❶ 검토 배경

주요국에서는 안전하고 깨끗한 에너지 공급체계로의 전환을 위해 태양광과 풍력 등 재생에너지 비중을 확대하는 추세로, 변동성 재생에너지의 출력 특성(예측 및 제어 불가, 높은 출력 변동)과 분산된 입지 특성은 전력망에 부정적 영향과 추가 비용을 유발한다.

 

재생에너지 보급 확대에 따른 전력망 영향에 대한 인식이 증가하며 최근 유럽과 북미를 중심으로 수용비용 및 System LCOE에 산정사례가 증가하고 있으며 발전원간 경제성 비교를 위해 변동성 재생에너지의 전력망 영향을 고려한 수용비용(Integration Cost) 검토가 필요하다.

❷ 수용비용 개념

가. 개념 및 구성 요소

수용비용(Integration Cost)은 변동성 재생에너지의 시장 및 계통 영향을 비용화해 발전량 당 단가(원/kWh)로 환산한 개념이다. 재생에너지 설비를 전력망에 연결하고 전기에너지를 고객에게 전달하는 과정에서 발생하는 비용을 의미한다. 수용비용은 변동성, 간헐성 및 계통보강 비용으로 구성된다. 구분 방법은 기관별로 다양하지만 변동성 재생에너지(VRE)의 간헐성 대응 및 계통 설비 보강에 따른 비용을 반영한다.

나. System LCOE

LCOE는 발전설비의 전 수명에 걸친 투자비 및 운영비를 발전량 당 단가로 환산한 개념이다. 발전소 단위 비용만을 의미하고 있으나 최근 수용비용을 반영한 System LCOE 산정 요구가 증가하고 있다. System LCOE는 기존 LCOE에 수용비용을 더한 것으로 정의되며 발전원 간 비교를 위해 발전소 단위에서 수용비용을 반영하여 시스템 비용으로 확장된다.

❸ 주요 기관 산정사례

가. NEA(OECD)

NEA는 2012년 연구에서 주요 OECD 국가별/발전원별 수용비용을 산정했다. 수용비용은 변동성, 간헐성, 계통접속 및 계통보강의 4가지 비용으로 구분했으며 6가지 발전원(원자력, 석탄, 가스복합, 태양광 육상/해상풍력)을 대상으로 수용비용을 산출했다.

미국의 태양광 수용비용은 17.3~33원/kWh, 육상풍력은 19~23.2원/kWh, 해상풍력은 24~33원/kWh로 독일이나 영국보다 적고 특히 간헐성 비용에서 큰 차이를 갖는다.

독일의 태양광 수용비용은 41.6~96.8원/kWh, 육상풍력은 22.6~51.2원/kWh, 해상풍력은 32.6~50원/kWh이다. 계통보강 비용은 미국의 약 2~10배지만 계통접속 비용은 비슷한 수준이다.

영국의 태양광 수용비용은 67.8~83.7원/kWh, 육상풍력은 21.7~35.3원/kWh, 해상풍력은 39.8~53원/kWh으로 미국보다 전력망 수용비용이 더 많다. 특히 변동성 비용에서 큰 차이가 있다. 발전량 비중이 증가할수록 태양광의 전력시장 및 계통에 미치는 비용이 육상풍력 및 해상풍력보다 더 크다.

나. Potsdam Institute(독일)

포츠담 연구소는 2013년 연구에서 독일 풍력발전의 수용비용 및 System LCOE를 산정했으며 수용비용은 변동성 비용, 간헐성 비용 및 계통보강 비용으로 구성된다고 가정했다. 육상풍력의 수용비용은 47.2~95원/kWh, System LCOE는 126.4~174.2원/kWh로 나타났다. 변동성 비용의 비중이 가장 크고 다음으로 계통보강 비용, 간헐성 비용 순이며 수용비용 단가는 풍력발전량 비율이 커질수록 증가했다.

다. Agora Energiewende (독일/오스트리아)

아고라-에네르기벤데 연구소는 2015년 연구에서 독일과 오스트리아 연계 계통의 태양광, 육상 및 해상풍력 수용비용을 산출했다. 수용비용은 간헐성 비용, 계통접속 및 보강비용으로 구성되고 변동성 대응 비용은 산정대상에서 제외했다.

유연성 비용 산정 시 전력시장 통계 데이터를 사용한 분석 방법론과 모의 프로그램을 이용한 방법론을 각각 적용해 중부 유럽에서의 수용비용을 산정했다. 태양광 수용비용은 11.2원/kWh, 육상풍력과 해상풍력은 각각 17.1원/kWh와 48.8원/kWh로 분석됐다. 계통 접속 및 보강 비용이 간헐성 비용보다 많으며 해상풍력은 태양광의 약 4.4배다.

라. KU Leuven(벨기에)

벨기에의 뢰번 가톨릭 대학교에서는 2016년 자국의 재생에너지 수용비용을 산정했으며 변동성 재생에너지(태양광과 풍력을 구분하지 않음)의 수용비용을 산정했다. 수용비용은 변동성 비용, 간헐성 비용 및 계통접속·보강 비용으로 구성되는 것을 가정했다. 원전 폐지 여부, 온실가스 배출 목표 등을 반영한 시나리오를 설계하고 시나리오별 재생에너지 용량, 부하 및 연료비 등을 다르게 설정했다. 분석 결과 변동성 재생에너지의 수용비용은 13.1~33.2원/kWh로 나타났다.

마. The University of Texas at Austin(미국 텍사스)

텍사스 오스틴 대학교에서는 2017년 연구를 통해 수용비용 및 System LCOE를 산정했다. 재생에너지 수용비용은 간헐성 비용, 변동성 비용 및 계통접속 비용으로 정의했으며 변동성 비용에는 백업 설비 투자비, 운영비 증가분과 공급과잉 비용(Curtailment)을 반영했다.

텍사스 독립계통에서 태양광과 육상풍력, 해상풍력을 대상으로 수용비용을 분석했고, 태양광 34.7원/kWh, 육상풍력 29.4원/kWh, 해상풍력 38.2원/kWh으로 나타났다. System LCOE는 태양광 107.5원/kWh, 육상풍력 91.4원/kWh, 해상풍력 169.1원/kWh으로 산출됐다. 같은 조건일 경우 해상풍력의 수용비용이 태양광 및 육상풍력보다 더 크며 변동성 재생에너지의 수용비용을 반영하면 기존 LCOE에서 약 30~40원/kWh 증가한다.

바. Energy Research Centre of the Netherlands (네덜란드)

네덜란드 에너지 연구센터에서는 2017년 연구를 통해 네덜란드 육상풍력의 수용비용 및 System LCOE를 분석했다.

육상풍력 발전량 비중이 25%와 60%인 경우의 수용비용 및 System LCOE를 산정했으며 변동성과 간헐성 비용만 고려하고 계통보강 및 접속 비용은 반영하지 않았다. 육상풍력의 수용비용은 32.7~42원/kWh이고 System LCOE는 102.7~121.4원/kWh으로 나타났으며 수용비용 중 변동성 비용의 비중이 65~85%로 가장 크다. 국가 간 상호연결과 전력거래는 변동성 재생에너지의 수용비용을 감소시키는 효과가 있는 것으로 분석됐다.

❹ 산정 결과 비교

가. 태양광

주요 기관의 태양광 수용비용 산정 결과 최소 11원/kWh부터 최대 97원/kWh까지 나타났으며 태양광 수용비용은 국가별 계통 운영 환경 및 재생에너지 발전량 비중 등에 따라 다양하게 나타났다. 발전량 비중이 증가할수록 태양광의 시장·계통 영향 증가에 따라 단가가 더 높아지며 수용비용을 반영하면 기존 태양광 LCOE에서 약 50% 증가한다.

나. 육상풍력

육상풍력은 17~74원/kWh로 수용비용이 산정됐다. 같은 발전량 비중을 가정하면 육상풍력보다 태양광이 시장·계통에 미치는 비용 영향이 더 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 태양광이 야간시간에 발전할 수 없으므로 야간 백업 공급설비가 필요해 수용비용이 높기 때문이다. 수용비용을 반영하면 기존 육상풍력 LCOE 대비 약 50~100% 증가한다.

❺ 결론 및 시사점

주요 기관에서는 국가별 고유 환경을 반영한 수용비용 및 System LCOE를 산정했으며 연구기관에 따라 분석 전제가 다르므로 연구 결과에도 차이가 존재했다.

수용비용은 태양광 11~97원/kWh, 육상풍력 17~74원/kWh 수준으로 나타났으며 같은 조건을 가정하면 태양광의 수용비용이 육상풍력보다 크다. 이러한 결과의 주요 원인은 ‘덕 커브’ 현상 대응을 위한 백업 비용 및 배전 설비 보강 비용이 추가로 필요하기 때문이다.

재생에너지 발전량 비중이 증가할수록 전력망 수용비용은 상승한다. 재생에너지의 지역편중, 변동성 중첩 및 운영 예비력 가용자원 감소 등의 영향으로 전력망 신뢰도 유지에 필요한 단위 비용이 증가했다. 기존 LCOE가 시간의 흐름에 따라 지속해서 하락하는 추세를 보인 것과는 반대로 수용비용은 현재보다 미래에 더 증가할 가능성이 있다(포츠담연구소, 2013).

전력망 영향 고려 시 재생에너지 LCOE가 최대 2배 가까이 상승하였으므로 전력망 영향을 고려한 System LCOE를 반영하면 그리드패리티 달성 시점이 지연될 것으로 예상된다.

재생에너지 수용비용은 기존 구입전력비 및 설비 투자비에 포함되어 있으므로 RPS 정산 비용 등과 달리 비용 규모를 정확히 인지하는데 어려움이 존재한다. 기존 예비력 비용 및 설비 투자비에 포함되어 있으므로 사후에도 소요 비용을 정확히 추산할 수 없다. 재생에너지 수용에 따른 부담 비용 발생을 정확히 인지하지 못할 경우 전력회사의 비용 미회수 문제가 발생할 수도 있다.

향후 시장 및 계통 영향을 반영한 System LCOE 산정 및 활용이 필요하다. 또한 수급계획 수립 및 발전원별 경제성 비교시 전력망 영향을 고려한 System LCOE 적용을 검토할 필요가 있다.

이순정 한국전력공사 경영연구원 선임연구원 keaj@kea.kr