변동적 재생에너지의 출력제한

영제약 수준을 낮추게 되면 출력제한을 줄일 수 있지만, 이러한 경우에 설비 교체에 따른 비용이 발생하게 된다. 배전시스템에서도 자체적으로 소비하는 전력보다 생산 되는 전력이 많아지게 되면 백 피딩(back-feeding)이나 출력제한이 실행될 수 있 다. 그러나 백 피딩은 기존 전력망에 이를 수용할 수 있는 운영 체계와 설비가 미리 갖추어져 있어야 계통 안정성에 피해를 주지 않고 실행될 수 있다.

일반적으로 송전선로의 혼잡문제는 송전망 건설 속도가 재생에너지 발전설비의 건설 속도보다 늦어지는 경우에 송전용량 부족으로 인해서 발생하게 된다. 독일의 경우에는 북쪽의 변동적 재생에너지 밀집지역과 남쪽의 대규모 전력소비지 간에 적 기에 충분한 송전선로가 건설되지 못해 오랫동안 송전혼잡 문제가 발생해 왔다. 그 리고 전력수요가 적은 시간대에 갑자기 재생에너지 발전량이 전력수요를 초과할 정 도로 많아지게 되면 전력 수급균형을 유지하기 위하여 변동적 재생에너지 발전설비 의 출력제한이 이루어지게 된다. 마지막으로 풍력발전 출력의 높은 변동성으로 인해 송전선의 전압 및 주파수에 일정 수준을 넘는 변동이 생기는 경우에도 계통 안정도 유지를 위해 풍력발전의 출력제한이 발생하기도 한다.

<표 4-1> 계통운영기관의 재생에너지 출력제한의 주요 원인

자료: 전력거래소(2020a), p.546

세계 주요국의 출력제한율을 비교해 보면, 중국보다 유럽 국가들의 출력제한율이 현저하게 낮고, 유럽 국가들에서는 주변국과의 전력연계가 잘 되어 있는 국가들에서 (덴마크, 독일, 스웨덴 등) 낮은 것을 볼 수 있다. 특히, 중국은 전체 발전량에 서 풍력발전량이 차지하는 비중이 유럽 국가들에 비해 현저하게 낮음에도 불구 하고 출력제한율이 높다.⁵⁰⁾ 풍력발전 보급률이 높은 덴마크, 아일랜드, 스페인 의 경우에는 주변국과의 전력거래가 활발한 덴마크의 출력제한이 그렇지 않은

50) 중국의 풍력발전 출력제한율은 2012년에 16.8%, 2014년에 7.5%, 그리고 2016년에 17.1%로 최고치를 보였고, 이후 감소하 여 2019년에 4.0%를 기록하였음. Yasuda et al.(2022), p.5 참조

송전선로 혼잡 수급 균형 계통안정도

발생원인

송전망 건설속도가 재생에너지 발전설비의 건설속도보다 늦어지는 경우에 송전용량 부족으로

인해서 발생

재생에너지 발전량은 많지만 부하가 적은 시간대에 전력 수급균형을

유지하기 위하여 발생

계통 전압 및 주파수에 변동이 생기는 경우에 안정도 유지를 위해 발생

아일랜드와 스페인보다 월등하게 낮은 것을 볼 수 있다. 포르투갈도 풍력발전 비중이 높은 편인데, 주변국과의 전력망 연계는 제한적이다. 포르투갈 정부는 풍력발전 출력제한량을 줄이기 위한 방법으로 양수발전설비에 대한 투자를 증 대시켰다. 부하가 낮은 시간대에 풍력을 포함한 발전업자들의 발전량이 수요를 초과하는 경우에 TSO는 수력발전설비의 가동률을 크게 줄이고, 양수식 발전설 비의 가동률을 최대로 올려서 풍력발전의 출력제한량을 최대한으로 줄이려고 노력한다.⁵¹⁾

EU는 해상 풍력발전 보급 계획을 추진하는 북부 및 서부 유럽 국가(영국, 프랑스, 독일, 벨기에, 네덜란드, 덴마크, 노르웨이, 스웨덴, 핀란드)들의 해상풍력발전 출력 제한 원인에 대해 조사하고, 이를 완화하는 방법을 제시했다. 이들 국가들의 해상풍 력발전 출력제한 발생 및 확대 원인은 대부분 풍력발전량 증가에 기인하며, 그 외에 지역적으로 집중되어 있는 해상풍력발전설비의 높은 변동성에도 비롯되었다. 시뮬 레이션 분석결과에서 풍력발전 출력제한량은 2020년에 0.4TWh에서 2030년에 9.3TWh로 증가하는 것으로 나타났다. EU는 이들 지역에서 풍력발전 출력제한 완 화 방안으로 가상발전소 도입, 수력발전설비 용량 증대, 그리고 국가 내 및 국가 간 송전용량 확대 등을 제시하였다.⁵²⁾

아래 [그림 4-1]은 유럽의 2022년 2월 현재 건설･가동 중인 해상풍력발전 단지 를 보여 주고 있는데, 주로 북해 해상지역에 집중되어 있다. 앞서 설명했듯이 북해 연안 국가들은 북해 해상풍력발전 단지건설을 계획하는 단계에서부터 경제적 요인 과 계통 안정성과 출력제한 문제를 생각해서 생산되는 전력을 북해 연안국가들로 공급하는 것을 포함시키고 있다. 그리고 프랑스의 현재 건설 중에 있는 해상풍력단 지도 영국과 아일랜드와 해상 송전선 연결노선들과 인접해 있다. 프랑스와 아일랜드 TSO는 양국의 해상 연결선로 Celtic Interconnector에 해상풍력단지와 연결할 계 획으로 있다.⁵³⁾

51) Bird et al.(2016), “Wind and solar energy curtailment: A review of international experience”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 65, p.584

52) EU(2013), TWENTIES project, Final report,

http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/reports/Twenties_report_ short.pdf (검색일: 2022. 2. 21.). Bird et al.(2016) p.585에서 재인용.

53) Commission of Regulation of Utilities of Ireland(Dec. 20, 2018), “Celtic Interconnector”, p.38.

https://www.cru.ie/wp-content/uploads/2018/12/CRU18265-Celtic-Interconnector-CRU-assessment-of-the-Celtic-invest ment-request-Consulation-Paper.pdf (검색일: 2021. 10. 21.)

[그림 4-1] 유럽의 해상풍력단지 개발사업 현황(2022년 2월 현재)

자료: Wind Europe(Feb. 3, 2022), European Offshore Wind Farms Map Public,

https://windeurope.org/intelligence-platform/product/european-offshore-wind-farms-map-public/

(검색일: 2022. 2. 5.)

1.1.2. 출력제한에 대한 보상

출력제한 방식은 수동식에서 자동식까지 다양하며, 최근에는 시장에 의한 출력제 한에도 관심이 집중되고 있다. 시장기반 접근방식의 장점은 수동식보다 비용효율적 이며 전반적으로 출력제한 규모를 줄일 수 있다는 장점을 갖고 있다. 수동방식에 의 한 출력제한은 TSO에 의해 이루어지는 것을 의미하며, 가격신호가 없다면 낮은 경 제적 효율로 이어질 가능성이 높아진다. TSO에 의해 출력제한이 이루어지면 일반 적으로 경제적 보상이 이루어지게 되는데, 국가마다 보상방식이 상이하며, 풍력발전 업자와 전력구매자간에 해결하기 어려운 문제가 되고 있다.

풍력발전의 출력제한율(curtailment rate; 풍력발전 출력제한량/풍력발전 총발전 량)이 증가할수록 풍력 발전비용은 증대되는데, 출력제한율이 10%를 넘으면 발전비 용이 더 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 독일의 예를 들면, 태양광 발전설비에 서의 연간 전력생산량을 5% 줄임으로써 계통연계 선로의 용량을 30% 줄일 수 있는 것으로 나타났다.⁵⁴⁾ 즉, 재생에너지 출력을 제한하는 것이 계통접속을 위해 필요한

54) Troester, E. and J. D. Schmidt (2012), “Evaluating the Impact of PV Module Orientation on System Operation”, 2nd International Workshop on Large-Scale Integration of Solar Power into Power Systems, Lisbon.

투자비를 크게 줄일 수 있다는 것이다. 출력제한과 인프라 규모 간의 상충관계는 변 동적 재생에너지 발전설비와 계통설비의 상대적 투자비에 따라 다를 수 있다.

[그림 4-2] 출력제한율과 변동적 재생에너지 발전비용 간의 관계

자료: IEA(2014), The Power of Transformation: Wind, Sun and the Economics of Flexible Power Systems, p.91

재생에너지 발전설비에 대해 출력제한이 빈번하게 발생하고, 출력제한량도 많아 지면, 재생에너지 사업자는 커다란 금전적 손해를 보게 되고, 이는 신규 투자를 위 축시키는 요인으로 작용하게 될 것이다. 그래서 EU와 회원국 정부는 재생에너지 보 급 확대를 위해 출력제한에 대한 보상을 통해 재생에너지 사업자들의 투자유인을 제공하고 있다. 국가별로 서로 다른 보상제도가 운영되고 있는데, 재생에너지 보급 수준에 따라 보급 초기 단계에는 전부 보상하고, 이후에는 보상 수준이 점차 감소하 는 것이 일반적이다. 변동적 재생에너지 확산 1, 2단계(변동적 재생에너지 계통 점 유율 0~13%) 국가들에서는 재생에너지 사업자의 투자유인을 제공하기 위해 출력제 한에 대한 손실을 전부 보상하는 것으로 보이며, 3단계(계통 점유율 13~23%) 국가 들에서는 전부 보상, 부분 보상, 무보상 등이 다양하게 실행되며, 4단계(계통 점유율 23% 이상) 국가들에서는 대부분 무보상을 채택하고 있는 것으로 나타났다. 4단계 국가들은 재생에너지 보급의 필요성보다는 재생에너지로 인한 계통의 불안정성 문 제를 더 중시한다고 볼 수 있다.⁵⁵⁾ 현 시점에서 대체적으로 동유럽 국가들은 보상 을 해주지 않고, 서유럽 국가들은 부분 또는 전부 보상을 하고 있다.

www.smooth-pv.info/doc/5a_3_Presentation_SIW12-76_Troester_121113.pdf. (검색일: 2022. 2. 5.) 55) 전력거래소(2021), 『2021 해외전력기술 동향: 전력계통･전력시장･신재생에너지』, p.408.