5 10 15 20 25 30
1 6
1 7
1 8
1 9
2
0
GWh[그림 5-2] 2016~2020년 풍력 일일 발전량 추세
주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
누적 발전량 기준으로 태양광이나 풍력의 비중은 아직 극히 낮은 수준이지만, 시간당 발전에서 태양광 발전이 차지하는 최대 비중은 2019년 4.2%에서 2020년 6.1%까지 증가하여 발전 시스템에 미치는 영향은 수력(2020년 5.9%)보다 더 커졌다. 태양광 발전의 변동성은 발전 규모가 커지면서 줄어들고 있긴 하지만, 다른 발전원에 비해서 는 압도적으로 높은 편이다.
<표 5-1> 태양광 발전 주요 지표
2016 2017 2018 2019 2020
Generation
Total generation [TWh] 1.81 2.46 3.06 3.85 5.08 Maximum generation [GW] 1.13 1.40 1.68 2.04 2.74 Maximum peak contribution [%] 2.48 3.08 3.87 4.22 6.10 Generation change between consecutive hours
Mean ramp rate [GW] 0.07 0.11 0.13 0.15 0.19 -0.07 -0.08 -0.08 -0.09 -0.12
5 10 15 20 25 30
1 6
1 7
1 8
1 9
2
0
GWhMaximum change [GW] 0.40 0.50 0.65 0.80 1.03 -0.40 -0.50 -0.59 -0.81 -1.00 Continuous generation change sequences
Maximum change [GW] 1.13 1.40 1.68 2.04 2.64 -1.13 -1.40 -1.68 -1.99 -2.74 Volatility
Realized volatility 204.98 146.24 150.07 150.01 128.37
Stdv to the mean 1.46 1.41 1.29 1.19 1.15
Stdv of logarithm 6.22 3.61 3.55 3.41 3.17
Inverse of load factor 5.49 5.00 4.81 4.64 4.73 주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
<표 5-2> 풍력 발전 주요 지표
2016 2017 2018 2019 2020
Generation
Total generation [TWh] 1.67 2.16 2.46 2.67 3.13 Maximum generation [GW] 0.75 0.87 1.06 1.17 1.22 Maximum peak contribution [%] 1.39 1.51 2.00 2.07 2.26 Generation change between consecutive hours
Mean ramp rate [GW] 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 -0.02 -0.02 -0.02 -0.03 -0.03 Maximum change [GW] 0.13 0.16 0.21 0.23 0.23 -0.12 -0.12 -0.17 -0.17 -0.21 Continuous generation change sequences
Maximum change [GW] 0.54 0.75 0.79 1.06 1.00 -0.58 -0.65 -0.82 -1.00 -0.92 Volatility
Realized volatility 22.80 21.58 19.21 20.60 19.26
Stdv to the mean 0.80 0.77 0.76 0.78 0.74
Stdv of logarithm 1.12 1.05 0.97 1.03 1.01
Inverse of load factor 3.93 3.54 3.79 3.83 3.42 주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
풍력의 경우도 태양광과 비슷하게 발전량 비중에 비해서는 최대 부하 기여도가 높은 편이다. 하지만 시간당 발전에서 차지하는 최대 비중은 2.26% 수준으로 태양광보다는 낮다. 또한 풍력의 출력 변화 도 태양광 발전의 출력 변화에 비해 작은 편이다.
전력 시스템이 대응하는 순부하는 총발전에서 변동성 재생에너지 를 제외한 부하로 정의한다.
25
다음 <표 5-3>은 순부하에 대한 주요 지표 계산 결과를 보여주고 있다. 총발전 대비 순부하의 크기는 재생 에너지 발전이 증가하면서 점차 감소하고 있다. 이는 발전량, 최저부 하, 최대부하에서 모두 나타나고 있지만, 특이점은 최대부하에 비해 발전량이나 최저부하의 감소가 크다는 점이다. 즉, 재생에너지 발전 의 증가만큼 순부하로 측정한 최대부하의 감소가 발생하지 않는다.이는 재생에너지 발전 패턴이 전기 소비 패턴과 일치하지 않기 때문 이다. 태양광의 경우 봄과 가을에 발전량이 많으며 풍력은 겨울철에 발전량이 증가한다. 반면 총소비의 최대부하는 태양광 발전이 감소 하는 8월 또는 1월에 주로 발생한다.
한편, 재생에너지 발전을 제외한 후 부하의 평균 시간당 출력 변화 는 재생에너지 발전을 제외하기 전보다 증가하고 있다. 연속적인 출
25
순부하(혹은 순수요)에 대해서는 연구에 따라 약간씩 상이한 정의를 하는 것으로 파악된다. Graf, et al. (2021)은 총수요에서 재생에너지, 비급전 수력, 수입을 제외 한 것을 순수요로 정의하였다. 한편 덕 커브(Duck curve)는 총수요에서 태양광 발 전을 제외한 수요로 정의한다 (Ruan, et al., 2021). 여기서는 순부하를 변동성 재생 에너지의 발전을 제외한 부하로 단순하게 정의하였다. 또한 순부하를 이용하여 덕 커브 현상을 관찰하였다.력 상승의 크기도 재생에너지 발전을 제외하면 더 커지고 있는 것으 로 나타났다. 이러한 현상은 출력 변화가 심한 재생에너지 발전이 증 가하면서 나타나는 것으로 분석된다. 출력 변화의 방향이 바뀌는 횟 수도 재생에너지 발전이 증가하면서 늘어나고 있다. 또한, 출력 변화 의 증가는 부하 변동성의 증가로 나타났다. 실현 변동성으로 측정된 순부하의 변동성은 총발전의 변동성보다 큰 것으로 계산되었다. 이 는 변동성을 측정하는 다른 지표에서도 마찬가지였다.
<표 5-3> 순부하 주요 지표
2016 2017 2018 2019 2020
Load duration curve
Total demand [TWh] 505.26 515.80 531.05 522.85 507.32 Minimum load [GW] 39.42 37.95 39.85 38.88 36.35 Maximum load [GW] 78.85 79.98 85.32 84.24 83.60 Load factor [%] 72.95 73.62 71.05 70.85 69.09 Stable load situations (90-100%)
Mean duration of
maximum load [h] 4.60 4.51 4.65 2.90 3.74
Total number of hours with
maximum load [h] 377.00 519.00 395.00 177.00 198.00 Load change between consecutive hours
Ramp rate factor [%] 1.63 1.66 1.57 1.60 1.61 Mean ramp rate [GW] 1.28 1.31 1.32 1.32 1.36 -1.29 -1.36 -1.36 -1.38 -1.34 Maximum load change
[GW] 7.82 8.05 8.93 8.33 8.49
-5.64 -5.64 -5.63 -5.56 -5.73 Continuous load change sequences
Maximum load change
[GW] 24.89 25.42 26.06 25.41 24.41
-23.07 -58.33 -63.93 -63.47 -27.22 Nb. of load alternations 2583 2412 2350 2228 2109 주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
앞의 설명을 요약하면 2020년 코로나19 팬데믹의 영향으로 소비 가 낮아지면서 총발전도 감소하였고, 여기에 변동성이 심한 재생에 너지 발전이 증가하면서 순부하의 감소와 변동성이 확대되었다. 그 럼에도 불구하고 재생에너지가 총발전에서 차지하는 비중이 아직은 상대적으로 매우 낮은 편이기 때문에 재생에너지 비중이 높은 다른 국가들에 비해 연간 지표에서는 큰 문제점이 발생할 수준은 아니라 고 할 수 있다. 하지만, 전력 시스템 입장에서는 순간적인 이상 현상 이 계통의 안정성을 위협하는 상황을 초래하기 때문에 연간 지표가 아니라 보다 짧은 단위 시간의 현상을 파악할 필요가 있다. 특히 앞 서 설명한 것처럼 재생에너지 발전의 패턴과 전기 소비 패턴이 상이 하기 때문에 전기 소비가 낮은 시기에 재생에너지 출력이 높아질 수 있다. 따라서 중앙 급전 발전기의 발전원별 발전량 변화를 살펴보기 에 앞서 마지막으로 태양광 발전이 가장 높은 기간만 따로 추출하여 변화 상황을 살펴본다.
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앞의 <표 5-1>에서 시간당 태양광 발전이 최고치를 기록한 시기는 각각 2016년 10월 9일, 2017년 5월 14일, 2018년 5월 4일, 2019년 3월 24일, 2020년 4월 5일이다. 2018년을 제외하고는 모두 일요일에 발생 하였으며 2018년도 금요일에 발생하였다. 또한 발생 시각은 모두 13
26
계통 운영자의 입장에서는 분 또는 초 단위의 상황을 파악하는 것에 더 관심을 두 고 있지만, 본 보고서에서는 데이터의 제약으로 시간 단위 데이터를 이용하여 분 석하였다.시 내지는 15시였다. 따라서, 최근 태양광 발전이 최고를 기록한 시 점은 봄철 일요일 낮 시간으로, 전기 소비가 연간으로도 그렇고 요일 이나 시각으로도 낮은 시기라는 것을 알 수 있다.
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이는 계통 안정성 측면에서 관리의 어려움이 존재한다는 것을 의미한다. 태양광이나 풍력의 생산이 많은 시기가 봄철 미세먼지 대응을 위한 석탄 발전기 의 운영 제한과 하절기 계통 운영을 위한 예방 정비가 집중되는 시기 와 겹치기 때문이다.2. 발전원별 발전량
코로나19 확산은 직간접적인 경로를 통해 전기 소비의 감소와 전 기 소비 패턴의 변화를 초래하였다. 전기 소비의 감소는 실시간 공급 의 감소를 의미하며, 여기에 변동성 재생에너지 발전의 증가는 전통 적 전력 공급 설비가 실시간으로 대응하는 부하 패턴의 변화와 변동 성의 증가를 가져온다. 이러한 변화는 발전원에 따라 다른 영향을 미 치게 된다. 여기서는 앞서 정의한 순부하의 변화에 대응하는 설비를 유연탄, 중유, 원자력, 가스, 집단에너지, 수력, 기타 발전으로 구분하 고 있다. 집단에너지는 유연탄, 중유, 가스로 구성되어 있지만, 열제 약 발전으로 인해 발전 사업자의 발전기와는 다른 발전 프로파일을 보이기 때문에 별도로 구분하였다. 수력은 양수를 포함한 수력 발전 량이다. 기타 발전은 폐기물과 바이오를 비롯한 재생에너지 화력 발 전과 IGCC 및 연료전지 등 신에너지 발전을 포함하고 있다.
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일요일 전기 소비는 낮 시간이 새벽이나 밤보다 더 낮은 패턴을 보인다. 한편 풍력 은 대부분 겨울철 밤 또는 새벽 시간에 최대 출력이 발생한다. 2020년의 경우 특이 하게 3월 4일 최대 출력이 발생했다.[그림 5-3] 2016~2019년 평균 발전 패턴과 2020년 발전 패턴
주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
[그림 5-4] 2016~2019년 평균 발전 비중과 2020년 발전 비중
주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산
위 [그림 5-3]은 2016~2019년 평균 시간별 발전과 2020년의 시간별 발전을 보여주고 있다.
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주: 전력거래소 내부 자료를 이용하여 저자 계산28
전기 소비와 공급의 동시성으로 인해 앞 장에서 분석한 소비와 동일해야 하지만, 양수 투입이 추가되면서 소비와는 미세한 차이가 있다.0 10 20 30 40 50 60 70
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
16~19년 평균
GW 2020년
원자력 석탄 재생에너지 기타 집단및수력 가스
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
16~19년 평균 2020년
원자력 석탄 재생에너지 기타 집단및수력 가스
[그림 5-4]는 같은 시기의 발전 비중을 비교하고 있다. 발전기의 특성과 계통 운영 특성 상 원자력은 시간에 따른 변화가 없으며, 석 탄의 평균 발전량도 시간에 상관없이 거의 고정되어있다. 다만, 2020 년의 원자력 발전은 이전 시기의 평균에 비해 증가한 반면 석탄은 크 게 감소하였다.
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석탄 발전의 감소는 미세먼지 종합 대책에 따른 석 탄 발전 상한 제약 및 가동 중지와 전기 소비 감소에 따른 발전량 감 소가 복합적으로 작용한 것으로 판단된다. 석탄 발전의 감소가 더 컸 기 때문에 두 기저 발전의 합계는 2020년 감소를 보였으며, 일 평균 비중도 67.97%에서 64.73%로 하락하였다. 이는 원자력 발전이 크게 감소했던 2018년보다 낮은 수준이다. 한편, 재생에너지 평균 비중이 이전보다 0.61% 포인트 증가한 것 외에는 기저 발전 감소의 거의 대 부분은 가스 발전이 대체하였다.다음은 코로나19 및 다른 요인의 영향이 적은 것으로 판단되는 발 전원의 발전 추세를 간략히 먼저 살펴보고, 이후 석탄과 가스를 분석 하고자 한다. 원자력 발전은 2018년 127 TWh까지 감소한 이후 증가 하고 있다. 2020년의 발전량 증가는 2019년 9월 신고리 4호기가 상업 가동을 시작한 것도 있지만, 2019년 5월부터 증가하기 시작하여 7월 에는 이미 이전의 발전 수준을 회복하였다. 2020년 9월은 계획예방 정비 외에도 태풍의 영향으로 고리 3호기, 신고리 1호기, 고리 4호기 의 가동이 중지되면서 다른 해에 비해 발전량이 대폭 줄어들었다 (에 너지경제연구원, 2020.12).
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미국 MISO의 경우도 코로나19로 인한 전기 소비 감소가 원자력 발전에는 거의 영 향을 미치지 않았으며 대부분 석탄 발전 감소를 초래한 것으로 나타났다 (Eryilmaz, et al., 2020).[그림 5-5] 2016~2020년 원자력 일일 발전량 추세