독일 전력망 연계의 재생에너지 수용 영향 검토
독일 전력망 연계의 재생에너지 수용 영향 검토
  • 문국현
  • 승인 2021.10.12
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문국현 한국전력공사 경영연구원 선임연구원

❶ 개황

가. 독일 에너지전환 정책 개요

지난 2011년 독일 정부는 국가 에너지기본계획(Energie konzept 2050) 수립을 통해 2050년까지의 에너지전환 방향을 제시했다. 주요 내용으로는 재생에너지 확대, 에너지효율 향상, 온실가스 감축이 있으며 분야별 에너지전환을 위한 장기 목표를 설정했다.

 

아울러 원활한 에너지전환 이행을 위해 규제(법적 수단), 지원(재정적 인센티브), 서비스(자문 및 정보 제공) 측면에서 정책 수단을 발굴하고 이행하고 있다.

나. 독일 전력 수출입 현황

독일은 2018년 기준 인접한 9개 국가와 전력망이 연계되어 있으며 전일 에너지시장 거래량 실적을 기준으로 수출량이 수입량보다 많은 순수출국이다. 연계된 국가로는 덴마크, 스웨덴, 폴란드, 체코, 오스트리아, 스위스, 프랑스, 룩셈부르크, 네덜란드가 있다. 인접국 중 유일하게 벨기에와의 연계선은 없지만 향후 HVDC로 건설할 예정이다. 전력 수출입 실적은 전일 계획상 ‘에너지시장 거래량’과 당일 운영상 ‘물리적 전력조류’로 구분돼 관리되고 있다. 수출입 실적에 차이가 나타나는 이유는 전일 시장과 실시간 운영 간의 수급환경 차이, 연계선로 혼잡 등으로 제3국가 경유 송전 등이 존재한다.

다. 전력거래 특징

Vahrenholt 연구소의 분석 결과 당일 물리적 전력조류 기준으로 2016년 독일이 인접국에 수출한 전력량 81TWh 중 풍력발전에서 생산한 전력량은 50TWh(62%)로 추정된다. 전력조류에 영향을 미친 발전원 추적은 원칙상 불가능하나 풍력발전 증가분과 연계선 조류량 간의 상관관계를 분석해 대략적인 영향관계를 파악했다. 또한 2016년 독일 풍력발전의 총 발전량은 85TWh으로 자국에서 소비되는 전력량보다(35TWh) 외국에 수출한 전력량(50TWh)이 더 많은 상황이다. 독일의 태양광은 약 74%가 자가용 발전으로 대부분의 발전량이 생산지역에서 소비되나 풍력은 자가용 비중이 거의 없어 생산 전력이 배전망을 거쳐 송전망으로 역송되고 일부는 외국으로 수출된다.

연도별 추세를 살펴보면 물리적 전력조류 실적을 기준, 2011~2018년 연평균 수출량 증가율은 5.8%로 불규칙적이지만 증가하는 추세가 나타나고 있다.

월별 추세는 풍력발전량이 높은 기간인 10~3월에는 수출량이 증가하며, 발전량이 낮은 4~7월에는 수출량이 감소한다.

❷ 국가별 전력거래 영향

가. 독일 영향

2016년 독일은 운영예비력 필요량의 57%를 인접국 거래를 통한 전력수입으로 충당하고 있다. 예비력 가용자원이 풍부한 동유럽 국가(체코, 폴란드 등)와의 전력거래로 독일 전력망에 필요한 예비력 자원을 확보한다. 운영예비력 자원으로 활용 가능한 석탄과 가스의 2017년 발전량 비중은 폴란드가 83.9%, 체코 57.4%에 비해 독일은 48%로 낮다. 독일의 운영예비력 외부 의존도(57%)는 유럽 국가 중 라트비아(84%)에 이어 2위다. 참고로 주요국 운영예비력 외부 의존도는 슬로바키아 3%, 프랑스 11%, 헝가리 16%, 벨기에 40%로 나타난다.

한편, 변동성 재생에너지 보급 확대에도 불구하고 예비력 자원 확보를 위한 독일 보조서비스 시장의 거래 규모는 감소하는 추세다. 지난 10년간(2007~2016년) 보조서비스 시장 규모의 연평균 변화율은 -12.3%로 나타난다. 시장 규모 감소의 원인은 인접국 전력거래를 통한 예비력 자원 수입량 증가(Imperial College London, 2018)가 주요 원인으로 제시된다. 상대적으로 인접국 전력거래가 적은 영국에서는 2010년→2016년 보조서비스 시장 규모 연평균 8.1% 증가했으며 보조서비스 시장 거래규모는 2010년 7억 6,000만 파운드에서 2016년 12억 1,000만 파운드로 확대됐다.

재생에너지 수용 측면에서는 국가 간 전력거래가 대규모 풍력발전의 가동제약(Curtailment) 용량 감소에 기여하고 있다. 2016년 독일-덴마크와의 연계선 고장으로 풍력에너지의 수출에 지장이 발생한바 있다. 당시 덴마크 접경지역 슈레스비히-홀스타인州의 풍력 가동제약 비율은 26%를 기록하며 인접 지역 및 독일 평균치 4.4%에 비해 높은 값을 기록했다(가동제약 비율 : 가동제약 용량÷총 발전량). 독일 경제기술부 자료에 따르면 독일은 인접국으로의 전력수출을 통해 재생에너지 과잉생산에 의한 가동제약 용량 감소 및 보상비용 절감 달성하고 있다고 분석하고 있다.

나. 프랑스 전력시장 영향

2018년 독일은 프랑스에 8.4TWh의 전력을 순수출하였다.(수출 14.8TWh, 수입 6.4TWh) 풍력 발전량이 많은 동계기간(11~3월)에 프랑스로 수출하는 전력량이 증가하는 특징이 나타난다.

독일이 인접국가에 수출하는 전력은 대부분 재생에너지의 잉여 발전량으로 프랑스에 수출되는 전력량은 패턴이 불규칙하고 변동성이 큰 특징을 보인다.

독일로부터 수입한 전력이 프랑스 전일시장 가격 변동성에 미치는 영향은 시간대별로 다르게 나타난다.

먼저 기저부하 시간대에는 독일의 불규칙한 재생에너지의 영향으로 프랑스 도매시장의 가격 변동성이 증가한다. 해당 시간대 프랑스는 원자력, 석탄화력과 같은 변동비가 낮은 전원으로 급전을 담당하는데 간헐적 에너지원 도입으로 가격 변동성이 증가하는 것으로 확인된다. 아울러 기저시간에는 태양광에 비해 변동성이 높은 풍력발전의 영향을 받게 된다. 독일의 재생에너지원 별 10분 단위 최대 출력변화율은 풍력이 26%로 태양광의 20% 대비 높게 나타난다.

다음으로 중간·첨두부하 시간대에서는 저렴한 에너지원의 도입으로 변동비 편차가 높은 가스화력 이용률이 하락해 가격 변동성이 감소하는 효과가 발생한다. 독일의 저렴한 재생에너지원은 우선적으로 경제급전에 사용돼 변동비가 높은 가스발전 이용률을 하락시키거나 기동을 중지할 수 있다. 독일에서 수입되는 전력량에도 변동성이 존재하나, 가스화력 이용률 하락에 따른 영향이 더욱 커서, 결과적으로 가격 변동성이 하락하는 결과가 나타난다.

전 시간대에 걸쳐 분석하면 전반적으로 프랑스의 가격 변동성이 감소하는 영향이 나타난다. 프랑스의 전력산업 규모가 크고 충분한 유연성을 확보하고 있어 독일로부터 수입되는 재생에너지의 변동성을 충분히 수용할 수 있다. 독일에서 수입한 저렴한 재생에너지는 높은 변동비를 보이는 가스화력의 이용률을 경감시켜 시간대별 가격 편차를 완화해주는 영향이 있다.

독일과의 전력거래는 프랑스 전일시장 가격 변동성을 경감시키고 있으며 중간·첨두부하 시간대의 전력거래 비중이 증가하면 영향이 증가할 것으로 예상된다. 당일시장에서도 독일로부터 수입한 전력은 가격 변동성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석된다. 2017년 10월 28일부터 30일까지 독일 시장에서 마이너스 시장가격이 형성된 시간대에서 프랑스의 가격 변동성은 높게 나타나지 않는 것으로 확인된다. 참고로 해당 시간대 독일 재생에너지 발전량이 급증해 프랑스로 재생에너지 수출이 예상보다 크게 증가했다.

독일의 불안정한 전력의 수입이 프랑스의 전일/당일시장에 큰 영향이 나타나지 않는 배경은 전체 믹스 대비 양국 간 거래비중이 낮고(전일시장) 변동성 완화에 도움이 되는 방향으로 전력거래가 이루어졌으며(당일시장) 높은 유연성을 보유해 예상치 못한 송전에 대응 가능했기 때문이다.(Vienna University)

또한 2017년 프랑스의 독일로부터의 전력수입 비중은 전체 공급량의 3.7%로 시장변동성 문제를 겪고 있는 스위스(18.1%), 체코(5.9%) 등에 비해 낮다. 저렴한 에너지원의 도입으로 변동비 편차가 높은 가스화력 이용률이 하락해 가격변동성이 감소하는 효과가 발생한다. 뿐만 아니라 프랑스 전력망은 많은 유연성 자원을 보유하고 있어 예상하지 못한 송전에 대응 가능하다.

즉 변동성 높은 재생에너지라도 활용환경 및 방법에 따라 주변국 전력시장 가격 변동성을 완화하는 영향을 미칠 수 있다.

국가별 수급환경을 감안해 이득이 되는 방향으로 전력거래 유도가 필요하다고 볼 수 있겠다.

다. 기타 독일 인접국 영향

폴란드의 경우 자국으로 유입된 풍력생산 전력으로 인해 남-북을 연계하는 송전선로에 혼잡이 발생하고 전력공급 불안정성이 증가하는 영향을 받는다. 독일 남-북 간 송전망이 부족함에 따라 생산되는 초과전력이 이웃하고 있는 폴란드 전력망으로 송전되어 내부 송전망 혼잡을 야기한다. 2015년 8월 독일에서 유입된 재생에너지로 인한 송전혼잡으로 폴란드 산업단지에 일시적 순환정전(Brown out)이 발생했다. 1차적으로는 폴란드 내 석탄발전 고장이 원인이었으나 독일 재생에너지에 의한 송전망 혼잡이 백업발전 사용불가 문제를 야기해 순환정전으로 이어졌다. 2016년 폴란드는 독일의 과도한 송전을 차단하기 위해 위상변환기(Phase Shifter)를 설치했고 해당조치로 독일 풍력발전 수입량을 제한하고 있다. 송전혼잡에 따른 제약발전 비용 증가분은 연간 340억 원으로 추산된다.

스위스의 경우 도매시장 가격이 하락하는 효과가 나타나지만 불규칙한 재생에너지 공급패턴으로 인해 가격 변동성은 증가한다. 수입전력으로 인해 스위스 도매시장 가격이 약 10% 내외 하락하고 가격변동성은 증가하는 것으로 나타난다. 독일 태양광 발전의 영향으로 접경지역에 덕-커브 현상이 발생되는데, 양수발전 운영을 통해 적절히 대응해 수급 불안은 나타나지 않는다.

체코의 국영 전력회사 ČEZ Group은 독일로부터 도입한 재생에너지의 영향으로 실적이 악화되고 있다. ČEZ Group의 연간 EBITDA는 2009년(독일 재생E 수입 이전) 4조 7,000억 원에서 2015년(수입 이후) 3억 4,000만 유로로 29% 감소했다. 실적감소의 주요 원인은 독일로부터 변동비가 저렴한 재생에너지를 도입해 기존 화력발전 중심의 ČEZ Group의 시장경쟁력이 약화됐기 때문이다.(Earning Before Interest, Tax, Depreciation and Amortization = 순이익 + 이자비용 + 법인세 + 감가상각비)

❸ 전망 또는 향후 계획

독일은 효율적 에너지전환 정책 이행을 위해 인접국과의 재생에너지 중심의 전력거래를 확대하는 추세에 있다. 다만 최근 2년간(2019~2020년) 독일 내 석탄발전 수출량 감소로 순 전력수출량은 감소했다.

전력거래를 통해 재생에너지 과잉생산에 의한 가동제약 용량을 감소하고 예비력 가용자원을 확보함으로써 전력망 불안 문제를 극복 가능하다. ENTSO-E 연계망은 독일의 탈원전에 따른 발전량 부족을 충당할 수 있는 대체전원인 동시에 재생에너지 과잉생산 발전량을 해소하는 역할을 담당한다. 독일이 선도적 에너지전환이 가능했던 배경 중 하나는 ENTSO-E 전력망을 통해 인접국가의 유연성 자원을 활용했던 것에 있다.

독일의 재생에너지 전력수출 증가로 인접국가에서는 전력망·시장 운영 불안문제가 발생되고 있으며 독일 정부는 인접국에서 발생되는 문제 해소를 위해 각국 정부와 공동 대응하고 있다. 독일 남북 간 및 독일-오스트리아 간 송전망이 부족함에 따라 생산되는 초과전력이 독일 전력망의 수용범위를 벗어나 병목 현상을 발생시키고 이웃하고 있는 체코와 폴란드 등 전력망으로 송전돼 과부하를 야기하고 있다. 독일은 인접국과 전력거래를 지속하기 위한 노력을 기울이고 있으며, 외교적 마찰이 발생하지 않도록 정책추진 속도 완화, 송전선로 확충 지원 등 방안을 검토하고 있다.

제시된 독일의 주변국 전력망·시장 영향 관계는 사례가 적어 일반화하기 어려워 향후 분석 사례를 확대해 인과관계를 명확히 진단할 예정이다.

문국현 한국전력공사 경영연구원 선임연구원 keaj@kea.kr


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