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[칼럼] 신재생에너지 수용성증대와 원자력발전의 기술적 한계
전영환 홍익대학교 전자전기공학부 교수
[486호] 2018년 02월 12일 (월) 08:01:57 전영환 yhchun@hongik.ac.kr
전영환
홍익대학교
전자전기공학부 교수

[이투뉴스 칼럼 / 전영환] 신재생에너지 중에서 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로, PV(태양전지)는 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하기 때문에 꿈의 에너지로 여겨지고 있다. 온실가스 문제, 미세먼지 뿐만 아니라 안전성 문제에서도 장기적으로 이만한 에너지원을 찾을 수 없기 때문이다. 그러나 풍력발전기나 PV 모두 바람과 햇빛의 상태에 따라 발전 출력이 변동하는 문제가 있다. 이 출력 변동 문제는 전력시스템에서 안정적인 주파수와 전압 유지에 매우 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 ‘재생에너지 3020’ 정책의 성공적인 정책 실현 뿐 아니라 신재생에너지원의 용량을 계속 늘리기 위해서는 출력변동의 영향을 어떻게 전력시스템에서 안정하게 제어하는가에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.

전력시스템은 연계된 발전기의 총발전량과 부하의 총량이 매순간 일치해야 주파수가 일정하게 유지되는 특성이 있다. 지금까지 전력시스템에서 주파수 안정성은 발전기의 고장에 의한 탈락, 부하 변동 등에 의한 영향에 대처하면 되었지만, 앞으로는 신재생의 출력 변동에 의한 영향이 더욱 크게 나타나게 된다. 따라서 신재생의 출력변동성에 의한 전력시스템의 주파수 안정성을 어떻게 유지하는가는 신재생 수용성 향상을 위한 핵심 과제이다.

부하의 변동이나 발전기 고장 등에 의한 순간적인 수급불균형은 발전기의 속도제어기(Governor)1)와 EMS의 자동발전제어(AGC, automatic generation control)에 의해서 제어가 이루어지고 일정 주파수를 유지하게 된다. 따라서 전력시스템에서 각 발전기의 속도제어 기능은 전체의 주파수 안정도를 유지하는 중요한 역할을 한다. 기존의 발전기 중에서 주파수 변화에 따른 제어응답이 빨라서 유연하게 대처 가능한 발전기는 수력발전기(양수발전기 포함), 가스발전기, 석탄화력발전기 순으로 나열할 수 있다. 우리나라 발전기 중에서 소위 기저발전기로 알려져 있는 원자력 발전기는 조속기제어 기능이 없으며 현재 EMS와 연계된 AGC 제어 기능도 갖추고 있지 않다.2) 

제8차 전력수급기본계획에서 신규 원자력발전기 건설을 중지하고 수명연장을 하지 않는다고 하더라도 2030년 전원 믹스에서 원자력발전기가 점하는 용량은 20Gw 정도가 된다. 2030년 신재생 출력이 높은 봄철 휴일의 경우를 생각해 보자. 수요가 50Gw 일 때, 풍력과 태양광 출력이 용량의 50% 정도인 25Gw까지 증가할 것으로 예측이 되면 나머지 발전기는 모두 조속기, AGC에 의한 출력제어가 가능한 수력이나 가스발전기 혹은 석탄화력발전기로 운영하여야 한다.3) 원자력발전기로는 신재생 출력 변동에 의한 주파수 변화를 안정적으로 제어할 수 없기 때문이다. 앞으로 기술개발이나 여러 가지 제도를 활용하여 신재생에너지원 출력의 변동성 자체를 줄이고, 에너지 저장장치를 활용한다고 하더라도 그 양이 제한적이기 때문에 원자력 발전기 자체의 출력조정 기능 없이는 계통운영제약에 의해 발전하지 못하는 경우가 증가할 것은 명확하다. 

원자력발전기는 안정성과 경제성 문제 등으로 인해 논란의 중심에 있는 전원이다. 그러나 신재생 비율 20%를 넘어 앞으로 신재생에너지의 비율이 증가되는 상황에서 원자력 발전기가 AGC나 조속기 제어 기능을 가지지 못하면 계통운영 제약으로 인해 제어가능한 발전기의 확보를 위해 원자력발전을 줄이거나, 재생에너지 발전을 줄일 수밖에 없다.  재생에너지가 증가하고 있는 시점에서 원자력 발전기의 출력제어 기능은 기저발전기로서의 역할을 유지하기 위해서는 꼭 필요한 기능이다. 앞으로 전력업계가 같이 고민하고 해결해야 할 부분이지만, 출력제어 기능 확보를 위한 원자력계의 노력도 필요한 시점이다.

 

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1) 속도와 주파수는 비례관계에 있어서, 속도를 제어하면 주파수제어가 가능하다.
2) 프랑스, 벨기에, 독일의 경우 원자력 발전기 출력제어가 가능하다.
3) 신재생수용한계를 전체 수요의 50%로 가정한 경우이다. 신재생수용한계는 계통의 크기, 백업설비의 용량 등에 따라 다르기 때문에 우리계통의 수용한계를 정확하게 정하는 것은 앞으로의 과제이다. 현재 외국의 경우 이 값을 40~50% 정도로 운영하고 있으며, 가정에서 비율이 늘어난다고 하더라도 문제의 본질은 그대로이다.
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