신재생에너지 도입의 문제점과 미래 산업 전망
신재생에너지 도입의 문제점과 미래 산업 전망
  • 김정훈
  • 승인 2019.01.09
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김정훈 홍익대학교 교수

1. 서론

전세계는 이산화탄소에 의한 지구 온난화가 진행되면서, 환경문제가 국가 정상들의 논제가 되었다. 교토의정서, G20 정상회담, 기후변화협약 등의 과정을 통하여 환경문제를 다루게 되었다. 그 결과 기존의 석탄, 석유 등의 탄소를 배출하는 발전소는 줄이기로 하였다. 또한, 체르노빌, 후쿠시마 원자력 발전의 붕괴가 엄청난 재앙이 되는 것을 보면서 많은 국가들이 원자력 발전소의 사용을 중지하거나 신규로는 건설하지 않는 결정을 국민투표 또는 정치적 결단으로 하고 있다. 이렇듯 기존 사용하는 전기 에너지원은 환경이라는 관점에서 사용이 제한되게 되면서 아직 기존 자원보다 경제성은 떨어지나 친환경적인 새로운 에너지원을 찾게 되었다. 현재까지 그 대안으로 찾은 것은 탄소 발생이 거의 없고 원자력과 같은 위험성이 없는 지속가능한 신재생 에너지이다. 즉, 지구는 신재생에너지로의 “에너지 전환”이라는 새로운 파라다임을 창출하는 시대에 직면하고 있다. 이 시대를 선도한 국가는 독일로 국민투표를 통하여 전기요금이 오르더라도 2022년 원전을 단계적으로 모두 폐쇄하고 신재생 에너지를 전원으로 도입하기 시작했고 기타 선진국들도 각 나라 상황에 맞는 에너지 전환 정책을 발표하고 강력하게 추진하고 있다. 우리나라도 이미 발 맞추어 추진하다가 더욱 강력한 정책인 ‘재생에너지3020 이행계획’을 2017년에 발표했다. 그리고 적극적으로 정책을 시행한 결과, 산업통상자원부는 2018년 5월 30일 보도자료에서 태양광 · 풍력을 중심으로 한 보급확대에 힘입어 전년 동기대비 약 2배 증가한 1.43 GW를 달성했다고 발표하였고, 2018년 목표였던 1.7GW는 에너지 공단에 의하면 이미 7월에 1.8GW를 넘어섰다. 이러한 성과는 태양광 열풍으로 인하여 1GW가 신규 설치되는 데 힘 입은 바가 크다. 또한 태양광 연계 ESS 등 관련 신산업도 대단한 속도로 보급이 되어 2018년 1월부터 10월까지 태양광 발전과 연계하는 ESS 배터리용량도 1GWh를 넘어서서 2017년 설치된 용량의 10배에 해당되는 값을 보이는 등 엄청난 변화를 우리는 겪고 있다.

신재생에너지 도입에 대한 불가피성은 시대적 흐름이라는 데에 이견이 있을 수는 없다. 기후 변화 협약과 지속가능에너지란 관점에서는 당연한 일이지만 이미 도입한 나라에서 경제성, 환경성 및 계통 연계성 등에서 반대 여론이 많았다. 가장 먼저 도입한 독일은 도입 초기에 국민투표를 시행할 정도로 부정적인 시각이 많이 존재하였고 아직도 신재생에너지의 문제점에 대한 논의는 계속되고 있다. 여기에서는 문제점에 대한 것을 알아 본 후 향후 에너지 전환은 지속이 될 것인지, 판단을 해보고 우리는 잘하고 있는 지와 이로 인하여 나타나고 있는 신산업의 현황과 도입된 후, 전환속도는 적절한지 그리고 나타나게 될 미래 산업에 대한 전망을 하고자 한다.

2. 신재생 에너지의 문제점

① 경제성

신재생에너지는 화석연료 고갈 및 지속 가능성 때문에 도입되었으나 도입 당시에는 기존 전원의 전력 생산 단가(Levelized cost of Electricity; LCOE : 균등 발전비용, 이하 발전단가)보다 신재생에너지는 몇배가 높아서 문제가 되었다. 그러나 보급이 상당히 진행된 지금 국내외 발전단가(LCOE)가 점차 하락하고 있어서 경제성이 충분하다는 자료가 국내외 기관에서 발표되고 있다. 국외의 경우 IRENA’17 보고서에서는 태양광 및 풍력은 그림1과 그림 2와 같이 화석 연료 발전단가 범위내에 진입을 하고 있다고 보고하고 있다. 전세계 태양광 LCOE는 2010년 0.36 $/kWh가 0.10 $/kWh로 72%가 하락하였고 기존 화석연료 가격임을 보여주고 있다. 한편, 영국의 해상풍력 입찰가는 2015년 117.14 파운드/MWh에서 2년 만에 절반 수준인 2017년 57.5 파운드/MWh로 떨어졌고 일본의 경우는 2016년 9.8%인 재생에너지 발전비중이 2017년에 15.6%로 증가되었고 (ISEP/METI, 2018), 태양광 발전단가는 2014년 329 $/MWh에서 2017년 161 $/MWh로 떨어졌다. (BNEF 2018)

그림1 태양광 및 동력 LCOE(source:IRENA 20174)

 

 

그림2 투자회사에서의 전원 LCOE 변화(Source:Lazard 2017)

향후 발전단가에 대한 전망은 2017년 12월에 에너지 경제 연구원에 의하면 30MW 태양광의 경우 2017년 109원/kWh에서 2028년 7045 원/kWh로 떨어지는 반면 원자력은 높은 사고 위험 때문에 2017년 77.3 원/kWh에서 2018년 72.41 원/kWh으로 전망하고 있고, 미국 EIA에서는 2022년에 육상풍력은 59.1 $/MWh, 태양광도 63.2 $/MWh로 예측한 것에 반해 도리어 원자력은 92.6 $/MWh, 석탄화력은 123.2 $/MWh로 높아 신재생에너지가 더 경제적이 될 것이라고 내다보고 있다. 이렇듯 경제성에 대한 것은 문제가 없음을 보여주었다.

 

한편, 8차수급계획에서 신재생에너지의 불안한 상황에도 불구하고 환경급전을 실시하여 가스 발전 등 친환경 발전을 늘이겠다고 하였으나 너무 확대하면 전기요금의 상승폭이 커져 에너지 전환을 속도감 있게 하기는 어렵다는 입장을 산업통산자원부에서 밝혔다. 또한 새만금 태양광 선표날, 전북 의원이 반대 성명도 발표되고, 그외 정치권과 언론 반대가 일어나고 있음을 아직도 경제성에 대하여도 확실한 설득 자료는 부족하다고 보이는 상태라 할 수 있다.

② 환경성

신재생에너지 보급이 활발해짐에 따라 환경친화적이라는 좋은 이미지였던 것이 여러가지 보급에 따른 논란이 일어나고 있어 주민 반발과 새만금 재생에너지는 정치권에서 조차 도리어 이 문제로 반대가 일어나고 있어, 3020 성공 위해서는 이에 대한 것을 해결하여야 한다.

주민 반발 중 공감대 형성, 이권이나 금전 문제는 빼놓고 제시되는 여러가지 환경성에 대한 검토를 하여 보면 다음과 같다.

태양광의 환경성에 대한 민원으로 먼저 송전선로에서 문제가 되었듯이 전자파이다. 당인리 발전소의 이전에 대한요구도 전자파가 그 이유였듯이 전기의 존재는 무조건 전자파로 민원은 시작된다. 민원의 본질은 모두 인체에는 문제가 없다는 것을 알면서도 시설 주변 지역 주민의 재산권 행사 때 자산 가치 하락으로 이어지기 때문에 향후에도 계속 민원이 발생할 것이다. 태양광에서 발생하는 전자파 세기는 일상에서 사용하는 생활가전기기 보다 낮은 수준으로 전자파 인체 보호 기준인 833mG보다 <표 2>와 <표 3>과 같이 매우 낮은 1% 수준이었고, 빛 반사 역시 건축물 외장유리(<표 4> 참조), 비닐하우스, 수면의 반사율보다 낮았으며 이 밖에도 일조량, 대기 온 · 습도, 가축 체중 변화 및 스트레스 호르몬 검사, 주변 토양 및 지하수 오염 등에서 문제가 없었다. 수상 태양광도 주변 수질 및 퇴적물 분석 등도 한국환경정책 연구원에서 현재까지 실시한 결과 문제 없었고 향후에 나타나는 것을 대비하여 앞으로도 계속 모니터링을 하고 있다.

표2 태양광 발전소 주변 전파세기
표3 전자파 세기 비교(생활가전기기 VS 태양광 인버터)

풍력 발전에 대한 저주파 영역을 포함된 소음에 대한 문제는 대부분 바람을 가르는 소음으로 미국, 메사추세스주 공공보건부 및 환경보건부의 용역 보고서에 400m 거리에서 40dB 수준으로 나타났는데 이는 우리나라 주거지역 사업장 및 공장 생활 고음 규제 기준인 주간 55dB, 야간 45dB보다 낮은 수준이다. 그러나 이 소음도 풍속에 따른 편차가 심하고 사람에 따라 반응이 다양하기 때문에 논란이 있을 수도 있다. 그 외에 산림 훼손 문제는 원상 복구 의무가 부여되고 있고 미국 및 덴마크 우리나라에서 연구 결과 치사율이 다른 구조물이나 자동차에 비하여 훨씬 낮게 나타났다. 그 외 생태계 위해는 거의 없었으며 오히려 어족자원이 늘어난 사례가 보고 되어 있다. 풍력의 경우는 제주도에서는 관광단지화가 되어 주변을 명소로 만드는 사례가 등장하여 관광명소가 되고 문화공간이 생겨 지역 주민들의 소득에 일조를 하고 있다.

그림3 제주도 주변 풍력단지 옆 관광단지 카페 사진

③ 계통 연계성

신재생 에너지 자원은 전력계통 관점에서 보면 다수의 소용량 발전자원으로 효율적인 계층 운영 및 전력 품질 유지 관점에서 좋지 않다. 즉, 기존 화석 연료를 사용하는 화력 발전은 계통 운영자가 예측되는 부하에 맞게 발전 전력의 크기를 조정할 수 가 있어 전력수급이 잘 맞아 주파수가 안정되고 예비 전력을 확보하여 비상시에도 좋은 품질을 유지할 수 있는데 반하여 태양광과 풍력은 자연 조건에 따라 발전전력이 결정되어 수시로 발전전력이 변하는 특성을 갖고 있고, 전력 수요가 있을 때 발전전력을 제어할 수가 없어 이런 순간은 전력이 부족할 수도 있고 전력이 남을 수도 있다. 현재는 신재생 에너지 자원을 우선적으로 투입하므로 도리어 발전단가가 낮은 기존전원이 발전전력을 줄이거나 정지해야 하게 되고 신재생에너지 자원이 자연 조건으로 전혀 발전을 못하게 되면 기존 전원이 모든 전력 부하를 담당하지 않으면 정전이 발생할 수 밖에 없게 된다. 따라서 계통 운영 및 전력유지 관점에서는 신재생 에너지에는 전기에너지 저장장치(ESS system; 이하 ESS)을 설치하여야 안정적인 전원으로 취급이 되어 계통 운영이 원활하여 진다. 따라서 신재생에너지에 대한 발전량이 어느 정도 차지한다면 이에 따른 ESS 또는 양수 발전 등의 전원이 필요하게 된다. 현재 원자력 발전이 일정 전력을 생산하기 위한 조치와 같은 것이라 할 수 있다.

우리나라에서 계통 연계 시에 나타났던 문제점은 신재생에너지 자원이 선로에 연계할 때 계통에 영향을 준다는 점이었다. 신재생에너지 출력은 시시각각으로 변화가 심하기 때문에 초기에는 이에 대한 검토 결과가 계통에 이상이 없어야 계통 연계를 허용한다는 점이었다. 따라서 이에 따른 계통 연계 비용이 신재생발전사업자에게 부담하게 했고 만약 계통 운영에 지장이 있을 경우 또는 선로가 새로운 전력에 대한 수용을 할 수 없는 경우는 접속이 불가능하였다. 그러나 계통 연계 기준을 현재는 대폭 완화시켜 주었고 배전선로에 한해서 한국 전력이 ESS 등 계통을 보강해서 접속을 허용하는 등 소규모 무제한 수용 정책을 도입하면서 신재생에너지 시대의 보급 돌풍은 일어나게 되었다. 그러나 이것도 엄청난 보급속도에 배전선로자의 용량이 포화되어 더 이상 수용이 불가하게 되었다. 이로 인해 결국 중압인 7만kV라는 새 전압체계가 나타나게 되었다. 그리고 신재생전원이 많은 지역에 변전소를 세우고, 계획 입지에 선제적으로 변전소를 짓기로 했다. 그러한 154kV 변압기별 신재생 전원 접속 용량 한도를 기존 25MW에서 50MW로 2배 상향 조정하는 “송배전용 전기설비 이용규정”을 개정하여 향후 필요에 따라 변압기와 변전소 보강을 지속 시행할 계획이다.

또한 신재생 발전 예측 시스템과 실시간 감시 운영 통합 시스템을 구축하여 계통 안정성을 높이고 유연 송전 시스템과 전기에너지 저장 장치 등의 계통 안정화 설비를 적용시킬 예정이다. 따라서 신재생에너지 보급은 신산업인 ESS 등과 발전속도를 빠르게 할 것이다. 신기술과 밀접한 관계를 갖고 되고, 지금까지 소극적이었던 수요 자원을 제어하는 수요 응답(DR)기술이 연관 관계가 깊다고 할 수 있다.

3. 신재생에너지 사업 번창과 신산업과의 관계

앞에서 3가지 측면에서 검토한 바와 같이 신재생에너지는 향후에도 논란이 계속 될 것이지만 검토 결과 성장이 계속될 것이라 판단되는 바 이에 따라 계통에 투입될 것으로 예상되는 것이 ESS이다. ESS는 신재생 에너지용 외에도 주파수 조정용, 부하평준화용 및 비상용 등의 용도가 다양하며 현재 보급이 엄청나게 빨라서 2012년 1MWh이던 것이 2018년 말 3000MWh 이상이라는 용량을 갖게 될 것이라고 전망하고 있다. 이렇게 너무 빠른 발전은 지금 화재라는 달갑지 않은 악재에 시달리고 있지만 힘을 모아 난관을 뚫고 갈 것이라는 전망을 한다. 현재 미국에 수출한 국내 ESS는 아직 화재사건이 하나도 보고되지 않았기 때문이다.

또 하나의 신산업은 수요반응(DR)으로 이를 조속히 도입하여야 한다. 우리나라는 요금 체제가 전세계에서 유일하게 교차 보조 형태로 있어서 DR의 수익성을 갖기가 쉽지 않으므로 도입하기 위한 선행조건으로 실시간 요금 체계로 전환시켜야 할 것이다. 만약에 단계적으로 이것을 잘 도입하게 되면 그러면 수요가 반응을 해서 불안정한 신재생에너지 특성을 완화시키는 전력 수급과 계통 안정에 효과적인 분산자원 형태로 사용할 수 있다. 미국의 PJM의 경우는 수요자원이 성장하여 10%에 해당하는 발전자원이 되어 있다고 보고하고 있고, 일본, 프랑스 등에서 DR 도입을 위한 정책과 조치 등을 내놓고 있다.

4. 신재생에너지 보급과 미래 산업

신재생에너지 중 태양광 발전 등 많은 전원들의 전기에너지가 DC 형태이고 또한 동반 성장하는 전기에너지 저장장치인 ESS도 DC이기 때문에 이것을 현재처럼 교류로 변환하게 되면 DC/AC 변환시 손실이 발생하게 된다. 이를 줄이기 위해서는 미래에는 직류가 배전 계통에 도입되어 또 다른 새로운 DC로의 전환이 시작될 것이다. 직류의 도입은 전기의 저장이라는 기능을 인하여 더 나아가서 무선전력전송이라는 기술을 발전시키게 될 것이고 가정 및 사무실 등에는 전선이 없어지는 새로운 편리한 꿈의 세상을 펼쳐줄 것이라 생각된다. 즉, 직류 배전과 무선 전력 전송 기술이 미래 산업이 될 전망이다. 교통수단도 전기차 또는 없는 전기 철도 또는 자기부상열차 등이 경제성이 좋아지면서 출현하게 되어 우리의 생활은 더욱 편리해질 것으로 기대되는 바이다.

신산업과 미래 산업을 그림으로 표시한 것은 <그림 4>와 같다.

그림4 신산업과 미래 산업

 

 

 


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