 2020년 1차 에너지의 재생에너지 비중을 18% 수준으로 설정하고 있다. 보다 공격적으로 재생에너지 목표를 설정하고 있는 국가 및 지역으로는 덴마크(2050년 발전부문 100%), 캘리포니아(2045년 발전부문 100%), 하와이(2045년 발전부문 100%) 등도 있다.

한편 전력산업의 신재생에너지 비중이 높아지면 CO2 및 오염물질 배출량의 감축을 가져오지만 재생에너지가 본질적으로 가지고 있는 불확실성과 변동성으로 인해 계통운용의 어려움과 전력계통 연계, 전력저장장치, 가스터빈 등과 같은 백업 설비의 투자를 필요로 한다. 즉 전력시스템의 유연성을 극대화시켜야 한다. 만약 적정한 유연성이 제공되지 못할 경우에는 재생에너지 발전량의 일정 수준이 차단이 이루어져야 하므로 경제성이 상대적으로 떨어지게 된다. 유연성 확보는 공급자원, 수요 자원, 전력시장 제도 개선 등 전반적인 차원에서 확보되어야 한다. 다만 유연성 확보의 한계비용을 계산해 합리적인 체계를 구축해야 할 필요가 있다. 일반적으로 배터리 기반의 전력저장 수단은 유연성의 측면에서는 가장 좋은 옵션이기는 하지만 비용이 비싼 것으로 알려져 있다. 따라서 각 자원별 유연성 수준과 비용의 두 가지 관점에서 최적 포트폴리오를 구축할 필요가 있다.

그림 5에서는 다양한 유연성 확보 수단을 보여주고 있으며 재생에너지가 확보될수록 보다 비용이 높은 수단이 필요함을 알 수 있다. 우리나라도 8차 전력수급기본계획을 통해 소위 3020이라는 재생에너지 확대 정책을 공표한 바 있다. 2031년까지 태양광 34GW, 풍력 18GW 대규모 설비 투자가 필요하다.

 

8차 전력수급기본계획 기준의 재생에너지 연도별 발전량은 표 7에 요약되어 있다. 이러한 상당 수준의 재생에너지 보급은 변동성 대응과 송전망 접속 보장 등과 같은 많은 난제들을 던져 주는 것도 사실이다.

이는 곧 전력망 전체의 지능화와 선진화를 필요로 하게 된다. 따라서 제2차 지능형 전력망 기본계획에 반영되어 향후 2022년까지 에너지전환의 지원과 안정적 전력망 운영을 위해 송전, 변전, 배전 및 소비자 단의 전력망의 지능화를 다음과 같이 설계했다.

3. 통합 스마트에너지시스템의 개념과 적용 사례

통합 스마트에너지시스템(Integrated Smart Energy System)은 전력부문을 중심으로 대규모 분산형 재생에너지 보급을 전제로 한다. 이러한 풍력 및 태양광 중심의 재생에너지가 생산한 전기에너지는 전력시장(도매 및 소매 전력시장) 가격을 바탕으로 전력시장에 참석할 것인지 전기차를 충전해 수송용으로 직접 사용할 것인지 혹은 전기분해를 통한 수소를 생성해 향후 전기(연료전지) 혹은 수송(수소전기차 등)에 사용되게 할 것인지 아니면 다양한 저장 수단을 통해 향후 다양한 목적으로 사용할 것인지에 대한 최적 의사결정을 하게 된다.

물론 모든 공급 및 수요 측에서의 실시간 계측은 전제를 하고 있다. 현재와 같이 재생에너지의 발전량을 전력부문에서만 사용할 때보다 다양한 사용처를 대상으로 최적화를 이룰 수 있고 유연성 또한 극대화 된다는 장점이 있다. 이러한 경우 재생에너지의 과발전(Over-generation)에 따른 출력제한 등을 최소화해 그 활용도 또한 극대화할 수 있다. 다만 이를 위해서는 전력도매시장(에너지시장, 용량시장, 보조서비스 시장 등)이 시간 단위별(하루 전, 하루 중, 실시간 등)로 발달해 가격의 도출이 적극적으로 되어 신호를 제공해야 한다는 것이다. 뿐만 아니라 수송 시장가격, 열 시장가격, 가스 시장가격 등도 동시에 발달되어야 자원의 최적 이용이 보장된다.

전력시장은 도매시장뿐만 아니라 소매시장 및 가치 기반의 개인 간(P2P) 거래 시장도 극도로 발전해 생산자와 소비자가 가장 효율적으로 재생에너지와 일반 에너지를 선택하고 활용할 수 있도록 해야 한다.

그림 9는 FTM(Front-the-Meter) 시장과 BTM(Behind-the-Meter) 시장의 진화 방향을 정리한 것이다. 현재 도매전력시장을 대표하는 FTM 시장은 전통발전기(원자력, 석탄, LNG 등)와 분산중개자원, 신재생, 수요반응자원 등이 자유롭게 참여가 가능하고 도매전력시장 또한 선물 및 선도시장, 하루 전 시장, 실시간 시장 등 시간대별로 다양화됨과 동시에 에너지시장, 용량시장, 보조서비스 시장도 극단적으로 진화할 필요가 있다. BTM 시장은 MG의 활성화와 이를 통한 최적화, DR의 선진화, 프로슈머 사이의 개인 간 거래 등 또한 극도로 발전해야 하며 궁극적으로 소비자의 에너지 선택권이 보장되어야 한다. EU 및 북미의 전력시장은 이러한 형태로 급속하게 발전하고 있다. 현재 도매전력시장이 가장 발전한 지역은 북미이며, 소비자 선택권 및 양자직거래, P2P 등이 잘 발달하고 있는 곳은 EU 전력시장이다.

북미는 도매전력시장이 가장 잘 발달했다. 그림 10 북미 ISO/RTO 도매전력시장의 에너지 및 보조서비스 시장의 형태와 구조를 보여주고 있다. 에너지와 예비력의 동시 최적화(Co-optimization), 모선별 가격도출(LMP: Locational Marginal Price)을 통한 에너지시장에서의 가격 신호 제공, 에너지 시장의 다중화(하루 전, 실시간)를 통한 수요관리 신호 제공과 부가금(Uplift) 최소화, 다양하고 세분화된 보조서비스 시장의 설계와 운용 등이 특징이고 우리의 하루 전 비용기반 도매전력시장(CBP)의 진화 방향을 잘 보여주고 있다.

북미는 전력시장과 더불어 천연가스 시장 또한 잘 발달되어 있다. 일례로 그림 11에서는 HH(Henry Hub) 기준의 최근 천연가스 가격 추이를 보여 준다. 이러한 전력시장과 천연가스 시장의 발전과 가격 신호의 제공은 전력과 가스 시장의 최적화 및 소비자의 선택권의 극대화를 가져오는 장점이 있다.

한편 이러한 통합 스마트에너지 시스템의 구현은 현재 EU에서 활발하게 연구되고 있다. 이는 재생에너지를 전력시장에 집중적으로 투자하고, 가스산업 및 열산업, 수송시스템과의 연계를 통한 유연성 확보와 더불어 온실가스 감축을 극대화하고 있다. 영국의 사례에서 보는 바와 같이 모든 영역에서의 규제완화와 시장 창출은 도매거래 및 소매, 개인 간 거래 자유화를 전제함을 알 수 있다. 일본도 전력, 가스, 열 등의 산업에서 적극적인 시장 창출과 규제완화를 진행하고 있으며 이를 기반으로 스마트 에너지 시스템을 구축할 것으로 전망된다.  

 

4. 결론

북미와 EU를 중심으로 시작된 에너지산업과 전력산업의 시장 체제 도입은 전 세계로 확산되고 있으며 그 의미도 과거 효율성 향상에 집중되었지만 현재에는 에너지의 효율적 사용을 위한 시장과 가격의 제공 기능으로 변화하고 있다. 또한 과거 원자력 및 석탄 중심의 중앙 집중적인 에너지시스템이 재생에너지 및 소형열병합 등과 분산형 에너지시스템으로 급격하게 변화하고 있다. 이러한 주변 상황의 변화는 자연스럽게 통합 스마트 에너지시스템이라는 개념이 나타나게 했다.

통합 스마트 에너지시스템은 분산형 청정에너지원이 중심되어 전력시장, 수송시장, 열시장 및 가스시장이 유기적으로 연동되어 에너지 공급자뿐만 아니라 소비자의 최적화를 가져오게 하는 일종의 플랫폼이다. 물론 여기에는 실시간 에너지원별 가격과 계측(IoT를 통한 측정)을 바탕으로 하고 있다. 통합 스마트 에너지시스템은 재생에너지의 개인 간 거래까지 지원해 에너지 민주주의를 달성할 수 있는 포괄적 플랫폼으로 이해할 수 있다.

우리나라는 현재 도매전력시장(CBP)의 경직, 소매전력시장의 독점과 소비자 선택권의 부재, 열 시장 및 가스 시장의 폐쇄적 구조 등으로 인해 에너지 생산과 소비에서 왜곡을 가져올 뿐만 아니라 재생에너지의 활용을 저해하고 비용 또한 상승시키고 있다. IoE(Internet of Everything)를 바탕으로 물리적 에너지인터넷 거래 플랫폼이 구축되어도 시장이 성숙하지 못한다면 그 활용도가 제한적일 수 있다. 따라서 각 에너지원 도매시장 기능의 회복이 필요하고 이후 에너지 소매 및 개인거래 등을 점진적으로 개방해 저탄소 에너지시장을 구현할 필요성이 있다.

 


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