한국환경연구원이 탄소중립 구현을 위해 필수적으로 점검해야 하는 전환 부문, 에너지 가격 및 조세체계, 산업구조, 기술혁신 등 주요 기반 분야의 현안을 점검하고 개선방안을 제안했다. 

연구원에 따르면 전환 부문에서는 재생에너지 확대가 전력 시스템에 미치는 영향을 먼저 검토해야 한다. 재생에너지를 안정적으로 전력 시스템에 통합하기 위한 기반을 구축해야 한다는 지적이다. 연구원은 이를 위해서는 재생에너지 발전량에 대한 예측력을 높이고, 전력 계통의 운영기준을 다시 마련하며, 재생에너지와 전력시장을 연계하는 통합 시스템을 구축해야 한다고 분석한다.

◇ 재생E 확대가 전력 시스템에 미치는 영향은?

정부는 지난해 10월 ‘2050 탄소중립 시나리오’를 통해 2050년까지 재생에너지 발전량 비중을 최대 70.8%로 확대한다는 계획을 밝혔다. 이를 위해 정부는 2030년 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안을 발표하면서 2030년 신재생에너지 발전량 비중을 30%로 높이기로 했다. 

한국에너지공단에 따르면, 2020년 기준 국내 전력 발전량 중 재생에너지 발전량 비율은 5.8%로, 독일(43.6%), 영국(43.1%), 이탈리아(41.5%), 프랑스(23.8%), 미국(19.7%), 일본(19.0%) 등 주요 선진국에 비해 상당히 낮은 수준이다. 새 정부 들어 2030년 재생에너지 비중 목표를 소폭 낮출 것으로 예상되지만 현재 수준보다 재생에너지를 대폭 확대해야 하는 상황은 여전하다.

한국환경연구원은 “탄소중립 목표 달성을 위해 공격적인 재생에너지 확대가 예상되며, 이 과정에서 다양한 문제가 야기될 수 있다”며 “특히 재생에너지가 전력 시스템에 미치는 영향에 대해서는 선제적으로 검토하고, 향후 증가할 재생에너지를 안정적으로 전력 시스템 내에 통합하기 위한 기반 구축이 시급하다”고 지적한다.

국내에서는 제주도의 경우 2020년 기준 재생에너지 비중이 16.2%로 늘어나면서 재생에너지 전력 과잉 공급에 따른 ‘출력제한’ 조치가 증가하고 있다. 제주도에서는 태양광과 풍력 발전 설비 용량이 봄철 오후 전력 수요를 넘어서면서 2020년에만 출력제한 조치가 77회(총 19GWh 규모) 발생하는 등 재생에너지 확대에 따라 전력 계통에 문제점이 나타나고 있다.

연구원은 재생에너지 확대가 3가지 측면에서 전력 시스템에 영향을 미친다고 분석했다. 첫째, 재생에너지는 수급 불안정을 일으킨다는 것이다. 재생에너지 중 비중이 높은 태양광의 경우 낮 시간대에는 초과공급이 발생할 수 있고, 저녁 시간대에는 초과수요에 대응하기 위한 수급 관리가 필요하다. 2030년 이후 재생에너지 비중이 30%를 넘어서게 되면 이러한 문제가 더욱 늘어날 수 있어 대책 마련이 필요하다는 지적이다.

둘째, 재생에너지는 유연성이 떨어지기 때문에 이에 대한 대안 마련이 필요하다는 점이다. 연구원에 따르면, 재생에너지 비중이 20%로 확대되면 유연성이 떨어지는 재생에너지를 보완하기 위한 유연성 있는 발전설비와 송배전망 보강이 이뤄져야 한다. 여기서 말하는 유연성이란 전력 수요에 맞춰 전력공급을 적시에 할 수 있는 능력을 의미한다. 유연성이 있는 대표적인 발전설비로는 LNG 발전 등을 들 수 있다.

마지막으로, 재생에너지는 회전관성이 없어 강건성이 떨어진다는 지적이다. 연구원에 따르면, 재생에너지는 인버터를 통해 계통과 연결되기에 주파수 불안정에 대응하기 어렵고, 주파수가 외부요인으로 하락할 경우 계통에서 탈락해 대규모 정전이 발생할 수 있다. 

기존 화력발전 등은 발전기에서 제공하는 기계적인 관성 에너지로 인해 계통에서 사고 발생 시 주파수 변화를 억제해 계통의 안정화가 가능하다. 하지만 인버터 기반인 재생에너지는 무관성 시스템으로, 재생에너지가 증가할수록 전력 계통의 관성이 점차 줄어들어 안정도가 떨어지게 된다.

◇ 발전량 예측·계통 운영기준·통합 시스템 구축 필요

한국환경연구원은 이러한 문제점들을 점검하고 탄소중립에 따른 재생에너지 확대에 대응하기 위해 다양한 기반 구축 작업이 필요하다고 강조한다. 연구원은 먼저 재생에너지 발전량에 대한 예측력을 향상하는 것이 전제되어야 한다고 제안한다. 

현재 국내에서는 한국전력공사와 전력거래소 등과 거래되는 전력 데이터들은 수집할 수 있지만, 최근 늘어나고 있는 개별가구 및 사업장에 설치된 발전설비의 발전량 자료를 취득하기는 어려운 상황이다. 이에 연구원은 재생에너지 발전량에 대한 예측력을 개선하기 위해서는 재생에너지 설비에 대한 실시간 자료 취득 장치 설치를 의무화하고 소규모 자원의 경우 중개업자를 통해 실시간 정보를 취득하는 방안이 필요하다고 제안한다. 

연구원은 두 번째로 전력 계통의 운영기준을 재정립해야 한다고 지적한다. 현재와 같이 대규모 발전설비 위주로 구성된 전력 시스템은 대규모 발전기를 제어할 수 없어 전력 수요 변동에 대응하기 어렵다는 지적이다. 따라서 연구원은 유연성 자원에 대한 가치를 정립하기 위한 제도를 개선하고 배터리와 양수발전과 같은 다양한 저장장치를 효과적으로 활용해야 한다고 분석한다.

마지막으로 연구원은 재생에너지와 전력시장을 연계하는 통합 시스템을 구축해야 한다고 강조한다. 저장 가능한 에너지 및 기술을 활용해 에너지원 간의 전환이 가능하게 하는 것이 중요하다는 설명이다. 전기에너지를 가스에너지로 전환하는 기술(P2G: Power to Gas)과 전기에너지를 열에너지로 변환하는 기술(P2H: Power to heat), 전기차를 에너지 저장 장치로 활용하는 기술(V2G: Vehicle to Grid) 등이 대표적이다. 

연구원은 또한 발전과 난방, 수송 등 다양한 부문을 통합하는 시스템을 구축해 ‘섹터 커플링’을 이뤄야 한다고 분석한다. 연구원에 따르면, 섹터 커플링은 재생에너지로 만들어진 전력을 다른 형태의 에너지로 변환하여 사용하거나 저장하는 시스템을 말하며, 넓게는 에너지시스템 간의 통합을 의미한다. 섹터 커플링을 통해 화석연료를 재생에너지 기반의 전력으로 대체할 경우 에너지효율 개선 및 온실가스 감축이 가능하다. 

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