재생에너지 새로운 세상을 꿈꾼다 - ③
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  • 변국영 기자
  • bgy68@energydaily.co.kr
  • 승인 2019.05.20 09:39
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유연성자원으로 대응 못하면 인접국과 전력거래로 해결


저하된 석탄화력 경제성 보완 위해 ‘보조서비스시장’ 적극 활용
인접국과 계통·전력시장 연계… CHP·신재생 연계 운전도 시도

[에너지데일리 변국영 기자] 신재생발전은 풍량과 일사량 등 자연조건에 의존적이기 때문에 간헐성(불확실성+변동성)이 존재할 수밖에 없다. 이러한 불확실성은 발전출력 예측을 어렵게 하고 예측 오차를 불러온다. 예측 오차 및 빠른 출력변동으로 인해 예비력 요구량 및 백업비용이 증가하며 출력조정이 제한적이어서 보조서비스 능력도 떨어질 수밖에 없다. 예측 오차에 대비하기 위한 예비력 요구가 커지고 신재생의 급격한 출력변동 및 출력 집중으로 백업발전 비용도 늘어난다.

한전경영연구원은 최근 이와 괸련한 보고자료를 내놓았다. 신재생발전 비중이 높은 독일, 덴마크, 미국은 국가별 전력산업 환경에 따라 발전, 계통 및 시장 측면의 대응방안을 추진하고 있다. 발전 분야는 유연성자원(석탄, 가스, ESS) 확보, 계통은 인접국과의 연계 및 신재생 예측시스템 성능 향상, 시장은 보조서비스 시장 강화에 주력하고 있다.

 

▲독 일

인접국과 전력망 연계

독일은 수요성장 둔화와 맞물린 급격한 신재생 확대로 잉여 석탄화력이 대거 발생했다. 신재생의 급전순위 선점으로 석탄화력의 계통 참여가 줄었기 때문이다. 신재생 급증에 따라 확대된 보조서비스 니즈에 부응하며 저하된 석탄의 경제성을 보완하기 위해 발전사는 보조서비스시장에 적극적으로 참여했다.

석탄화력 Retrofit을 통한 보조서비스 성능개선이나 석탄화력의 유연한 운전에 따른 설비 노화를 완화하는 발전소 운영능력 향상 등이 그 것이다. 석탄화력 Retrofit는 노후로 인해 정격 효율과 출력이 나오지 않는 발전기의 주요 기기를 교체해 수명을 10∼15년 연장하는 방식으로 발전기의 최소발전용량·출력 증/감발률·기동소요시간을 개선할 수 있다.

인접 8개국(스웨덴, 덴마크, 체코, 폴란드, 네덜란드, 오스트리아, 스위스, 룩셈부르크)과 전력을 융통하고 있다. 2017년 기준으로 66.3TWh 판매하고 9.5TWh를 구입했다. 노르웨이와 2020년까지 HVDC 연계 등 전력망연계를 확대할 예정이다.

풍력발전 출력예측에 WPMS(날씨 예보 모델)를 활용하고 있다. 지속적 WPMS 성능 개선으로 예측 정확성을 높이고 있다. 지난 2010년 예측오차는 설비용량 대비 10%였으나 2015년 4%대까지 감소했다. 신재생 확대 및 신재생 기술개발에 병행해 지속적으로 그리드 코드를 개선하고 있다. 그리드 코드는 발전자원을 전력망에 연계하기 위한 표준적인 기술 요건이다.

전력시장에서는 당일시장의 급전주기를 1시간에서 15분으로 단축했다. 당일시장 급전주기 단축으로 시장에 반영되는 신재생의 불확실성이 감소됐다. 신재생 예측오차에 대응하는 예비력 요구량도 줄었다.

보조서비스 참여 조건도 완화했다. DR(수요반응)이나 ESS 등 신자원의 진입을 촉진시키는 결과를 낳았다. DR의 보조서비스 참여 허용과 1MW 이하 DR 허용 등 참여 조건을 지속저으로 개선하고 있다.

 

▲덴마크

석탄화력 Retrofit ‘세계 최고’

CHP(열병합발전)와 신재생을 연계 운전하고 있다. 풍부한 CHP(2013년 발전 비중 65%)를 풍력 변동성 대응에 활용하고 있는 것이다.

1980년대부터 풍력-CHP 연계시스템(풍력·CHP·전기보일러·열저장소)를 설계했다. 풍력출력 이 부족할 경우 CHP로 부족한 전기를 공급하고 열저장소에 CHP 잉여열을 비축하는 것이다. 반면 풍력출력이 과다할 때는 보일러 및 열저장소를 활용해 잉여전기를 열로 저장한다.

전기요금의 가격 시그널을 통해 신재생 CHP-연계운전을 유도하고 있다. 풍력출력이 부족하면 전기단가가 상승하고, CHP 전기생산이 증가하게 된다. 반대로 풍력출력이 과다하면 전기단가가 하락하고, CHP 전기생산은 즐어들게 된다.

인접국과 전력망연계를 확대하고 있다. 2017년 4개국(6.5GW)에서 2020년 6개국(9.1GW)으로 늘릴 계획이다. 당일시장 급전주기 단축으로 시장에 반영되는 신재생의 불확실성이 줄어들고 신재생 예측 오차에 대응하는 예비력 요구량도 감소하게 된다.

지난 1990년대부터 석탄화력의 대대적 Retrofit을 통해 유연성을 개선했다. 석탄화력의 보조서비스 성능 개선을 위한 H/W, 제어 S/W 개발 등이다. 석탄화력 최소발전용량 10∼20%, 무연탄 발전소 증감발률 3∼4% 등 세계 최고 수준을 자랑하고 있다.

전력제어센터에서 전일 신재생 예측과 실적 간 오차를 실시간으로 계산해 신재생 예측에 활용하고 있다. 신재생 예측 결과는 매 5분마다 갱신되며 통합시스템을 통해 계통운영에 활용된다.

인접국과 전력시장을 연계하고 있다. 덴마크, 스웨덴, 핀란드, 노르웨이 등 노르딕 국가가 참여하는 ‘노르딕 풀’을 통해 스웨덴 등 인접국과 에너지 및 보조서비스 시장을 연계하고 있다. 인접국과 원활한 전력거래로 발전자원으로 대응하지 못한 신재생 변동성에 대응하고 있다.

보조서비스 시장 운영으로 일부 에너지시장에서 경쟁력이 떨어지는 발전자원(바이오매스 CHP 등)이 안정적으로 계통에 참여할 수 있도록 보장하고 있다. 에너지시장에서 석탄화력과 경쟁이 어려운 소형가스 CHP는 보조서비스시장에서 수익성을 확봏하고 있다.

 

▲미국

가스화력·ESS ‘주력’

가스화력으로 유연성을 확보하고 있다. 신규 가스화력이 매우 높은 수준의 유연성을 제공토록 설계했다. 에너지 및 보조서비스 거래를 통해 가스화력의 안정적 계통참여를 보장하고 있다.

ESS 설치 의무화 제도를 시행하고 있다. 지난 2010년 ESS 설치를 의무화하는 법안을 발표했다. 전기판매사업자 및 지역수요관리기업에게 2020년까지 담당하는 최대부하의 1%에 해당하는 ESS 설치를 의무적으로 부여했다. 캘리포니아 3대 유틸리티는 2020년까지 총 1325MW의 ESS를 의무적으로 설치해야 한다.

예비력 확보를 강화하고 있다. 태양광 확대에 따른 Duck Curve(태양광 발전 증가로 일출∼일몰 사이 순부하량이 급감하는 현상) 발생으로 유연자원을 확보할 필요성이 커졌다. 2020년까지 캘리포니아 전체설비의 1/3에 해당하는 약 12GW의 증감발 능력이 요구되고 있다.

기존 예비력 외 Duck Curve 발생에 대응하는 증감발 요구량을 Flexible Ramping Product라는 예비력으로 확보하고 있다. 지난 2011년부터 개발해 2015년에 실제 적용했고 참여자원에 대해 에너지 및 보조서비스 가격으로 정산하고 있다.

전력시장에서는 실시간 시장을 강화하고 있다. 실시간 정산주기를 5분으로 단축해 속응 자원에 대한 보상을 강화했다. 기존 1시간 평균 정산은 유연성자원의 분 단위 응동에 효과적 보상이 불가능했다.

인접 주와 시장을 연계하고 있다. 송전혼잡 해소, 신뢰도 향상, 신재생의 과잉공급을 낮은 비용으로 흡수하는 EIM(인접지역 간 전력융통을 위해 개설한 15분전, 5분전 전력시장) 운영을 통해 신재생 설비의 계통 수용성을 향상시켰다. 보조서비스 조건을 완화하고 보상을 강화해 유연성자원의 계통 참여를 유인하고 있다.