계통 유연성 확보 방안과 국가 간 연계

국경 간 송전용량 증가는 유럽 국가들이 더 많은 전력을 거래하는 데 기여할 것 이다. 2025년 이후 송전망에 대한 투자가 중단되는 상황과 비교해서 투자가 이루어 지면 2030년에 256TWh/연, 2040TWh/연이 각각 추가로 더 거래될 것이다. 그로 인해 총 국경 간 거래량은 2030년에 909TWh/연, 2040년에 1,176TWh/연으로 될 것이다.

또한, 국경 간 송전용량 증가는 유럽의 계통에 접속된 발전설비의 한계비용을 2030년에 4유로/MWh, 2040년에 8유로/MWh 이하로 하락 수렴하게 할 것이다.

2025년 이후 투자 중단 시에 프랑스-이탈리아 간 국경은 2030년에 95%가 혼잡해 질 것이고, 평균 가격 차이는 24유로/MWh로 될 것이다. SEW-based Needs 경우 에는 2030년에 85% 혼잡해지고, 연평균 가격차이도 13유로/MWh로 될 것이다.

2025년 이후에 투자 중단 시에 프랑스-이탈리아 국경은 평균 한계비용 차이가 41 유로/MWh로 되고, 투자가 이루어질 경우에는 이러한 가격 차이는 19유로/MWh로 될 것이다. 그럼에도 불구하고, 인접국가 간 가격 차이를 완전하게 제거하는 것은 어려운데, 이것은 지역 조건, 그리드 건설비용 등이 국가마다 다르기 때문이다.

<표 4-3> 계통 유연성 자원 종류 및 확보 방안

구분 주요 확보 방안 계통 효과

공급측 유연성

화력발전 리트로핏 화력발전 성능(반응속도 용량 등) 개선으로 변동성 대응

재생에너지 발전 예측개선 및

인버터 유연운전 재생에너지 변동성 저감 수요측

유연성

AI 수요관리 기술, 수요반응 제도 개선

수요반응 효율 개선

수요반응 활성화

DSO VPP 및 도입 배전단 DER(ESS, DR, 재생에너지 등) 최적운영으로 유연성 공급

에너지저장 및 섹터커플링

대규모 ESS 도입 ESS 제어로 계통 안정화 기여

초과공급 전력 저장 및 활용 수소경제 활성화 및

변환 기술 개선 섹터커플링 경제성 확보 및 활성화 그리드

인프라 및 계통 운영

국가 간 계통 및 시장 연계 유연 자원 공유 및 신뢰도 향상 HVDC 등 새로운 송전 기술

도입 재생에너지 수용성 증대

자료: 배문성(2021), 「계통 유연성 개념 및 확보 방안」, 『KEMRI 전력경제 REVIEW』, 2021년 제10호, p.3

Yasuda(2013)은 풍력발전 비중이 높은 포르투갈, 독일, 아일랜드 3국을 대상으 로 계통 유연성을 강화하기 위한 급전가능 발전설비들인 수력, CCGT(combined cycle gas turbine), CHP(combined heat and power), 그리고 양수발전과 전력 망 연계 등의 방안들 가운데 어느 것이 국가마다 중요하게 활용되었는지를 계통 유 연성 그래프를 통해 분석했는데, 독일은 주변국과의 계통연계, 아일랜드는 CCGT, 포르투갈은 수력발전 등을 계통 유연성 확보를 위해 적극적으로 사용한 것으로 나 타났다.⁶²⁾

62) Yasuda(2013), “Flexibility Chart: Evaluation on Diversity of Flexibility in Various Areas,” Wind Integration Workshop, London, 22. Oct.

[그림 4-9] 포르투갈, 독일, 아일랜드의 계통 유연성 강화 방안 비교

자료: Yasuda et al.(2013), “Flexibility Chart: Evaluation on Diversity of Flexibility in Various Areas,” Wind Integration Workshop, London, 22. p.4.

계통 유연성은 또한 보다 효율적인 전력시스템 운영을 통해 전체 시스템 비용과 전력요금을 낮출 수 있다. 시스템 유연성 정도는 시스템의 특성에 따라 다를 수 있 다. 예를 들면, 다른 모든 조건이 동일할 때 발전원이 다변화(천연가스, 풍력, 수요 반응, 양수발전 등)되는 시스템은 석탄과 원전 비중이 크게 높은 시스템보다 더 유 연할 것이다. 또한, 전력시스템의 유연성은 시스템과 운영에 영향을 미치는 규제 (regulatory)와 시장규칙(rule)과도 높은 연관성을 갖는다. 전력시장이 규제되어 있 는 상황에서는 정부와 시장주체들이 계통 안정성을 높이기 위한 규제들을 수용하고, 관련 비용도 일정한 원칙에 의해 배분될 것이다. 전력시장이 경쟁적인 상황에서는 유연성의 잠재적 필요(need)와 관련한 충분한 투자 신호가 유연성에 영향을 미칠 것이다. 투자자에게 변동적 재생에너지 발전의 출력제한이 높게 이루어지지 않 을 것이라는 신호를 주게 되면, 재생에너지 개발사업은 투자자의 신뢰를 크게 얻을 수 있을 것이다. 즉, 충분한 투자계획이나 명확한 투자결정이 없으면, 전 력시스템은 효율적으로 작동하기에 충분한 유연성을 확보하지 못할 수 있다.

국가 규제기관과 시스템운영자(TSO)는 전력시스템이 더 많은 재생에너지와 전력수요를 충족시킬 수 있도록 노력해야 한다. 충분한 유연성을 확보하지 못 하면, 시스템 운영자는 가변적 재생에너지 발전량을 빈번하게 출력제한을 할 수도 있다. 출력제한을 낮게 유지(약 3% 이내)하는 것이 계통을 안정적으로 유지하기 위한 비용 효율적인 대응방법일 수 있지만, 출력제한 수준이 높으면 재생에너지 개발사업의 수익성을 악화시키고, 계약가격(contract value)을 하

락시킬 수 있으며, 투자자 신뢰에 악영향을 미칠 수 있으며, 그리고 정부의 탄 소배출 목표치 달성을 어렵게 할 수 있다.

계통 유연성을 확보하기 위해서는 비용과 기술 문제를 해결해야 한다. 계통 유연 성을 제고시키기 위해서는 비용이 요구되기 때문에 의사결정자는 어느 정도의 유연 성이 필요한지, 어떤 유연성 확보방법이 선택되어야 하는지 등에 대한 검토와 계획 이 필요하다. 선진국과 개도국은 유연성을 확보하기 위해 다른 방법을 선택할 수 있 다. 예를 들면, 개도국의 경우에는 전력수요가 빠르게 증가하고, 송배전 설비 증설 에 대한 필요도 증가하기 때문에 재생에너지 발전 증대를 통해 추가적인 전력수요 를 충족시키고, 송배전 설비 증설을 통해 유연성을 향상시키려고 할 것이다. 선진국 의 경우에는 전력수요가 정체하는 상황에서 재생에너지 비중 증대에 따른 기존 화 력발전/원전 설비의 조기 퇴출 및 좌초자산 처리비용과 기존 시스템에 유연성을 증 대시키기 위한 추가적인 투자비용을 발생시키기 된다.

아래 표에서처럼 운영개선, 수요반응 등의 방법은 저비용이지만, 에너지저장장치 와 섹터커플링 방법은 고비용이다. 국가 간 계통 및 시장 연계를 통한 유연성 확보 방법은 비용과 기술부문에서 특히 유럽에서는 크게 문제가 되지 않을 것으로 판단 된다. HVDC, 해저 또는 지중 송전선 건설 사업이 이미 유럽에서 최종투자단계를 넘어서 활발히 추진되고 있으며, 투자자금 조달에 있어서도 EU와 유럽투자은행 (EIB)에 의한 자금지원이 국경 간 전력망 연계사업에 대해서는 우선적으로 이루어지 고 있다. 재생에너지 보급이 확산되는 초기에는 전력망 운영 개선, 주변국가 간 계 통 연계, 재생에너지 발전예측 개선, 그리고 전력수요반응(demand response)제도 개선 등이 가장 비용효율적인 유연성 확보 수단으로 분류될 수 있다. 운영개선, 수 요반응, 공급측 유연성, 그리드 인프라, 에너지 저장장치, 섹터커플링(sector coupling) 순으로 유연성 강화를 위한 비용이 높다.

<표 4-4> 계통 유연성 확보 방안별 비용(재생에너지 확산 1단계)

⇐ 저비용 고비용 ⇒

운영개선 수요반응

(수요측 유연성) 공급측

유연성 그리드

인프라 에너지

저장장치 섹터커플링

(수요측 유연성) 자료: IRENA(2018), “Power system flexibility for the energy transition”, 배문성(2021), “계통 유연성 개념 및 확보 방안”, ｢

KEMRI 전력경제 REVIEW｣, 2021년 제10호, 한전경영연구원, p.3

[그림 4-10] 계통 유연성 강화방안별 비용 비교

a: 유연성 비용과 출력제한 감축 이득 간에 상충관계 존재

b: 공동 시스템 운용은 일반적으로 일정한 수준의 예비용량 공유 및 급전최적화를 포함함.

c: 풍력발전은 보조서비스의 유동성을 증가시키고, 발전측면의 유연성을 제공할 수 있음. 출력제한된 발전량은 많은 전력망(Xcel Energy, EirGrid, Energinet.dk 등)에서 주파수 응답을 제공하는데 사용될 수 있음.

자료: Yasuda et. al.(2013), “Flexibility Chart: Evaluation on Diversity of Flexibility in Various Areas,” Wind Integration Workshop in London, p.11

2.2.2. 계통유연성 강화 수단으로서 국가 간 계통연계 확대

앞 절에서는 유연성 강화방안 중에서 국가 간 계통연계의 경우, 상대적으로 중간 정도의 비용으로 달성 가능하며, 연계기술은 크게 문제되지 않음을 언급하였다. 그 리고 국가 간 전력계통 연계 인프라의 확충이 EU 전력시장 통합에 필수적이라는 점 을 감안하면, 재생에너지에 확대에 대처하는 유연성 강화와 함께 추가적인 혜택을 제공한다고 볼 수 있다. 즉, 계통 운영 및 그리드 인프라 개선의 경우, 보조서비스 및 예비력 시장 개선, 전력시장 시간대 운영 개선 등을 통해 많은 유연성 자원을 확 보하고, 운영 효율성을 높일 수 있다. 또한, 국가간에 계통 및 전력시장을 연계하여 유연성 자원을 공유하고 계통 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 유럽 역내시장에서는 당 일시장(intra-day market)을 개설해서 하루전 시장(day-ahead market)과 밸런싱 시장(balancing market)의 운영 사이에 발생하는 수급 불일치 위험과 예비력 확보 비용을 감소시킬 수 있었다.

한편, 국가 간 계통연계가 유연성 강화에 기여할 수 있는 연결고리는 여러 국 가간의 해상경계에 위치한 해상풍력단지의 개발이라고 생각된다. 최근에 EWIS (European Wind Integration Study), 해상풍력개발사업자, ENTSO-E, EWEA (European Wind Energy Association) 등은 각국의 계통규정(grid code)을 일 치시키기 위한 공동 노력을 오랫동안 기울이고 있다. 유럽풍력협회(EWEA)는 2009년에 풍력발전에 대한 포괄적인 계통규정 체계를 마련했다. 이는 각국의 계통규정의 내용을 일치시키기 위한 가이드라인이라고 할 수 있다. 국가 간 계 통규정의 통합은 회원국 및 EU 차원의 재생에너지 보급을 증대시키기 위한 필 요조건이라고 할 수 있다. ENTSO-E도 EU의 전력 관련 규범을 기반으로 각국 의 재생에너지의 계통 연계 방식 및 조건을 일치시키는데 노력하고 있다.

해상풍력들은 대부분 분산되어 있고, 발전된 전력을 부하가 있는 곳으로 보내기 위해서는 계통의 송전용량이 확충되어야 한다. 풍력 발전량이 순간적으로 감소할 때, 필요로 하는 전력을 용이하게 공급할 수 있는 발전설비가 풍력발전단지 주변에 있는 것이 계통 안정에 유리할 것이다. 반대의 경우에는 잉여 풍력발전 전력을 출력 제한하지 않으려면, 국내 또는 주변국가로 송전될 수 있는 인프라와 전력소비지가 있으면 유리할 것이다. 독일의 경우에는 북부지역의 잉여 풍력발전 전력이 송전용량 부족으로 독일 남부지역으로 송전하지 못해서 폴란드와 체코로 보내진다. 스페인의

경우에도 포르투갈과 프랑스와의 전력망 연계를 통해 자국 내 풍력발전의 간헐성 문제를 해소시키고 있다.

유럽 역내･외에서 대규모 풍력･태양광 발전단지를 기반으로 하는 슈퍼그리드 등 을 활용한 계통연계로 재생에너지 수용을 증대시키고, 국가 간 서로 다른 기후 및 전력수급의 영향을 평탄화(smooth)시키고, 유연성 자원을 공유하여 계통신뢰도를 향상시켰다. 덴마크와 아일랜드는 주변국(독일, 스웨덴, 노르웨이, 영국 등)과의 계 통연계 확장을 통해 풍력발전설비의 출력제한 발전량을 줄일 수 있었고, 그리고 HVDC에 의한 장거리 송전을 통해 대규모 해상풍력 사업을 실현시키고, 주변국과 의 전력거래를 증대시켰다.

[그림 4-11] 2050년까지 유럽-지중해-중동지역의 슈퍼그리드의 기본구상

자료: Imdadullah et al.(2021), “Electric Power Network Interconnection: A Review on Current Status, Future Prospects and Research Direction,” Electronics, Vol.10, No.2179, p.7.

국가 간 전력거래를 통해 유연성 자원을 공유하고 신뢰도를 향상시킬 수 있으며, 그리고 재생에너지 수용성을 증대시킬 수 있다. 좀 더 확장되고, 좀 더 다양한 발전 원을 갖는 계통은 잠재적으로 에너지전환 및 탈탄소를 위한 총비용을 낮출 수 있을 것이다(Ahmed et al.(2017), Boie et al.(2016)).⁶³⁾ Abrell and Rausch(2016)는

송배전망 확장이 유럽의 탈탄소화 및 재생에너지 목표 달성과 탄소배출 감축을 실 현시킬 수 있음을 입증했다.⁶⁴⁾ 다른 선행연구들에서도 낮은 비용으로 에너지 전환 목표 달성에 국가 간 송전망 연계가 크게 기여한다고 주장한다(Schlachtberger et al.(2017), Child et al.(2019)).⁶⁵⁾

물론, 장거리 국가 간 송전선 연결 사업에 대해 환경･건강･경관 상의 문제로 주민들의 반대가 크게 나타나고 있으며, 국가간에 계통 운영의 복잡한 조정 작 업이 요구되며, 장기간의 사업 계획 준비 과정이 요구되는 장애요인도 존재한 다. 그리고 개별 국가 차원에서 연계 송전선으로 인해서 인접국의 전력 수급 및 계통 불안정 상황이 자국으로 유입되는 것을 차단하려고 할 것이다.

[그림 4-12] 북･서유럽지역의 2030년까지 국가 간 송전망 확충 계획(시나리오)

자료: Chen et al.(2020),“The role of cross-border power transmission on in a renewable-rich power system – A model analysis for Northwestern Europe”, Journal of Environmental Management, vol.261, p.3.

63) Ahmed et al.(2017), “Investigation into transmission options for cross-border power trading in ASEAN power grid,”

Energy Policy. vol. 108, pp.91–101. I. Boie et al.(2016), “Opportunities and challenges of high renewable energy deployment and electricity exchange for North Africa and Europe - scenarios for power sector and transmission infrastructure in 2030 and 2050,” Renewable Energy vol.87, pp.130–144.

64) Abrell, J. and Rausch, S.(2016), “Cross-country electricity trade, renewable energy and European transmission infrastructure policy,” Journal of Environmental Economics and Management Vol.79, pp.87–113.

65) Schlachtberger et al.(2018), “Cost optimal scenarios of a future highly renewable European electricity system:

exploring the influence of weather data, cost parameters and policy constraints,” Energy vol.163, pp.100–114. 그리 고 Child et al.(2019), “Flexible electricity generation, grid exchange and storage for the transition to a 100%

renewable energy system in Europe”, Renewable Energy Vol.139, pp.80-101.