주요국 신재생 간헐성 대응 동향
주요국 신재생 간헐성 대응 동향
  • 윤용호
  • 승인 2019.05.10
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윤용호 한전 경영연구원 선임연구원

1. 재생에너지 3020 이행 계획

2017년 신재생 발전량은 34.4TWh로 전체 발전량의 6.2%를 점유하며, 설비용량은 11.3GW로 전체 설비용량의 9.7%를 점유하고 있다. 약 10%에 해당하는 비중을 점유하는 것으로 보이지만, 발전원별 구성을 보면 폐기물과 바이오의 비중이 높아 실제 전력계통 이슈를 유발하는 변동성전원(태양광, 풍력 등)의 발전량은 8.4TWh로 전체 발전량의 1.5%에 불과하다.

정부는 2017년 12월 재생에너지 3020 이행계획을 발표하여 2030년 신재생 발전량 125.8TWh로 전체 발전량의 20%, 설비용량 기준으로 58.5GW로 전체 설비용량 대비 33.7%에 해당하는 신재생 목표를 제시하였다. 태양광과 풍력발전 중심의 보급 정책으로 변동성 전원의 발전량은 2017년 8.4TWh에서 2030년 85.6TWh로 약 10.2배 발전비중 13.6%까지, 설비용량은 2017년 6.5GW에서 2030년 51.5GW로 약 8배 대폭 확대될 예정이다.

2. 신재생발전 간헐성 영향

신재생발전은 풍량 및 일사량 등 자연조건에 의존하는 간헐적 발전 특성으로 불확실성 및 변동성을 내재한다. 불확실성(Uncertainty)은 신재생 발전출력을 정확하게 예측하기 곤란하여 필연적으로 예측오차를 수반하는 특성이다. 변동성(Variability)은 예측이 가능하더라도 발전출력이 빠르게 변화하는 특성을 말한다. 그 외 신재생발전의 출력을 인위적으로 조정하는 것이 제한적이라, 석탄화력 등 전통 발전원에서 안정적 계통운영을 위해 제공하는 보조서비스 공급능력(예비력, 전압유지 등)이 매우 떨어진다.

전통 발전원과 다른 신재생발전의 이런 고유특성으로 신재생발전 확대 시 전력계통에 다양한 이슈가 발생한다. 신재생발전의 불확실성으로 필연적으로 수반되는 신재생발전 출력예측 오차에 대비하기 위해 예비력 요구량이 증가하고 확보비용 또한 증가할 수 있다. 신재생발전의 급격한 발전 출력 변동에 대응해 백업발전(석탄, LNG 등)의 빠른 출력보상이 요구되고 이는 비용 증가를 수반한다. 태양광 발전 같은 경우, 일출과 일몰사이 발전출력이 집중된다. 태양광 발전의 출력집중에 대응해 백업발전의 빠른 출력보상(출력 증감발능력) 및 최소발전량의 중요성이 증대된다.

 

신재생발전의 계통참여가 확대될수록 역설적이게도 신재생발전의 간헐성에 대응하여 보조서비스를 제공하는 석탄화력·LNG복합 등의 전통 발전원의 계통참여가 감소하게 된다. 이런 백업발전의 감소로 계통유연성이 저하된다.

신재생발전이 급전 우선순위를 선점하여, 백업발전의 이용률이 감소하고 SMP가 하락한다. 백업발전의 경제성 악화로 백업발전의 설계수명 만료 전 조기퇴출 및 신규투자 위축이 발생한다. 전체 발전량 중 신재생 발전비중 확대로 백업발전의 계통참여 감소 및 백업발전이 제공하는 보조서비스의 양과 질이 저하된다.

3. 주요국 대응 동향

신재생발전 확대를 먼저 경험한 주요국들은 국가별 전력산업 환경에 따라 발전, 계통 및 시장 측면의 다양한 대응방안을 추진하고 있다. 각국의 대응방안을 살펴보면 공통적으로 발전 측면에서 주요 발전원의 유연성 향상, 전력계통 측면에서는 인접국과의 연계 확대 및 신재생발전 출력예측 시스템의 성능 향상, 전력시장 측면에서 보조서비스 시장의 강화에 주력하고 있다.

가. 독일 사례

독일은 신재생 확대와 맞물린 전력수요의 성장둔화로 석탄화력의 전력계통 참여가 감소하여, 잉여 석탄화력이 증가하였다. 발전사는 신재생발전 확대로 늘어난 보조서비스 니즈에 부응하며, 석탄화력의 경제성을 보완하기 위해 보조서비스 시장에 적극적으로 참여하였다. 기존 석탄화력의 성능으로는 보조서비스 공급능력이 제한적이라, Retrofit(성능개선), 유연운전에도 발전설비 노화를 막는 운영 Practice를 개발하고 있다.

그 외 인접국과 망 연계를 확대하고 신재생발전 예측시스템, 계통연계기준 등을 지속적으로 개선시키고 있다. 스웨덴, 덴마크, 체코, 폴란드, 네덜란드, 오스트리아, 스위스, 룩셈부르크 등 인접한 8개국과 전력망 연계를 통해 원활하게 전력을 융통하고 있다. 2017년 기준 인접한 국가에 총 66.3TWh의 전력을 판매하였고, 9.5TWh의 전력을 구입하였다.

2020년까지 노르웨이와 HVDC를 연계하는 등 지속적으로 인접국과의 전력망 연계를 확대해 계통 유연성을 강화하고 있다. 풍력발전의 출력 예측에 WPMS(Wind Power Management System)을 활용하고 있다. 인공신경망 기법(통계학적 학습 알고리즘)을 적용하여 독일 전 지역에 대해 예측을 수행하고 있다. ISET-독일 TSO가 연계하여 지속적 WPMS 성능을 개선시켜 예측 정확성을 대폭 향상 시켰다. 일일전 풍력발전 예측 기준 2001년 예측오차는 설비용량 대비 10%였으나, 지속적 성능개선으로 4%대 까지 감소하였다. 계통연계기준은 신재생 확대 및 신재생 기술개발과 병행하여 신재생사업자에게 부담을 강화하는 방향으로 개선하고 있다.

전력시장 측면에서는 전력시장의 경매주기를 단축하여 더욱 정확한 신재생발전 예측이 전력시장에 반영될 수 있도록 개선하였다. 당일시장(일일전 시장과 실시간 운영 사이 불균형을 조정해주는 시장)의 경매주기를 1시간에서 15분으로 단축하여, 신재생발전 예측오차에 대응하는 예비력 요구량을 감소시켰다. 또한, 보조서비스 시장의 참여조건을 완화해 수요자원, 에너지저장장치 등 다양한 신자원의 보조서비스 시장 진입을 촉진하고 있다.

나. 덴마크 사례

덴마크는 신재생발전 확대에 대응해 발전 및 전력계통 측면에서 주요 발전원인 열병합발전(CHP : Combined Heat & Power)과 신재생발전의 연계운전, 인접한 국가와 전력망 연계 확대, 신재생발전 출력예측 시스템 성능향상, 석탄화력의 성능개선 등을 추진하고 있다. 2013년 기준 전체 발전 비중의 65%를 점유하는 풍부한 열병합발전을 풍력발전의 간헐성 수용에 효과적으로 사용하고 있다. 1980년대부터 풍력발전과 열병합발전의 연계시스템(풍력발전-열병합발전-전기보일러-열저장소)을 설계하였다.

2015년 기준 전기보일러는 약 400MW가 설치되어 있고, 2020년까지 약 520MW까지 확대시킬 예정이다. 열저장소는 대다수 열병합발전소에 설치되어 있다. 풍력발전 출력이 예측 값 대비 과소일 때는 부족한 전기를 열병합발전소에서 공급하고, 열병합발전소에서 생산된 잉여 열은 열저장소에 비축한다. 예측 대비 풍력발전 출력이 과대할 때는 잉여 전기를 보일러 및 열 저장소를 활용해 열로 저장하고 있다.

그 외 인접한 노르웨이, 스웨덴, 독일 등과 약 6.5GW 규모의 전력망을 연계해 운영 중이고 2020년까지 약 1.9GW 규모로 네덜란드, 영국과 계통연계, 독일과 0.7GW 규모의 추가 전력망 연계를 계획 중에 있다. 또한, 1990년대부터 석탄화력의 대대적 성능개선을 통해 유연성을 개선하였다.

석탄화력의 보조서비스 공급능력을 개선하기 위해, 하드웨어 및 제어 소프트웨어를 개발하였다. 다각적 성능개선의 결과로 석탄화력의 최소발전용량 10∼20%, 무연탄 발전소의 출력 증감발률 3∼4% 등 세계 최고수준의 성능을 보유하고 있다. 신재생발전 예측 관련하여, 전력제어센터(Power Control Center)를 운영하고 있다. 전일 신재생발전 출력예측과 실적 간 차이를 실시간으로 계산하여, 신재생발전 예측에 활용하여 예측 정확성을 향상시키고 있다. 신재생 예측 결과는 매 5분마다 갱신되며, 통합된 시스템을 통해 전력계통 운영에 활용하고 있다.

전력시장 측면에서는 인접한 4개국인 스웨덴, 핀란드, 노르웨이와 에너지 및 보조서비스 시장을 연계하여 운영하고 있다. 인접국과의 원활한 전력거래로 덴마크 내 백업발전 만으로 대응 못한 신재생발전의 간헐성을 대응하고 있다. 그 외 보조서비스 시장을 강화하여, 에너지시장 참여만으로 경쟁력이 떨어지는 발전자원(바이오매스 열병합발전 등)의 안정적 계통참여를 보장하고 있다.

다. 미국 CAISO 사례

미국 CAISO는 발전 및 전력계통 측면에서 주요 발전원인 가스화력의 유연성 확보, ESS 설치 의무화, 예비력 확보 강화 등을 추진하고 있다. 신규 가스화력은 높은 수준의 보조서비스를 공급 가능하도록 설계하고, 에너지시장 및 보조서비스시장 참여를 통해 가스화력의 안정적 전력계통 참여를 보장하고 있다. 또한, CPUC(California Public Utilities Commission)는 ESS 설치를 의무화 하는 법안 254(Assembly bill No. 254)를 2010년 발표하였다.

이 법안은 전기판매사업자 및 지역수요관리기업에게 2020년까지 담당하는 최대 부하의 1%에 해당하는 ESS를 설치하는 의무를 부여하였다. 이런 ESS 설치 의무화 법안을 제정한 목적은 신재생발전 통합, 전력계통 최적화, 온실가스 80% 감축으로 이 법안으로 캘리포니아 3대 유틸리티는 2020년까지 1,325MW의 ESS 설치의무를 부담하게 된다. 또한, 태양광발전의 급격한 확대에 대응해 예비력 확보를 강화하고 있다. 캘리포니아 지역은 태양광 발전 확대에 따른 Duck Curve 발생으로 유연자원 확보 필요성이 증대하고 있다. 2020년까지 캘리포니아 전체 설비용량의 1/3에 해당하는 약 12GW의 출력 증감발능력이 요구될 것으로 분석된다. 이에 대응해 CAISO는 기존 예비력 외 Duck Curve 발생에 대응하는 출력 증감발 요구량을 Flexible Ramping Product라는 예비력으로 확보하고 있다. 2011년부터 개발하여 2015년에 실제 운영에 적용하였다.

전력시장 측면에서 신재생 확대에 대응해 실시간시장 및 보조서비스 시장을 강화하고 있다.

 

실시간시장의 정산주기를 기존의 1시간 평균 정산방식에서 5분으로 단축하여, 신재생발전의 간헐성에 대응하는 속응자원에 대해 보상을 강화하고 있다. 기존의 1시간 평균 정산 방식은 속응자원의 분 단위 응동에 대해 효과적인 보상이 어려웠다.

보조서비스 참여조건을 완화하고 보상을 강화하여, 신재생발전에 대응해 속응자원의 전력계통 참여를 유인하고 있다.

4. 주요국 대응방안 종합

국가별 전력산업 환경에 따라 발전, 전력계통, 전력시장 측면의 다양한 대응방안을 추진하고 있다. 발전 분야는 유연성자원(석탄, 가스, ESS) 확보, 전력망은 인접국과의 전력망 연계 확대, 신재생발전 예측시스템 성능 향상, 전력시장은 보조서비스 시장 강화에 주력하고 있다.

 


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