디지털 사회에서 국가 산업 경쟁력의 필수 불가결한 요소인 전기에너지.
원전과 석탄화력 위주의 전원을 국제적인 흐름에 따라
신재생 기반의 전원으로 급속히 전환해야 하는 과도기에 처하게 되었다.
국익에 부합하는 에너지 전환을 어떻게 이루어야 하는가?
1. 머리말
현대 디지털 산업시대에서 전기에너지는 국가 산업의 경쟁력에 필수 불가결한 요소이다. 우리나라 전력은 1948년 5월 14일, 북한의 일방적인 단전으로 발전용량 379MW의 암흑기로 출발하였으나 2020년말 111.6GW로 약 300배 가량 성장하였으며, 값싸고 우수한 전력품질로 국가산업의 경쟁력을 높이는 원동력 역할을 하고 있다.
그러나 국제적인 에너지전환의 흐름에 따라 우리 전력계통은 현재의 원전과 석탄화력 위주의 전원을 신재생 기반의 전원으로 급속히 전환해야 하는 과도기에 처해 있다. 2020년 12월에 발표된 9차전력수급계획에 의한 전력전환은 2030년 온실가스 배출을 8차계획 대비 15.1%(0.342억톤) 정도 감축할 것으로 전망되나, 재생전원의 비율이 크게 증가시켜 수요의 최대 70% 이상을 공급하게 되는 상황을 유발하여 적절히 대처하지 못할 경우 전력공급신뢰도/품질을 저하시켜 국가안보와 산업경제에 부정적 영향으로 작용할 것으로 예견된다.
따라서 본고에서는 제시된 전력망의 미래 상황을 기술적 시각에서 분석하고 전력안보대책을 논함으로써 국익에 부합하는 에너지전환방안 수립에 일조하고자 한다.
2. 전력망 특성과 에너지전환 정전사례
전력[W:watt]은 전기에너지의 시간변화분으로 발생과 동시에 소비되어야 하는 수급일치성 에너지이기 때문에 수급에 시간이 허용되는 열에너지[J : Joule]와 구분된다. 따라서 전력망 상에 외란(발전기/부하 탈락, 전선로 또는 변압기의 고장 탈락 등)이 발생하여 전력 수급이 불일치하거나 안전운전한계를 벗어나는 상황이 발생하면 정전(Blackout)이 발생한다.
재생전원 위주의 에너지전환은 기존의 동기발전기들을 간헐성(intermittancy), 변동성(variability)이 높은 외란성전원(태양광 풍력 등)위주로 대체함으로써 제어특성을 악화시켜 전력망의 신뢰도/품질을 저하시킬 수 있으며, 기상 및 시장문제와 결합되는 경우 대정전으로 진전될 수 있다. 그 사례로 2019년 8월 9일 16:58에 발생한 영국 중남부 정전, 2016년 9월29일 16:18에 발생한 남호주 전역의 정전, 2020년 8월 15일의 캘리포니아 순환정전, 2017년 8월 15일 타이완 정전 등을 들 수 있다. 국내에서도 2020년 3월 28일(토) 15:54에 발생한 신보령#1발전기(805MW)의 탈락과 주파수 저하에 의해 약 450MW 태양광발전력이 추가 탈락됨으로써 계통안전성을 위협하였다.
<그림 1> 영국의 잉글랜드와 웰스정전
<그림 2> 남호주 지역의 정전과 복구
3. 전력안보 상의 문제와 대책
우리나라 3차 에너지기본계획( 2019년 6월)에서는 2040년의 전기에너지의 32.4%를 신재생에너지로, 9차전력수급계획에서는 2034년 전력수요의 70%를 상회하는 77.8GW를 신재생전원으로 계획하였다.
<그림 3> 2034년 우리나라 전원구성
<그림 4> 2034년 전원계획과 부하
이와 같은 전원계획은 전력계통의 관성을 크게 저하시키는 동시에 전력망에 단기 변동성외란(1GW/5분max)과 장기램핑전력을 증가시켜(상승시 35.4GW/3시간, 강하시 25.5GW/3시간) 안정화설비 및 운영예비력 확대를 요구하게 되며, 재생전원이 지역적으로 편재될 경우 수~수십GW의 전력을 백km 이상의 장거리로 전송하게 되는 상황이 발생한다. 또한 재생전원 증가와 함께 늘어난 전력변환장치들(Converter, HVDC, FACTS)은 교류특성과 충분히 정합운전되지 않는 경우 계통안전성을 악화시킬 수 있다. 이 현상은 2034년도 춘추계 주말 낮 상황(재생전원 비중 : 64%)을 모의한 결과 관측된 계통동요로 추정할 수 있었으며, 8차수급계획을 기반으로 검토된 결과에 의하면 2026년 이후부터 전력망은 안정도상으로 수용한계에 봉착하는 것으로 평가되고 있는 바, 그린뉴딜에 의해 추가재생전원이 투입되는 것을 감안하면 전력망 불안정의 위험은 보다 앞당겨질 수 있을 것으로 보인다.
<그림 5> 춘추계 주말 경부하 시 상정사고에 대한 계통주파수와 ESS에 의한 안정화
4. 맺는 말- 원인과 대책
이상의 전력망 불안정의 원인은 국내 에너지환경과 전력기술/시장 및 에너지전환에 대처하는 전력정책의 한계성과 밀접한 관계를 갖고 있다. 그것은 기존 교류전력시스템과 다른 특성을 갖는 재생전원의 특성을 계획 단계에서 충분히 반영하지 못한데 연유하며 이것은 전력정책 의사결정 요로에 전문가가 배제된 행정가 위주의 인적구성에 기인한 바가 크다. 따라서 이를 개선하기 위한 대책으로 다음을 제시한다.
① 에너지전환 환경에서 국가 경쟁력을 확보하는 전력안보규정(신뢰도/품질 및 경제성평가 규정 포함)을 제.개정,
② 전력망계획의 모니터링 및 검토, 데이터를 공유, 이해당사자들 간의 이슈를 컴퓨터기반 분석 조정할 수 있는 사회기관기구의 설치 운영
③ 계통안정화 신기술의 시장진입이 가능하도록 전력시장의 구조개선 비용 현실화
④ 에너지믹스계획 수립과 전력망동특성 해석에 적합한 Tool/데이터의 표준화/와 전문인력 풀 확장에 의한 정밀한 전력망 의사결정 시스템의 정립
⑤ 증가되는 외란에 대처가능한 실시간 통합전력망 HVDC-FACTS 제어구조의 확립
디지털 사회에서 국가 산업 경쟁력의 필수 불가결한 요소인 전기에너지.
원전과 석탄화력 위주의 전원을 국제적인 흐름에 따라
신재생 기반의 전원으로 급속히 전환해야 하는 과도기에 처하게 되었다.
국익에 부합하는 에너지 전환을 어떻게 이루어야 하는가?
1. 머리말
현대 디지털 산업시대에서 전기에너지는 국가 산업의 경쟁력에 필수 불가결한 요소이다. 우리나라 전력은 1948년 5월 14일, 북한의 일방적인 단전으로 발전용량 379MW의 암흑기로 출발하였으나 2020년말 111.6GW로 약 300배 가량 성장하였으며, 값싸고 우수한 전력품질로 국가산업의 경쟁력을 높이는 원동력 역할을 하고 있다.
그러나 국제적인 에너지전환의 흐름에 따라 우리 전력계통은 현재의 원전과 석탄화력 위주의 전원을 신재생 기반의 전원으로 급속히 전환해야 하는 과도기에 처해 있다. 2020년 12월에 발표된 9차전력수급계획에 의한 전력전환은 2030년 온실가스 배출을 8차계획 대비 15.1%(0.342억톤) 정도 감축할 것으로 전망되나, 재생전원의 비율이 크게 증가시켜 수요의 최대 70% 이상을 공급하게 되는 상황을 유발하여 적절히 대처하지 못할 경우 전력공급신뢰도/품질을 저하시켜 국가안보와 산업경제에 부정적 영향으로 작용할 것으로 예견된다.
따라서 본고에서는 제시된 전력망의 미래 상황을 기술적 시각에서 분석하고 전력안보대책을 논함으로써 국익에 부합하는 에너지전환방안 수립에 일조하고자 한다.
2. 전력망 특성과 에너지전환 정전사례
전력[W:watt]은 전기에너지의 시간변화분으로 발생과 동시에 소비되어야 하는 수급일치성 에너지이기 때문에 수급에 시간이 허용되는 열에너지[J : Joule]와 구분된다. 따라서 전력망 상에 외란(발전기/부하 탈락, 전선로 또는 변압기의 고장 탈락 등)이 발생하여 전력 수급이 불일치하거나 안전운전한계를 벗어나는 상황이 발생하면 정전(Blackout)이 발생한다.
재생전원 위주의 에너지전환은 기존의 동기발전기들을 간헐성(intermittancy), 변동성(variability)이 높은 외란성전원(태양광 풍력 등)위주로 대체함으로써 제어특성을 악화시켜 전력망의 신뢰도/품질을 저하시킬 수 있으며, 기상 및 시장문제와 결합되는 경우 대정전으로 진전될 수 있다. 그 사례로 2019년 8월 9일 16:58에 발생한 영국 중남부 정전, 2016년 9월29일 16:18에 발생한 남호주 전역의 정전, 2020년 8월 15일의 캘리포니아 순환정전, 2017년 8월 15일 타이완 정전 등을 들 수 있다. 국내에서도 2020년 3월 28일(토) 15:54에 발생한 신보령#1발전기(805MW)의 탈락과 주파수 저하에 의해 약 450MW 태양광발전력이 추가 탈락됨으로써 계통안전성을 위협하였다.
<그림 1> 영국의 잉글랜드와 웰스정전
<그림 2> 남호주 지역의 정전과 복구
3. 전력안보 상의 문제와 대책
우리나라 3차 에너지기본계획( 2019년 6월)에서는 2040년의 전기에너지의 32.4%를 신재생에너지로, 9차전력수급계획에서는 2034년 전력수요의 70%를 상회하는 77.8GW를 신재생전원으로 계획하였다.
<그림 3> 2034년 우리나라 전원구성
<그림 4> 2034년 전원계획과 부하
이와 같은 전원계획은 전력계통의 관성을 크게 저하시키는 동시에 전력망에 단기 변동성외란(1GW/5분max)과 장기램핑전력을 증가시켜(상승시 35.4GW/3시간, 강하시 25.5GW/3시간) 안정화설비 및 운영예비력 확대를 요구하게 되며, 재생전원이 지역적으로 편재될 경우 수~수십GW의 전력을 백km 이상의 장거리로 전송하게 되는 상황이 발생한다. 또한 재생전원 증가와 함께 늘어난 전력변환장치들(Converter, HVDC, FACTS)은 교류특성과 충분히 정합운전되지 않는 경우 계통안전성을 악화시킬 수 있다. 이 현상은 2034년도 춘추계 주말 낮 상황(재생전원 비중 : 64%)을 모의한 결과 관측된 계통동요로 추정할 수 있었으며, 8차수급계획을 기반으로 검토된 결과에 의하면 2026년 이후부터 전력망은 안정도상으로 수용한계에 봉착하는 것으로 평가되고 있는 바, 그린뉴딜에 의해 추가재생전원이 투입되는 것을 감안하면 전력망 불안정의 위험은 보다 앞당겨질 수 있을 것으로 보인다.
<그림 5> 춘추계 주말 경부하 시 상정사고에 대한 계통주파수와 ESS에 의한 안정화
4. 맺는 말- 원인과 대책
이상의 전력망 불안정의 원인은 국내 에너지환경과 전력기술/시장 및 에너지전환에 대처하는 전력정책의 한계성과 밀접한 관계를 갖고 있다. 그것은 기존 교류전력시스템과 다른 특성을 갖는 재생전원의 특성을 계획 단계에서 충분히 반영하지 못한데 연유하며 이것은 전력정책 의사결정 요로에 전문가가 배제된 행정가 위주의 인적구성에 기인한 바가 크다. 따라서 이를 개선하기 위한 대책으로 다음을 제시한다.
① 에너지전환 환경에서 국가 경쟁력을 확보하는 전력안보규정(신뢰도/품질 및 경제성평가 규정 포함)을 제.개정,
② 전력망계획의 모니터링 및 검토, 데이터를 공유, 이해당사자들 간의 이슈를 컴퓨터기반 분석 조정할 수 있는 사회기관기구의 설치 운영
③ 계통안정화 신기술의 시장진입이 가능하도록 전력시장의 구조개선 비용 현실화
④ 에너지믹스계획 수립과 전력망동특성 해석에 적합한 Tool/데이터의 표준화/와 전문인력 풀 확장에 의한 정밀한 전력망 의사결정 시스템의 정립
⑤ 증가되는 외란에 대처가능한 실시간 통합전력망 HVDC-FACTS 제어구조의 확립
