신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 김 수 덕 아주대학교 대학원 에너지학과 부교수 1. 연구배경 기후변화협약으로 환경문제에 대한 관심이 커짐에 따라 온실가스 배출 저감의무를 부여 받은 유럽 및 선진 외국들은 의무이행 방법 중 하나로 신 재생에너지를 이용한 전력을 보급하기 위해 노력을 기울이고 있다. 이러한 배경에는 에너지 분야가 타 부문에 비해 온 실가스 배출기여도가 크고, 그 중에서도 전력 생산을 위한 에너지사용이 가장 큰 온실가스 배출 비중을 차지하고 있기 때문에 전력생산 부문에서의 친환경시스템 도입 필요성에 대 한 공감대가 확산되고 있는 점을 들 수 있다 (EEA 2005). 신 재생에너지의 보급에는 현재의 경제적 타당성 부족, 신 재생전원을 이용한 전력공급 시의 간헐성문제 등 몇 가지 간과할 수 없는 문제가 있는 것이 사실이다. 신 재생에너지 는 현재로는 전통에너지원에 비해 경제성이 확보되지 못하며, 신 재생에너지의 공급기여 도가 낮다는 지적(Shukla 외 2001) 과, 신 재 생에너지는 주로 풍력, 태양광 등 자연조건에 따라 출력이 변동되는 비급전 전원설비로써 피크의 기여도가 불확실성을 내포하는 확률 적 분포를 갖고 있고, 우리나라와 같이 국제 적 계통연계가 되어 있지 않은 경우에는 이 에 대한 추가적인 대응방안을 연구해야 한다 는 지적이 있다( 김수덕 외 2005). 또 현재기 준으로 대부분 수입기자재에 의존함에 따라 유지관리에 따르는 어려움도 지적된다. Owen (2002)은 높은 유지보수 비용으로 인한 높은 자본비용의 필요성, 그로 인한 자본 확보의 어려움, 높은 초기비용과 프로젝트 개발비용의 요구, 에너지 기술 및 정보에 대한 불확실성 위험 존재 등을 신 재생에너지보급의 단점 으로 나열하고 있다. 그러나 신 재생에너지는 시장에서 제대로 반영되지 않는 부의 외부효과와 직간접적 보 조금의 존재, 환경변화에 대한 대응의 측면에 서 볼 때, 장기적으로 보급할 가치가 있는 것 으로 인식되고 있다. 신 재생에너지 산업발 달에 따른 고용창출효과, 신 재생에너지가 장기적으로 경제성을 갖는다는 근거를 경제 학적 이론을 통해 살펴 볼 수 있다. [ 그림 1] 과 같이 현재의 신 재생에너지공급의 한계비용 - 13 -
기술정보 제26 호 (2008) 곡선은 사적한계비용곡선(PMC ; Private Marginal Cost) 으로, 화석에너지 사용으로 인한 공해물 질 배출 등의 외부비용이 제대로 반영되어 있지 않다. 따라서 현재의 화석에너지 사용에 따른 부정적 외부비용이 고려되면 비용상승을 초래하여 이를 내부화 한 사회적 한계비용 (SMC ; Social Marginal Cost) 곡선은 SMC 로 이동하게 된다. 결국 균형가격은 에서 PMC에서 로 상승하게 되고, 에너지의 사용량도 원래에 미치지 못하는 수준으로 결정된다는 것이다(Common 1996, Titenberg 2003 등). [ 그림 1] 부정적 외부효과 자료 : Titenberg(2003) [ 그림 2] 전통에너지와 신 재생에너지의 자료 비용구조 변화 : Berry 외(2001) 따라서 외부비용과 에너지사용에 대한 직 간접적 정부보조 등을 제대로 반영하지 못하 는 현재 시장의 가격결정구조에 의거하여, 신 재생에너지 기술을 단순히 평가하는 것 은 논리적인 문제가 있다는 지적이다. [ 그림 2] 는 이러한 구조를 감안한 장기적인 비교를 시도한 것이다. 이 그림은 현재로서 는 비용구조상 신 재생에너지가 비싼 것으 로 나타나지만, 장기적인 사회적 비용구조를 감안한다면 사정이 달라짐을 의미한다. 즉, 기존기술에 의한 전통적 화석연료의 사용은 증가되는 외부비용의 내재화와, 직 간접적 정부보조금 등을 사회전체적인 측면에서 고려 하게 되면 상당한 비용증가가 예상되는 반면, 신 재생에너지기술에 의한 에너지생산과 사 용은 이러한 외부비용의 문제가 없고, 장기적 으로는 기술진보와 이의 상용화에 따라 비용 이 감소하게 되어 기존기술과의 경쟁에서 우 위를 점하게 될 것이다(Berry 외 2001). 이와 같은 신재생에너지원의 특성을 감안 하여 신재생에너지 전원 설비의 특성을 정리 하면 다음과 같다. 기술적 특성 : 신재생에너지는 주로 풍력, 태양광 등 자연조건에 따라 출력이 변동되 는 비급전 전원설비로써 피크의 기여도가 낮은 편임. 특히 대부분 수입기자재에 의 존함에 따라 정비유지에 어려움 산업적 특성 : 신재생에너지 기술개발수준 이 선진국에 비해 초기단계에 있고, 신재 생에너지의 경제성은 대체에너지사업 기준 가격 차액지원제도에 의해 상당부분 의존 하고 있는 실정임. 신재생에너지 전원별 특성과 부가가치를 고려하여 선택적으로 - 14 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 지원 육성할 필요성이 대두되고 있음 환경적 특성 : 대단위 전원설비에 비해 환 경성이 우수하면서 연료비 등 유지비용이 상당히 저렴한 편임. CO 2 기후변화협약 등 미래 전력산업 환경변화에 대비하여 일 정규모의 신재생에너지 자원개발이 필요 정책적 특성 : 고유가, 고석탄가격 등 연 료가격의 급격한 변동이 일어나고 있어, 지속적인 에너지자원의 개발과 발전이 필 수적이 되었음. 따라서 최근 보급 확대 추 세에 있는 신재생에너지 자원에 대한 올바 른 경제적 기술적 평가와 수급자원으로서 의 적용방안에 대한 국가 에너지 정책차원 에서의 고려가 필요 지역적 특성 : 지역적 수요와 발전불균형에 따라 부하집중지역에 소용량 신재생에너지 발전소의 건설이 필요. 특히 최근 에너지 기본법 입법내용 중에 지역별에너지 수급 계획을 수립하도록 하는 등 지역별 전력수 급에 대한 사항이 관심사항이 되고 있음 환경적 측면에서 보면, 1997년 기후변화에 관한 협약서인 교토의정서를 제정하여 중동부 유럽 11개국을 포함한 38개 선진국들에 대하 여 2008 ~ 2012년 동안의 연평균 온실가스 배 출량을 1990년 수준보다 평균 5.2% 낮은 수 준으로 감축하도록 법적 의무로 규정하였다. 후속조치로 2001년 이 의정서의 이행 방안에 대한 규정집인 마라케쉬 합의서(Marrakech Accords)가 통과되어 자국에 허용된 온실가 스 배출량 중 일부를 거래할 수 있는 국제 배출권 거래제(IET, International Emissions Trading), 다른 선진국에 대한 투자로 발생한 온실가스 배출 감축에 대한 권리를 인정하는 공동이행제 (JI, Joint Implementation), 개도 국의 지속 가능한 발전을 지원하는 온실가스 배출 감축 프로젝트를 통해 얻은 CER (Certified Emission Reduction)을 투자국가의 권리로 인증하는 메카니즘인 CDM(Clean Development Mechanism)를 만드는 등 세계 적으로 기후변화에 대한 관심이 제고되고 있 다. 따라서 에너지 자원에 대한 외부 의존도 를 감소시키고, 온실 가스를 감축시킬 수 있 는 재생에너지원을 보급하고자 하는 정부의 대책과 함께 이들 발전원이 기존의 전력수요 에 어떠한 영향을 미칠 것인가를 분석하는 것은 전원구성에 대한 효과를 평가하기 위한 기초 작업이 될 것이다. 신재생에너지원을 전원구성에 반영하게 된 이유는 (1) 경제성장과 에너지 수요의 폭발적 증가, (2) 환경을 위해하는 에너지 소비구조, (3) 취약한 에너지 수급구조, (4) 원자력의 높은 비중과 사회적 갈등의 심화 등이 추가 적인 비용을 지불함에도 불구하고 신재생에 너지를 도입하려는 근거로 지적되고 있다. 또 미래에 신재생에너지의 비중이 높아지게 되면 전원계획에서 반드시 고려해야 하는 대 상이 될 수밖에 없는 경우, 각종 신재생에너 지를 얼마나 보급하는 것(Penetration) 이 적 절한가를 검토할 수 있어야 하며, 어떤 비용 수준에서 공급해야 하는가 하는 질문들이 전원 계획에 면밀하게 연관되어 있다. 또한 신재 생에너지원 중 풍력이나 태양광과 같은 신재 생에너지 자원이 기존의 화석에너지 및 원자력 자원과 다른 점으로 간헐성(Intermittency) 과 급전 지시자의 의도에 따라 급전(Dispatch) - 15 -
기술정보 제26 호 (2008) 할 수가 없기 때문에, 신재생에너지를 전원계 획에 포함할 때는 아래와 같은 사항을 고려 하여야 한다고 지적하고 있다( 박종배 자문위 원, 산업자원부 2005.8). 첫째는 가용한 신재생에너지 자원의 설정 이다. 몇 가지의 신재생에너지를 고려할 것 인가를 결정하여야 한다. 신재생에너지로 분 류되는 자원은 다수가 있지만 전원계획에 고 려하여야 할 만큼 유효한 자원을 어디까지 포함할 것인가의 문제이다. 둘째는 신재생에너지의 한계를 설정하여야 한다. 소요되는 토지의 면적에 대한 제약을 고려하여 풍력이나 태양에너지와 같이 이용 가능한 간헐적인 자원의 가용자원 총량에 대한 추정치를 설정해야 한다. 셋째는 전력시스템에서 신재생에너지가 차 지하는 비중의 상한선을 결정하여야 한다. 시스템의 신뢰도 기준을 충족하는 한도 내에 서 간헐적인 신재생에너지 자원을 얼마나 도 입할 수 있는가에 대한 상한선을 제시해야 한다는 의미이다. 넷째는 시간이 지나면서 신재생에너지에 대한 기술습득의 과정을 고려해야 한다는 점 이다. 초기에는 신재생에너지의 R&D 와 제작, 그리고 운영에 있어서의 지식이나 경험이 부 족하여 비용이 높을 수밖에 없다. 하지만 시 간이 지나면서 기술을 습득하고 체화하는 과 정에서 비용의 하락이나 규모의 경제가 있을 수 있다. 이와 같은 전망을 고려하여 비용을 입력하여야 한다는 점이다. 다섯째는 신재생에너지 자원이 대부분 매우 간헐적으로 생산되는 특성이 있기 때문에 시 스템에서 Capacity Value를 결정해주어야 한 다는 점이다. 피크에 기여하는 정도를 신재 생에너지 자원별로 설정하여 시스템 신뢰도 를 높일 수 있도록 하여야 한다. 이러한 지적을 감안하여, 본 연구는 국내 신재생에너지이용 전력생산 지원제도인 FIT (Feed-In Tariff), RPS(Renewable Portfolio Standards), RPA(Renewable Portfolio Agreement) 등에 대한 소개와 함께, 신재생에너지원 ( 풍력 과 태양광) 의 특성이 전원구성에 미치는 영 향을 분석하기 위해 정부가 제시한 신재생에 너지원을 이용한 발전 목표치를 기본 시나리 오로 삼고 풍력발전의 시간대별 특성을 반영 하여 기존의 에너지공급패턴에 이들 신재생 전원이 미치는 영향을 분석하는 것이 주된 연구목표이다. 하지만 작년 말 이미 준비되었던 국가에너 지기본계획의 초안은 정권이 바뀌고 최근 정 부의 저탄소 녹색성장이라는 새로운 목표가 제시됨에 따라 여전히 세부사항에 대한 수정 작업이 진행되고 있고, 특히 신재생에너지 보 급과 관련하여서는 간략한 내용만이 확인되고 있을 뿐이다. 본고에서는 이러한 사정을 감안 하여 확인되는 국가에너지기본계획과 관련 신재생전원의 보급계획을 근거로, 풍력과 태양 광전원의 특성이 전원구성에 미치는 영향 분 석에 대한 연구의 중간결과를 통해 대략의 의의를 살펴보기로 한다. 2. 국가에너지기본계획과 신재생전원의 보급계획 2008년 8월 15 일 대통령은 저탄소 녹색성 장 을 대한민국의 새로운 비전으로 제시했다. 이는 세계의 녹색전쟁을 위기 아닌 국가 발 - 16 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 전의 기회로 삼아야 한다는 정부의 강력한 의지 표명으로 해석된다. 저탄소 녹색성장 구현을 위한 4 대 비전으로는 (1) 에너지 저 소비를 통한 저탄소사회구현, (2) 탈화석에너 지화, (3) 그린에너지산업의 성장동력화, 그리 고 (4) 에너지자립 및 에너지복지실현이 제시 되고 있으며, 2030년까지 (1) 에너지 저소비를 통한 저탄소사회구현을 위해 에너지 사용효율의 개선, 에너지시 장의 효율화 및 합리적 가격체계구축, 기 후변화 대응능력 향상이 구체적 방안으로 제시되며 이를 통해 에너지원단위를 현재 0.341에서 0.185 수준으로 46% 개선한다 는 계획이다. (2) 탈화석에너지화는 석유의존도를 43.4% 에 서 33% 수준으로 떨어뜨리고 신재생에너 지비중을 2.4% 에서 11% 로 확대 개발 보 급하고 아울러 원전의 공급능력 확대함으 로써 석유를 포함한 화석에너지 비중(1 차 에너지 기준) 을 현재 83% 에서 2030년 61% 로 축소한다는 계획이다. 다만 원전 확대와 관련하여서는 국민의 이해기반 확 충의 계획이 추가된다. (3) 그린에너지산업의 성장동력화는 현재 60% 수준인 에너지기술수준을 세계최고수준으 로 끌어올려 그린에너지산업의 기반을 구 축하고 이를 통해 에너지산업의 해외진출 을 확대한다는 것이다. (4) 에너지자립 및 에너지복지실현은 해외자 원개발 역량을 확충하여 자주개발율을 4.2% 에서 40% 까지 끌어올림으로써 에너 지의 안정적 공급을 강구하되 에너지빈곤 층의 비율을 현재 7.8% 에서 0% 로 하여 에너지복지를 강화한다는 계획이다. 국가에너지기본계획은 현재 240.5백만 TOE (2007 년 잠정) 인 에너지수요를 현재의 효율수 준이 그대로 유지된다고 가정하는 BAU(Business As Usual) 기준 하에 예상되는 2030년 에너 지수요 553.2백만 TOE, 자연적인 효율개선을 감안한 BAU 기준 342.8백만 TOE, 그리고 상기의 저탄소 녹색성장을 위한 목표효율을 달성하는 경우 얻어질 것으로 예상되는 300.4백만 TOE를 1차 에너지기준 목표치로 제시하고 있다 1). [ 그림 3] 국가별 부하율 ( 년도) 특히 전력부분의 발전량과 최대전력수요 산정을 위해 78% 의 부하율을 적용하고 있다 고 밝히고 있고 이와같이 높은 부하율 적용 사유로 제3차 전력수급기본계획의 수요관리 목표량이 지나치게 반영되어 수요관리 후 부 하율에 도달할 가능성이 불투명하고, 현 수요 관리 프로그램의 효과 및 목표량의 적정성에 대한 재검토 필요하다는 것을 지적하고 있다. 하지만 1961년 이후 역대 최고 부하율은 77.7% 수준(1980 년과 2003 년 두차례 발생) 이 1) 문영석, 아주대 세미나자료, 2008.11.12-17 -
기술정보 제26 호 (2008) 고 위의 그림에서 보듯이 세계적으로 부하율 이 우리나라가 가장 높은 수준임을 감안, 본 연구에서는 부하율을 또 신재생에너지 비중은 76.1% 를 적용하였다 2). 2006년기준 2.4% 에서 11% 로 현재대비 4.6배로 확대가 계획되 어 있는데, 신재생에너지의 경우 원별로 공급 규모는 태양광 44 배(80 3,504MW), 풍력 37배 (199 7,301MW), 바이오 19 배(187 만4,000 3,648 만7,000Gcal), 지열은 51 배(110 5,606Gcal) 로 늘어나는 것으로 되어 있다. 아래는 현재 구득이 가능한 가장 최근의 에너지관리공단 이다. 신재생에너지보급통계(2008) 기존의 보급통계와 상기의 논의를 기 준으로 전력수요량과 피크부하, 그리고 태양 광발전과 풍력발전의 보급량에 대한 전망치 를 산정하여 본 것이 아래 력발전 보급시나리오이다. < 표> 태양광과 풍 [ 표 2] 보급통계 - 연도별 발전량 (MWh) 구분 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 총발전량 184660832 205493552 224444592 215300416 239324736 266399504 285223744 306474048 322451712 342147968 364639328 381180704 양수발전 2717995 2776967 2589533 1819618 1906973 1600269 1820814 2078269 2001406 1550355 1515588 1751083 신재생공급비중(%) 0.05 0.04 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.07 1.56 1.33 1.08 1.02 신재생 총발전량 84398 84299 93711 114181 118902 103794 102508 203287 5035156 4533603 3950000 3899369 태양광 2228 2556 3100 3796 4572 5284 6184 7044 7752 9872 14399 31022 15.09% 14.08% 14.25% 13.97% 14.42% 14.53% 14.28% 14.84% 14.80% 13.21% 12.15% 9.88% 바이오(LFG) 0 0 0 0 0 0 0 70783 100193 146927 129595 154521 풍력 432 348 808 1475 5839 16685 12590 14881 24865 47442 129888 238911 수력 81738 81395 89803 108910 108491 81825 83734 110579 4902346 4329362 3674015 3468233 1MW 이하 7926 8702 10670 16465 19608 18464 18163 25685 31681 18989 30658 34171 1 ~ 10MW 이하 73812 72693 79133 92445 88883 63361 65571 84894 155931 146990 148524 151120 10MW 초과 0 0 0 0 0 0 0 0 4714734 4163383 3494833 3282942 연료전지 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2103 6681 용도별 발전량 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 사업용 81738 81395 89803 109713 113390 90910 95392 196009 5025178 4514382 3928781 3862083 태양광 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13 595 5666 바이오(LFG) 0 0 0 0 0 0 0 70783 100193 146927 129595 154521 풍력 0 0 0 803 4899 9085 11658 14757 22749 38103 125291 234047 6.10% 12.72% 17.58% 16.77% 13.27% 14.30% 6.39% 14.49% 15.04% 수력 81738 81395 89803 108910 108491 81825 83734 110469 4902236 4329339 3673300 3467538 1MW 이하 7926 8702 10670 16465 19608 18464 18163 25575 31571 18966 29943 33476 1 ~ 10MW 이하 73812 72693 79133 92445 88883 63361 65571 84894 155931 146990 148524 151120 10MW 초과 0 0 0 0 0 0 0 0 4714734 4163383 3494833 3282942 연료전지 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 311 자가용 2660 2904 3908 4468 5512 12884 7116 7278 9978 19221 21219 37286 태양광 2228 2556 3100 3796 4572 5284 6184 7044 7752 9859 13804 25356 풍력 432 348 808 672 940 7600 932 124 2116 9339 4597 4864 수력 0 0 0 0 0 0 0 110 110 23 715 695 출처 1MW 이하 0 0 0 0 0 0 0 110 110 23 715 695 : 에너지관리공단, 신재생에너지보급통계 (2008) 2) 3차 전력수급계획의 최종년도의 기준발전량과 기준최대 부하 감안 산정 - 18 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 [ 표 3] 태양광과 풍력발전 보급시나리오 구분 태양광 풍력 년도 총발전량(GWh) 발전량(MWh) 총발전량대비 (%) 설비용량(kW) 발전량(MWh) 총발전량대비 (%) 설비용량(kW) 2008 404094.5 98112.0 0.024% 80000.0 262150.0 0.065% 199000.0 2009 424469.9 116502.3 0.027% 94995.4 308791.1 0.073% 234405.6 2010 441890.7 138339.8 0.031% 112801.5 363730.5 0.082% 276110.6 2011 456689.3 164270.5 0.036% 133945.3 428444.6 0.094% 325235.5 2012 469177.7 195061.7 0.042% 159052.3 504672.5 0.108% 383100.7 2013 480230.5 231624.5 0.048% 188865.3 594462.8 0.124% 451261.1 2014 489586.6 275040.7 0.056% 224266.7 700228.2 0.143% 531548.5 2015 497546.5 326594.9 0.066% 266303.7 824811.3 0.166% 626120.4 2016 504441.2 387812.5 0.077% 316220.2 971559.8 0.193% 737518.3 2017 510968.4 460504.9 0.090% 375493.2 1144417.6 0.224% 868735.9 2018 517093.1 546822.9 0.106% 445876.5 1348029.8 0.261% 1023299.5 2019 522869.7 649320.6 0.124% 529452.5 1587868.2 0.304% 1205362.6 2020 528452.0 771030.7 0.146% 628694.3 1870378.1 0.354% 1419818.0 2021 536678.4 915554.3 0.171% 746538.1 2203151.6 0.411% 1672428.8 2022 545032.7 1087167.8 0.199% 886470.8 2595131.4 0.476% 1969983.6 2023 553517.1 1290948.8 0.233% 1052632.8 3056851.3 0.552% 2320478.7 2024 562133.6 1532927.0 0.273% 1249940.5 3600719.4 0.641% 2733333.0 2025 570884.2 1820262.2 0.319% 1484232.0 4241351.3 0.743% 3219641.5 2026 579771.1 2161456.0 0.373% 1762439.7 4995963.0 0.862% 3792472.9 2027 588796.3 2566604.0 0.436% 2092795.1 5884833.6 0.999% 4467221.1 2028 597961.9 3047693.7 0.510% 2485073.2 6931849.9 1.159% 5262019.0 2029 607270.3 3618960.0 0.596% 2950880.6 8165149.1 1.345% 6198225.6 2030 616723.5 4297305.6 0.697% 3504000.0 9617874.0 1.560% 7301000.0 3. 3.1 분석모형과 잠정결과 분석모형 개관 미래의 시간대별 전력수요예측을 위해서 가장 최근의 시간대별 전력수요 자료인 의 2007 년 8760 시간 시간대별 수요자료를 이용하였다. 상기에 주어진 부하율기준에 의해 계산되는 발전량과 피크전력수요값을 기준으로 미래의 시간대별 전력수요 시나리오를 작성하고 이에 따른 부하지속곡선(Load Duration Curve ; LDC) 을 만들어 낼 수 있다. 그리고, 신재생 전원의 특성에 따른 발전량의 불확실성을 모 델을 통해 구현하고 구해진 8760시간대에서 기존 전력수요패턴에 미치는 영향을 차감한 다음 새로이 Load Duration Curve를 방법으로 영향력을 평가해 볼 수 있다. 태양광과 풍력발전의 경우, 구하는 각각 평면일사 량을 경사면 일사량으로 변환하여 발전량을 산정하고, 주어진 대기압 또는 공기밀도조건 하에 풍속자료와 출력커브를 감안하여 발전 량을 산정한다. 여기에는 전국평균의 출력커 브나 풍속 및 일사량자료를 시뮬레이션하기 위해 몇 가지 전제를 사용한다. 이러한 방법을 통해 각 풍력에너지원을 이용한 전원설비의 특성을 설명해보고 이를 구체적인 지역의 기상 - 19 -
기술정보 제26 호 (2008) 자료를 통해 시뮬레이션 함으로써 나타날 수 있는 다양한 발전패턴이 전력피크에 미치는 영향을 분석해 볼 수 있다. 특히 이들 풍력 전원설비를 통한 발전량이 현재 전력산업기반 기금을 통해 우선 구매되는 현실을 감안, 이들 신재생전원을 Must-run 의 형태로 부하지속곡 선(Load Duration Curve) 에 반영할 경우의 영향을 SCM(Screening Curve Method) 을 통해 장기전원구성에 미치는 효과를 분석해 볼 수 있다. 아래는 에너지기술연구원의 신재생에너지 자원지도 종합관리시스템에서 얻을 수 있는 대략의 풍력, 태양광 관련 자원정보이며, 자료 를 통해 선험적으로 몇 개의 지역을 선정, 시뮬 레이션을 위한 시간대별 기상자료를 선택하였다. (b) 풍속 출처 : 신재생에너지 자원지도 종합관리시스템 (http://kredc.kier.re.kr/) 자원지도 갤러리 [ 그림 4] 풍력자원지도 (a) 풍력밀도 [ 그림 5] 년평균 수평면 일사량 - 20 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 (a) 봄 (b) 여름 출처 (c) 가을 (d) 겨울 : 신재생에너지 자원지도 종합관리시스템 (http://kredc.kier.re.kr/ ) 자원지도 갤러리 [ 그림 6] 수평면 일사량 - 21 -
기술정보 제26 호 (2008) 3.2 분석의 잠정적 결과 현재 진행되고 있는 연구라 최종적인 결과 는 아직 얻지 못한 상태이지만 잠정적인 중 간결과를 통해 본 연구가 제시할 수 있는 의 미를 살펴보고자 한다. 아래에 제시된 두 개의 표< 표4, 표5> 에는 풍력과 태양광발전이 피크시각 전력공급에 미치는 영향 ( 단위 : MWh) 을 각각 1000회의 시뮬레이션 결과 얻어진 최소, 하위 2.5%, 평균, 상위 97.5%, 그리고 최대값과 그 크기 가 피크 수요에 미치는 영향을 비율로 표시 되어 있다. 또 부가적으로 제시된 그림( 그림 8, 그림9) 에서는 2008 년, 2015 년, 2020 년, 그 리고 2030년에 해당하는 각각의 분포를 Kernel Density Estimation 와 비교하여 제시하고 있다. 결과를 정규분포 결과치가 의미하는 바는 우선 풍력의 경우, 예상되는 설비규모가 2030년 7.3GW이며 최 대 4.084GWh 크기의 발전량이, 태양광의 경 우에는 설비규모 3.5GW, 최대 2.22GWh 에 해당하는 발전량이 피크시간에 생산되지 못 할 수 있음을 보여주고 있다. 1000번의 시뮬레이션의 결과에 한정된 것 이라는 점에서, 경우에 따라 더 큰 크기의 발전량 측면의 불확실성이 신재생전원으로 말미암아 나타날 수도 있다는 것을 의미한다. 이는 해당피크 시간대의 발전량 대비 각각 4.41%, 2.48% 에 해당되며, 설비규모로 본다 면, 각각 1GW 규모의 원자력발전소 4기와 2 기 이상의 규모의 발전설비가 예상치 않게 전력생산을 하지 못할 수도 있다는 의미가 되기도 한다. 향후 연구는 이러한 잠정적 결과를 바탕으 로 기준안이 되는 이 얻어지는 LDC와 각각의 경우 새로 LDC( 태양광, 풍력의 최대, 최소 영향 등이 감안된) 와의 차이를, 아래 [ 그림7] 과 같이 가장 분석이 용이하다고 판단되는 삼사곡선을 이용하여 기존 여타 전원설비의 전력생산에 미치는 영향의 측면에서 검토해 볼 예정이다. 이 결과는 기존의 발전자회사 들이 신재생에너지의 보급이 향후 가져다 줄 불확실성과 지존전원을 이용한 전력생산에 미치는 영향 등에 대한 좀 더 구체적인 정보 를 제공하여 이에 대한 대비를 할 수 있는 기초자료를 제공할 것으로 기대한다. [ 그림 7] 삼사곡선 (SCM, Screening Curve Method)를 이용한 전원별 발전량 산정방법 - 22 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 [ 표 4] 풍력발전이 피크시각 전력공급에 미치는 영향 ( 단위: MWh) 최소 기여도(%) 2.50% 기여도(%) 50.00% 기여도(%) 97.50% 기여도(%) 최대 기여도(%) 2008 0.49 0.00 3.10 0.00 28.70 0.05 79.81 0.13 113.98 0.18 2009 0.26 0.00 2.84 0.00 34.12 0.05 92.31 0.14 136.43 0.21 2010 0.20 0.00 3.19 0.00 36.91 0.05 115.79 0.17 226.04 0.33 2011 0.58 0.00 3.42 0.00 47.02 0.07 126.33 0.18 176.93 0.25 2012 0.63 0.00 4.56 0.01 52.55 0.07 155.91 0.22 230.03 0.32 2013 1.04 0.00 5.66 0.01 65.77 0.09 187.83 0.26 245.53 0.33 2014 1.51 0.00 6.99 0.01 71.77 0.10 232.91 0.31 294.04 0.39 2015 1.85 0.00 6.30 0.01 91.32 0.12 266.49 0.35 389.25 0.51 2016 3.21 0.00 9.20 0.01 107.25 0.14 311.18 0.41 413.22 0.54 2017 1.63 0.00 10.10 0.01 120.98 0.16 360.28 0.47 470.40 0.61 2018 1.31 0.00 10.46 0.01 155.76 0.20 430.22 0.55 634.52 0.81 2019 1.57 0.00 15.24 0.02 175.61 0.22 506.27 0.64 679.62 0.86 2020 4.22 0.01 19.74 0.02 206.35 0.26 580.67 0.73 950.35 1.20 2021 3.72 0.00 19.12 0.02 231.67 0.29 670.97 0.83 916.20 1.14 2022 1.32 0.00 22.86 0.03 288.21 0.35 795.35 0.97 1183.41 1.45 2023 3.35 0.00 30.89 0.04 325.91 0.39 944.22 1.14 1382.82 1.66 2024 3.22 0.00 35.85 0.04 371.41 0.44 1126.39 1.34 1663.40 1.97 2025 8.56 0.01 39.42 0.05 399.97 0.47 1267.25 1.48 1857.23 2.17 2026 4.98 0.01 50.19 0.06 530.66 0.61 1626.62 1.87 2327.63 2.68 2027 11.66 0.01 59.58 0.07 678.27 0.77 1877.08 2.12 2960.92 3.35 2028 9.29 0.01 67.08 0.07 789.16 0.88 2186.23 2.44 3315.46 3.70 2029 8.82 0.01 101.07 0.11 902.60 0.99 2462.55 2.70 3915.36 4.30 2030 4.59 0.00 96.02 0.10 1026.06 1.11 2861.82 3.09 4084.80 4.41 [ 그림 8] 풍력발전이 피크시각 전력공급에 미치는 영향 ( 단위 : MWh) - 23 -
기술정보 제26 호 (2008) [ 표 5] 태양광 발전이 피크시각 전력공급에 미치는 영향 ( 단위: MWh) 최소 기여도(%) 2.50% 기여도(%) 50.00% 기여도(%) 97.50% 기여도(%) 최대 기여도(%) 2008 18.87 0.03 24.40 0.04 38.72 0.07 48.78 0.08 51.59 0.09 2009 18.99 0.03 28.95 0.05 45.31 0.07 56.71 0.09 61.87 0.10 2010 18.45 0.03 36.74 0.06 54.73 0.09 67.50 0.11 73.66 0.12 2011 31.62 0.05 41.71 0.06 64.48 0.10 81.59 0.12 85.30 0.13 2012 26.59 0.04 51.96 0.08 77.34 0.11 97.20 0.14 103.34 0.15 2013 40.86 0.06 59.18 0.08 90.85 0.13 116.32 0.17 121.29 0.17 2014 45.09 0.06 67.75 0.09 108.30 0.15 135.92 0.19 147.66 0.20 2015 26.59 0.04 81.90 0.11 127.42 0.17 160.04 0.22 175.00 0.24 2016 64.73 0.09 98.86 0.13 151.77 0.20 190.43 0.25 205.27 0.27 2017 79.84 0.11 119.90 0.16 180.34 0.24 227.99 0.30 246.88 0.33 2018 77.01 0.10 137.09 0.18 216.13 0.28 273.39 0.36 290.71 0.38 2019 114.98 0.15 168.59 0.22 254.49 0.33 321.10 0.42 342.17 0.44 2020 126.56 0.16 195.41 0.25 302.77 0.39 383.89 0.49 411.41 0.53 2021 94.20 0.12 229.29 0.29 361.24 0.46 452.11 0.57 475.60 0.60 2022 106.14 0.13 273.39 0.34 432.49 0.55 536.01 0.68 584.48 0.74 2023 191.06 0.24 340.59 0.42 505.64 0.63 635.67 0.79 692.37 0.86 2024 303.60 0.37 412.08 0.50 607.73 0.74 757.61 0.93 805.53 0.98 2025 221.48 0.27 471.12 0.57 718.59 0.87 914.10 1.10 963.44 1.16 2026 339.11 0.40 543.30 0.64 852.57 1.01 1068.77 1.27 1153.70 1.37 2027 351.34 0.41 621.47 0.73 1010.88 1.18 1272.92 1.49 1317.48 1.54 2028 450.91 0.52 761.10 0.87 1201.48 1.38 1503.87 1.73 1589.54 1.83 2029 285.55 0.33 806.61 0.92 1394.64 1.58 1764.90 2.00 1899.42 2.15 2030 578.12 0.65 969.57 1.08 1643.59 1.83 2084.14 2.32 2220.78 2.48 [ 그림 9] 태양광 발전이 피크시각 전력공급에 미치는 영향 ( 단위 : MWh) - 24 -
신재생전원설비의 시간대별 특성 및 발전설비구성에 미치는 영향 연구 4. 합당한 신재생에너지 성장동력 확보를 위한 제언 현재 정부는 저탄소 녹색성장을 위한 신재 생에너지 보급을 위해 총사업비로 2030년까 지 정부( 중기재정 ) 28.1 조원, 민간 71.79조원 으로 모두 99.89조원이 투입될 것으로 예상 하고 있다( 원장묵, 2008. 9.30). 한편 에너지투데이 (2008년 11월 12 일) 는 세계 최대 추적식 태양광발전소 준공-축구장 93 개 크기, 전남 신안 동양태양광발전소, 한 총리 그린오션 신재생 집중투자 할 것 이라 는 제목 하의 기사에서, ( 주) 동양건설산업이 전라남도, 신안군과 함께 전남 신안군 지도읍 에 축구장 93개 크기인 67만m2 부지에 약 2,000억원을 들인 세계 최대 24MW규모의 추 적식 태양광발전소인 동양태양광발전소 준공 식을 기사화하고 있다. 또한 국무총리의 말을 인용, 앞으로 정부 의 정책도 그린오션 인 태양광을 비롯한 신 재생에너지 분야에 집중 투자할 것 라며 이 번 신안 동양태양광발전소 준공을 통해 전라 남도가 신재생에너지의 메카로 자리잡아 저 탄소 녹색성장의 기치를 내걸은 21세기 선진 일류국가의 꿈의 실현에 다가갈 것 이라는 기 사도 함께 전하고 있다. 태양광발전의 보급계획 규모 (2030 년 3,504MW) 는 상기 신안의 동양태양광발전소의 규모로 금액으로는 146배 29.2 조원, 부지면적으로는 9,782 만m2에 해당한다. 이 부지면적은 여의도 면적 850만m2의 11.5 배 정도에 해당한다. 태 양광발전 효율이 현재 기술로 알려진 바로는 약 17% 내외라고 하고, 상기의 발전소가 이 보다 약 설비규모 대비 약 15% 정도 효율이 높다고 하더라도 20% 정도의 효율이 될 것 으로 예상된다 3). 따라서 24시간 365일 급전 할 수 있는 설비의 발전량 기준으로는 여기 에 다시 최소 5 배를 해야하는 결과가 된다. 그러고도 여전히 피크타임에 주어지는 대기 조건, 대기청정도 등에 영향을 받는 일조량 때문에 이에 해당하는 규모의 발전 급전성은 보장할 수 없다는 점을 여전히 감안해 볼 필 요가 있다. 신재생전원의 우선 구매라는 현재의 전력 시장 운영은, 관련 전력생산의 불확실성을 기 존 전원들을 통해 암묵적으로 해결해야하는 비용을 수반하고 있음을 지적하지 않을 수 없다. 이는 다시 말하면 신재생전원의 전력 생산에 관한 확률적 분포를 감안한 추가적인 [ 그림 10] 동양태양광발전소의 전경 3) 이는 인버터장치를 통과하면서 생기는 전력손실을 감안 하지 않은 크기임. - 25 -
기술정보 제26 호 (2008) Backup 설비를 다른 전원을 통해 어떤 형태 로든 준비하지 않으면 안된다는 것을 의미하 기도 한다. 이러한 측면에서, 신재생에너지를 보급함으로써 에너지문제를 해결하고 원자력 의 추가건설을 대신할 수 있다는 등의 통념 보다는 이들이 상호 보완적인 측면이 있음을 이해할 수 있을 것이다. 물론 장기적으로 기술진보가 이루어지고 이에 따른 효율개선이 예상되는 상황에서 위 에서 보여준 단순 계산은 다소간 무리한 점 이 있을 수도 있다. 예컨대 태양열발전의 경 우, 약 30% 이상의 효율을 기대할 수 있고, 기술개발의 여지가 상당하다는 견해도 있 다 4). 바로 이것이 정부가 저탄소 녹색성장을 제시하고 이의 실현방안 중 제안하는 한 가 지 대안으로써의 신재생에너지 보급을 논하 는 이유라 하겠다. 즉 신재생에너지보급이 단순히 에너지의 자급이라는 측면보다는 기 술개발을 통한 향후의 성장동력을 찾아보자 는데 더 큰 의미가 담겨있다는 점을 강조하 는 대목이라는 점이다. 국내 시장이 협소하고 신재생자원의 측면 에서 신재생전원의 개발가능 잠재량이 그리 넉넉하다고 보이지 않는 국내에서 해당 신재 생전원과 관련된 모든 기술을 우리가 확보하 겠다는 것은 그리 바람직한 전략으로 보이지 않는다. 그 보다는 오히려, 그 중에서도 경쟁력 있는 부문에 대해 빠른 시간 내에 특화하고 성장동력으로 키워낼 수 있도록, 현재 계획된 보급보다는 상대적으로 그 재원을 잠재력 있 는 연구개발의 지원에 동원될 수 있도록 새 로운 계획을 수립하는 것이 합당해 보인다. 4) 강용혁, 아주대 세미나, 2008.10.28. < 참 고 문 헌 > [1] Berry, David., The market for Tradable Renewable Energy Credits, Ecological Economics, 2002, 42(3), 369-379. [2] Berry, T.; Jaccard, M., Renewable Portfolio Standard: Design Considerations and an Implementation Survey, Energy Policy, 2001, 29(4), 263-277. [3] BWE(Bundesverband Windenergie e.v.), www.wind-energie.de [4] Common, M., Environmnetal and Resource Economics: An Introduction, Second Edition, Published by Addison Wesley Longman, 1996. [5] EC(European Commission), Electricity From Renewable Energy Sources, Encouraging Green Electricity in Europe, 2004. [6] EEA(European Environment Agency), Annual European Community Greenhouse Gas Inventory 1990-2003 and Inventory Report 2005, http://www.eea.eu.int/main_html [7] Grotz, C.; Fouquet, D.; et al, Reflections on a Possible Unified EU Financial Support Scheme for Renewable Energy Systems(RES): a Comparison of Minimum-Price and Quota Systems and an Analysis of Market Conditions, EREF/ Worldwatch Institute, 2005. [8] Lauber, V., REFIT and RPS: Options for a Harmonised Community Framework, Energy Policy, In Press, Corrected Proof, - 26 -
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