2. 출력제한(Curtailment) 필요성 및 개요
2.1. 출력제한 필요성
앞서 2장 1절에서는 변동적 재생에너지 출력이 계통 및 시장에 끼치 는 영향에 대하여 분석하고, 이에 대응하기 위한 다양한 개선방안을 검토하였다. 그 중에서 변동적 재생에너지 출력제한(Curtailment)은 현 재 다수 해외기관에서 각기 상이한 방식으로 시행하는 운영방식이다.
재생에너지의 출력제한은 발전된 에너지 손실이 수반되는 것이기에 이 를 최소화해야한다. 하지만 변동적 재생에너지가 크게 증가할 때에는 재생에너지의 출력변동성과 예측 불확실성이 증가하기 때문에, 발전계 획 및 운영에서 출력제한을 반영함으로써 재생에너지의 급격한 출력변 동성이 완화되도록 할 수 있다. 다시 말해, 발전계획 단계에서 적절한 출력제한을 반영하는 것은 적절한 예비력을 확보하게 하는 동시에 기 존 발전기의 출력증가 및 감소능력을 확보하여 안정적인 전력공급이 되게 한다.
수급균형 측면에서, 기저발전의 최소발전용량에 재생에너지 출력을 더한 발전량이 수요에 비해 클 때에는 재생에너지 전원이 과잉 출력 되어 불균형이 초래된다. 이러한 경우에는 수요를 초과하는 재생에너 지 출력량을 제한해야 한다. 급작스러운 환경변화로 인해 단시간 내에 급격한 출력 증가가 발생할 수 있는 변동적 재생에너지의 특성을 고
려하면, 출력제한은 계통운영 측면에서 효과적인 대응책으로 판단될 수 있다.
<표 2-1>은 재생에너지에 대한 출력제한이 재생에너지 계통통합비 용(Integration cost)에 끼치는 영향을 모의한 결과를 보여준다. 계통 내 풍력 발전설비 비중이 약 20%인 경우, 1% 정도의 에너지 출력제한만 으로도 풍력의 계통통합비용을 약 20% 이상 줄일 수 있다는 결과를 보여준다(EnerNex, 2007). 재생에너지의 계통통합비용(Integration
cost)란, 재생에너지의 변동성과 출력 불확실성에 기인하여 계통에서
추가로 예비력 등을 확보하기 위해 발생하는 비용과, 하루 전 예측과 실시간 운영 간 발전비용 차이 등을 합한 비용을 의미한다(EnerNex, 2007).
풍력 설비 용량 (MW)
계통 내 풍력설비
비중 (%)
풍력 출력 제한량
(%)
풍력 위치
출력제한 시 Integration cost
($/MWh)
미 출력제한 시 Integration cost
($/MWh)
변화량 (%)
100 5% 0.4%
1 풍력 단지
2.75 3.78 37%
200 10% 0.9%
2 풍력 단지
6.99 8.49 21%
400 20% 0.9% 넓게
퍼짐 6.65 7.98 20%
600 30% 1.4% 넓게
퍼짐 8.84 10.69 21%
<표 2-1> 국외 풍력 출력제한의 Integration cost에 대한 영향
경제학적 분석방법을 활용한 대표적 연구로는 Henriot(2015)을 들 수 있다. 동 연구는 변동적 재생에너지의 불확실성을 고려한 2기간 기 동정지계획의 분석적 방법(Analytical method)로 출력제한이 사회후생
(Social welfare)을 증가시킴을 증명하였다. 해당 모형은 전력계통의 유
연성, 재생에너지의 변동성과 용량을 주요 변수로 채택하여 각 계수에 따른 최적 감축 수준 사이의 관계를 설명하였다. 또한 출력제한이 소 비자, 발전사와 같은 이해관계자들에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 분석방법을 제공하였다.
[그림 2-4] Henriot(2015)의 2기간 모형
출처: Henriot(2015, p.372)
분석모형은 [그림 2-4]와 같이 A, B로 이루어진 2기간 문제로 주어 진다. 모형의 주요 가정은 다음과 같다. 전력 도매시장은 완전경쟁이 다. 각 기간의 전력수요(D)는 동일하며 전원은 화력발전과 불확실성을 지닌 변동적 재생에너지(r)로 구성된다. 변동적 재생에너지의 가용성
()은 확률 ν로 주어진다. 가용불가()의 확률은 1-ν가 된다. 발전 사업자는 한계비용으로 입찰하며 설비용량은 단기 고정되어 있고 변동 적 재생에너지의 이용가능 용량(K)은 전력수요보다 낮다. 변동적 재생 에너지의 B기의 출력은 불확실하며 발전이 불가할 경우 화력발전이 출력을 증가해야 한다. 그러나 화력발전은 출력을 급격히 증가시키거 나 신속히 가동하는데 제한이 있다(즉, 유연성 제약)1). 이에 따라 B기 의 공급함수는 A기의 비해 더 가파른 기울기를 갖으며 모든 기간의 전력도매 가격을 결정한다([그림 2-5] 참조).
[그림 2-5] 유연성 제약에 따른 공급함수 변화
출처: Henriot(2015, p.373)
이러한 가정 하에 A기의 비용곡선은 다음과 같다.
∙
계수 a와 b는 전력 시스템 속성을 나타낸다. A기의 전력 도매시장 가격 는 전력수요 D를 충족하는데 가장 비싼 한계비용을 지닌 화력 발전기로 결정된다. 변동적 재생에너지의 발전량 이 주어질 때, A기 의 역수요함수는 다음과 같다.
∙
변동적 재생에너지가 B기 이용 불가능한 경우, 만큼 발전하는 화 력발전은 더 가파른 비용 함수와 한계비용, 을 초래하므로 이에 따른 비용곡선은 다음과 같이 주어진다.
∙ for ≤
∙ ∙∙ for
여기서, 는 화력 발전기의 낮은 유연성을 나타내는 계수이다2).
2) 이러한 표준화된 표현은 유연하지 않은(inflexibility)비용을 완전히 반영하지는 못할 수도 있지만, 본 연구의 결과는 정확한 표현에 따라 근본적인 특성이 달라져서는 안 된다.
전력수요는 두 기간 모두 D와 같으므로, 변동적 재생에너지가 A기 의 발전량 을 생산한 경우와 B기에 변동적 재생에너지를 이용할 수 없을 때, 최종가격 은 다음과 같을 것이다.
∙ ∙∙
B기에서 변동적 재생에너지를 이용할 수 있는 경우, 최대 발전량은
이므로 화력발전의 발전량은 이고, 이는 A기에 화력발전의 발전량과 같거나 작아지므로 이때의 가격은 다음과 같다.
∙
최적 출력제한 수준은 A기의 변동적 재생에너지 발전량()을 사회 후생 을 극대화하는 것으로 정의한다. 즉, 사회 후생은 두 기간의 발전비용 을 최소화하는 경우에 극대화된다. 따라서 목적함수는 다음과 같이 주어진다.
argmin
subject to ≤ ≤
여기서,
∙
최적 출력제한에 따른 사회후생 효과(∆)는 다음과 같다.
∆
×
위와 같은 분석적 해(Analytical solution)는 다음과 같이 해석할 수
있다. 유연성()이 낮고 변동적 재생에너지의 불확실성(1-ν)이 큰 전
력시스템에서 변동적 재생에너지의 출력제한(Curtailment)은 총 발전비 용의 절감을 가져다준다. 그러므로 유연성이 부족한 화력발전의 기동 또는 급격한 증발 비용이 높을 경우에는 변동적 재생에너지의 출력을 제한하는 것이 합리적이라는 것이다. 이때, 전기 소비자는 최적의 출력 제한(Curtailment)에 따른 발전비용 절감으로부터 이익을 얻게 된다3).
이밖에, 네트워크 제약에 따른 Curtailment의 필요성을 언급한 연구 는 다음과 같다. Kane and Ault(2014)는 능동제어(active control)와 결 합된 형태로 출력제한을 수행함으로써, 더 많은 재생에너지 전원을 전 력망에 수용할 수 있다고 밝혔다. Brandstatt et al.(2011)은 자발적 출 력제약 협약(agreement)은 대규모 재생에너지를 효율적으로 수영할 수 있는 방법이라고 주장하였다. Huang and Soder(2017)는 출력제약에 대한 고려 없이 재생에너지 연계 전력망에의 투자가 적절하다고 판단 될 수 있는 경우는, 수요에 비해 발전이 매우 높은 연중 몇 시간에 불 과하므로 출력제한은 전력망의 투자비용을 감축시킨다고 보았다.
3) 도출한 최적 수준의 Curtailment 해(solution)는 보상 정책에 영향을 받지 않으므로 본 연구에서는 Henriot(2015)의 보상 부분 모형을 다루지 않았다. 보다 상세한 내 용은 Henriot(2015)을 참고.