▲ 김영창 아주대 교수

지금까지 전력사업의 여러 부문에 대하여 설명하였는데 이 장은 전력을 생산하기 위한 물리적 시스템에 대하여 설명한다. 전력을 생산하기 위한 발전의 연료원은 꽤 다양한데, 여기에는 석탄(주로 유연탄), 원자력, 가스, 석유, 수력, 그리고 다양한 형태의 신재생에너지가 있다. 동일한 연료원에 대해서도 다양한 발전기술, 예를 들면 증기터빈, 복합 사이클 터빈, 단순 사이클 등이 채택되고 있다. 각 발전유형은 운전과 건설비 및 운전비용에 있어서 서로 다르므로 수요를 만족시키기 위해 여러 종류의 발전유형이 필요하게 된다. 이것이 일반적으로 전력회사나 발전사업자가 다양한 유형으로 구성된 발전기 조합(generation mix)을 갖추는 이유이다.

일반적으로 석탄연소 발전기와 원자력 발전기는, 기저부하(base load)라고 불리는, 하루 동안 또는 일주일 동안 크게 변화하지 않는 부하를 만족시키기 위해 사용되고, 그리고 이들은 다른 유형의 발전기보다 더 높은 이용률로 운전된다. 발전기의 유형 별 발전량 점유율은 기저부하의 경우, 용량의 점유비율 보다도 크고 첨두부하용 발전기의 경우, 이와는 반대이다.

발전설비투자계획에 있어서는 미래의 전력수요의 증가에 대비하여 발전기를 미리 건설하는데 일차에너지원의 가격 상승, 전력수요의 증가 등에 대한 예측이 시작점이다. 미래에는 화석연료의 가격상승이 계속 이어질 것이고 신재생에너지원의 발전 특히 풍력발전의 증가세와 더불어 석탄연소 발전에 대한 새로운 관심이 고조되고 있다.

1)발전의 유형(type)
전력회사나 발전사업자는 소비자의 전력수요를 만족시키기에 적합한 발전기 조합을 갖추도록 노력한다. 이것이 어떻게 이루어지는지를 이해하기 위해서는 우선 발전기 유형 별 운전특성, 비용 그리고 환경에 관한 특성의 차이점을 이해하는 것이 중요하다. 이러한 특성에는 건설비, 변동비, 운전의 유연성, 환경에 주는 영향, 연료의 확보가능성(availability), 건설 입지에 대한 제약 등이 있다. 각각의 발전유형 별 특성에 대해서 다음에 설명할 것이다. 이러한 여러 특성을 기초로 하여 어떤 유형의 발전기가 어느 때 얼마만큼 건설되고 운전되는 것이 비용 면에서 유리한 지를 평가하여 발전기 건설계획을 수립한다.

#석탄연소 발전기=미국에서는 석탄 가격이 저렴하기 때문에 석탄연소 발전기는 많은 전력회사가 선호하는 발전유형이다. 대부분의 석탄연소 발전은 증기터빈(steam turbine) 기술을 채택하고 있다. 이것은 석탄을 연소하여 보일러 튜브 안에 있는 물을 가열한다. 이 물은 가열되어 증기로 되고 이 증기는 증기터빈을 통과하면서 회전시킴으로써 여기에 연결된 발전기를 구동하여 전기를 생산한다.

규모의 경제(economy of scale) 때문에 대부분의 석탄연소 발전기는 용량이 상당히 큰데, 250 MW에서 1500 MW를 넘는 것까지 있다. 석탄연소 발전기를 건설하는데 드는 건설비는 가스 연소 발전기에 비해서 높다. 발전기의 수명기간에 따라 다르지만, 석탄연소 발전기의 운전유지비용은 비교적 낮은 편이다. 미국에서 석탄연소 발전기의 변동비는 발전유형 중에서 가장 낮은 수준이다. 기술적 제약으로 인해서 석탄연소 발전기는 정지 상태에서 최대 출력까지 수 시간이 걸리기 때문에 운전 유연성은 좋지 않다. 석탄을 연소하면 상당한 대기 오염물질이 배출되기 때문에 다른 발전 유형에 비해 환경적 영향이 큰 편이다. 이런 환경적 영향과 석탄의 높은 수송비 때문에, 일부 지역에서는 전력생산을 위해 석탄을 사용하지 않는다. 석탄연소 발전기의 건설에 대한 미래 전망은 불투명하다. 현재는 저렴한 가격과 양호한 확보가능성 때문에 석탄이 매력적이지만, 미래의 오염방지 비용이 얼마가 될 것인지 불투명하다. 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Coal Gasification Combined Cycle)같은 청정석탄기술(clean coal technology)의 발달은 향후 석탄을 이용한 발전의 새로운 전환점을 제공할 수도 있을 것이다.

#원자력 발전=원자력 발전은 터빈을 회전시키기 위한 증기를 생산하기 위하여 핵분열(nuclear fission)을 할 때에 발생하는 열을 이용한다. 원자력 발전기의 건설비는 매우 높다. 일반적으로 변동비는 낮지만, 고정 운전유지비(Fixed Operation & Maintenance Cost)는 매우 엄격한 안전관리 절차의 준수와 원자로 폐지(decommissioning)를 위한 비용의 축적, 그리고 8~10 년의 건설기간 때문에 더 높다. 원자로의 기술적 특성으로 인해 원자력 발전기의 운전 유연성은 좋지 않다. 원자력 발전기의 기동시간은 수 일이 소요된다. 이러한 운전의 경직성 때문에 원자력 발전기는 기저부하용으로 사용된다. 미국에서 원자력 발전기의 신규 건설은 두 가지 주요 문제, 즉 방사성 폐기물 처분장의 부족과 대형 사고나 테러의 위험에 대한 국민적 우려로 인해서 추진이 억제되어 왔다.

다른 나라에서는 원자력 발전기가 지속적으로 건설되었지만, 미국에서는 사실 상 1996년 이후 단 하나의 신규 발전기도 준공이 되지 않았다. 2005년 현재 몇몇 회사들이 원자력 발전기 건설허가(construction permit)를 받기 위한 절차를 시작하고 있지만, 실제로 착공까지는 많은 시간이 소요될 것 같다. 이러한 안전 상의 문제에도 불구하고 원자력 발전은 대기오염물질 배출 측면에서는 유리하다. 원자력 발전기는 온실가스(greenhouse gas)나 NOx, SOx, 또는 수은 같은 오염물질을 배출하지 않는다.

가스연소 발전=미국의 발전기 중에 증기터빈 기술을 이용한 수명이 오래된 가스연소 발전기가 많이 있다. 가스연소 발전은 3 종류의 기술 즉 가스터빈 (combustion turbine), 증기터빈(steam turbine), 그리고 복합사이클(Combined Cycle)을 이용한다. 가스터빈은 연료를 직접 연소하여 터빈을 구동하고 이에 연결된 발전기를 돌려서 발전하는 방식이고, 증기터빈 발전은 석탄연소 발전과 같으나 연료만 석탄 대신 경유, 가스, 액화천연가스LNG 등을 사용하는 것으로서 보일러에서 연료를 연소하여 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 구동하는 방식이다.

복합사이클은 위의 가스터빈과 증기터빈을 복합적으로 이용하는 것으로서 가스터빈에서 연소 후에 나오는 배기가스는 고온이므로 이를 다시 이용하여 증기를 생산(heat recovery steam generator)하여 증기터빈을 구동하는 방식이다. 전력회사가 소유하는 가스연소 발전기는 그 용량이 매우 다양해서 1 MW의 매우 작은 것부터 500MW까지 있다. 또한 가스 발전기는 공장에 설치해서 열과 전기를 동시에 생산하는 열병합 발전방식(combined heat and power)이나 건물의 자체 비상 발전기로도 사용된다. 가스연소 발전기는 건설비가 낮다. 일반적으로 운전유지비용도 낮다. 연료비는 가스의 시장가격에 따라 달라진다. 가스 연소 발전기의 소유자의 주요한 걱정거리는 현재의 높은 가스가격과 미래의 예상되는 가스공급의 부족현상이다. 적용된 기술에 따라 차이가 있으나, 가스연소 발전기는 운전 유연성이 좋다. 가스연소 발전기도 대기 오염에 영향을 주지만, 석탄이나 중유보다는 오염이 적어서 환경적 관점에서도 유리한 것으로 평가된다. 또한, 적은 환경오염과 다른 이유 즉 발전기의 크기가 작아도 되고, 연료 공급의 용이한 접근성 등으로 인해서 가스 연소 발전기는 수요지 인근에 설치될 수 있어서 송전설비 관련 투자비가 절감될 수 있는 장점이 있다.

#수력=수력은 미국 전체에 걸쳐 수력자원이 충분한 여러 지역에서 전력계통의 중추적 역할을 담당하고 있다. 수력 발전기는 저수지로부터 발전기와 연결된 수력터빈으로 물을 흘려보냄으로써 전력을 생산한다. 발전기의 출력 조절은 물의 유량을 간단히 조절함으로써 가능하며, 운전 유연성은 매우 좋다. 수력발전기의 용량은 매우 작은 것(100 kW)부터 매우 큰 것(500 MW 이상)까지 다양하고, 일반적으로 100 MW 급의 용량이 많다. 대부분의 수력발전기는 아주 오래 전에 건설되어서 일반적으로 건설비용은 거의 감가상각되었다. 운전유지비용도 낮고, 수자원에 대한 이용권을 확보한 경우는 변동비가 들지 않는다. 수력발전기는 양호한 운전 유연성 때문에, 첨두부하 시의 전력공급 및 주파수 조정에 매우 유용하게 활용되고, 또한 정전으로부터 전력계통을 복구할 경우(black-start)에도 쓰인다. 오늘날에는 신규 수력 댐은 환경적으로 큰 영향을 주는 것으로 간주되지만, 과거에는 수력발전기는 물고기의 번식과 하류의 물고기의 활동에 영향을 미치는 것을 제외하고는 환경적으로 문제가 없는 것으로 인식되었다. 관련된 기술로는 양수발전기(pumped-storage generator)가 있다.

양수 발전기는 전력수요가 낮은 시간에 변동비가 낮은 발전기로부터 양수동력을 공급받아 상부 저수지로 물을 펌핑하여 첨두부하가 발생하는 시간에 그 물을 이용하여 전력을 생산한다. 계통운용자는 첨두부하 발생 시간대에 가스터빈과 같은 첨두부하용 발전기를 이용하여 수요를 만족할 것인가 아니면 양수발전기를 가동할 것인가를 비교하여 싼 방법을 택한다. 또한 발전설비확장설비계획 시에는 이러한 운전 상의 이득과 다른 첨두부하용 발전기의 건설비를 비교하여 양수발전기를 건설할 것인가 아니면 가스터빈 발전기를 건설할 것인가를 비용최소화 측면에서 고려하여 건설을 결정한다.

석유(fuel oil)=일부 전력회사만이 가스에 대한 대체로서 석유연소 발전을 사용하고 있다. 이 방식은 가스의 공급이 제한된 지역이나 가스의 가격이 석유보다 비싼 경우에 석유로 대처할 수 있도록 연료전환 장치를 구비한 발전기의 경우에 사용된다. 석유연소 발전기의 기술적인 특성은 두 연료 간의 물리적 특성에서 기인한 차이점을 제외하고는 가스 연소 발전과 유사하다. 석유연소 발전기의 운전상의 특성도 가스 발전기와 유사하다. 석유연소 발전의 가장 큰 단점은 가스연소 발전에 비해 환경적 측면에서 불리하다는 점이다. 어떤 지역에서는 대기오염 때문에 석유연소 발전이 허용되지 않는다.

<9회>

#신재생에너지/바이오매스 67%=신재생에너지원을 이용한 발전은 고갈되지 않는 자연적 에너지를 이용하는 광범위한 종류의 발전을 말한다. 신재생에너지 발전은 지열, 태양, 풍력, 바이오매스, 소수력(통상적으로 3 MW 이하) 등을 포함한다. 신재생에너지 발전에 이용되는 기술은 매우 다양(아래의 신재생에너지 설명 상자 참조)하고, 일반적으로 그 규모가 작다. 풍력 발전기는 가스연소 또는 석탄연소 발전기와 10년 동안의 총비용을 현가하여 비교하면 경쟁력이 있는 경우도 있으나, 태양광 등의 다른 신재생에너지원은 아직까지는 경제적으로 훨씬 불리하다. 운전유지비용은 발전기술에 따라 차이가 크다. 신재생에너지 발전의 2 가지 큰 장점은 연료비가 전혀 들지 않고 환경적인 영향이 최소 수준이라는 점이다. 단점은 대부분의 신재생에너지는 자연현상에 의존하기 때문에 필요할 때 사용할 수 없을 때도 있고, 비연속적 운전(intermittent operation)이 불가피하다는 점이며 아직까지 재래식 발전에 비해 경제성이 나쁘다는 것이다. 따라서 계통운영자는 발전기를 급전(dispatch)할 때 신재생에너지 발전기를 사용하는 경우에는 이를 보완(back-up)할 수 있는 계획을 세워야 한다. 특히 풍력발전의 용량의 점유율이 큰 전력회사는 풍력발전기의 출력변화에 대비하여 가스터빈 발전기 등의 보완발전기를 보유하여야 한다. 왜냐 하면 풍력의 변화에 따라 출력변동을 출력조정이 용이한 발전기(regulating units)로서 이를 보완해 주지 않을 경우, 발전계통의 운용에 지장이 많기 때문이다.

신재생에너지 발전은 특히 풍력을 위주로 하여 최근에 가속적으로 증가하고 있다. 이러한 성장을 견인하는 요인은 미래 화석연료의 가격상승에 대한 불안, 석탄연소 발전기의 환경오염 완화비용의 불확실성, 풍력발전기 건설비의 획기적인 감소, 많은 주에서 시행되는 신재생에너지 공급할당 의무(RPS, Renewable Portfolio Standards), 그리고 녹색가격제도 등이다. 녹색가격제도는 소비자가 신재생에너지로부터 생산되는 전력을 공급받기로 선택하고, 일반 요금보다 비싼 요금을 자발적으로 지불하는 제도이다.

분산형 발전(dispersed generation)=분산형 발전기는 최종소비자(end-user)의 구내에 위치한 발전기를 말한다. 분산형 발전은 on-site generation, imbedded generation, decentralized generation 등이라고 말하기도 한다. 일반적으로 분산형 발전은 신재생에너지를 이용한 발전, 가스터빈이나 내연기관을 이용하는 발전 등이다.  열병합 발전은 2 가지 형태의 에너지 즉 전력과 열을 생산하기 위하여 이용된다. 일반적으로 적용되는 방식은 가스터빈이나 내연기관으로부터 전기를 생산한 후 폐열을 회수하여 직접 난방에 사용하거나 제조 공정에 필요한 열로 이용한다. 또 다른 방식은 보일러에서 증기를 생산하여 증기터빈을 위해 사용하고, 증기터빈에서 쓰고 남은 열을 이용하여 난방이나 공정열 (process  heat)로 사용한다. 열병합 발전은 연료의 2중 사용이 가능하고, 분산형 발전은 송전 및 배전선로 손실이 없기 때문에 분산형 열병합 발전은 연료를 매우 경제적으로 이용할 수 있다.

미국의 평균 발전효율이 약 35%임에 비해, 일부 열병합 발전기는 효율이 85%에 이른다. 소비자의 구내에 위치하기 때문에 송전선로 및 배전선로의 건설비를 절감할 수 있고, 해당 지역의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 미래의 분산형 발전에는 연료전지나 마이크로 열병합 발전(가정의 기저부하에 적합한 약 1 kW의 용량을 가진 초소형 열병합 발전)같은 새로운 기술이 활용될 것이다. 분산형 발전의 경제성에 영향을 미치는 것은 소비자가 지불하는 전기요금이며 시간대별 전기요금(TOU, time of use tariff)에 의한 소비자는 신재생에너지 발전을 이용하여 전기요금이 높은 시간대에 발전을 하여 전기요금을 절감할 수 있다.

2)환경적 고려

발전은 환경(environment)의 관점에서 수수께끼와 같은 문제를 던진다. 소비단계에서 전기는 매우 깨끗하나(예를 들면 전기자동차, 전기철도 등) 전기를 생산하는 과정에서는 중대한 환경적 영향을 미친다. 이런 영향에는 공기오염, 수질오염, 온실가스 배출, 생태계와 토지사용의 파괴(disruption), 방사성 물질의 배출 가능성 등이 있다. 전기 생산에 의해서 야기되는 문제 중 중요한 것은 지구온난화를 비롯하여 방사성물질의 배출의 위험성, 산성비, 스모그, 주변지역의 건강문제 등이다.

발전은 발전 유형에 따라 상이한 환경적 영향을 미친다. 따라서 환경적 고려는 어떤 유형의 발전기가 건설되어야 하는지 그리고 어떤 유형의 발전기가 운전되어야 하는지에 대해 중대한 영향을 미친다. 예를 들면, 환경오염 완화비용은 석탄연소 발전에 대한 선호도를 감소시킬 것이고, 비슷하게 원자력 발전에 관련된 미래의 정치적, 환경적 문제는 지난 20여 년 동안 미국 내의 원자력 발전기의 건설을 억지하였다. 더 깨끗한 발전을 장려하기 위해, 미국의 일부 주에서 전력회사나 발전사업자가 자신의 전체 전력량 중에서 일정한 비율 이상을 신재생에너지로 의무적으로 충당하도록 한 제도인 RPS를 이미 도입했거나 도입을 준비 중이다. 한편, 가스의 가격이 크게 상승한 최근까지, 환경 허가(environmental permit)를 얻기가 상대적으로 용이한 점이 일부 요인으로 작용하여 전력회사는 신규발전소 건설에서 가스 연소 발전기를 선호했다.

3)발전, 지구온난화, 그리고 교토 의정서
세계의 과학계는 인류 활동이 탄소를 근간으로 하는 연료(석탄, 석유, 가스)를 연소함으로써 지구의 대기온도를 올리고 날씨를 불안정하게 하는 온실가스의 농도를 높이는데 기여하였다는 점에 합의했다. 이러한 추세가 계속된다면, 녹아내리는 빙산, 저지대의 홍수, 식량 생산의 장해, 그리고 혹독한 날씨에 의한 불의의 사고 등이 증가하여 심각한 결과를 초래할 것이다.

가장 큰 온실가스는 이산화탄소이다. 미국에서 발생하는 이산화탄소(전 세계의 이산화탄소 배출량의 약 1/4분을 점유하는)의 약 40%가 발전부분에서 배출된다. 석탄연소 발전기가 다른 유형의 발전기보다 더 많은 이산화탄소를 배출한다. 가스 발전기는 단위 전력량의 생산에 대해 석탄의 약 절반 정도의 이산화탄소를 배출한다. 이산화탄소를 회수하는 기술은 비용이 많이 들고 회수된 이산화탄소를 수송하고 저장하는 방법에 대한 문제를 해결하여야 하는 까닭에 아직 널리 사용되지 않고 있다.

1997년 12월, 많은 국가들이 교토의정서에 합의하였다. 이것은 국가 별로 배출 한도를 정해서 온실가스의 배출을 감축하는 한편 온실가스배출권을 국제적으로 거래할 수 있는 근거를 제공한 역사적인 협약이다. 유럽연합, 미국 그리고 일본 등의 주요 선진 강대국은 2008~2012년 5년 동안 1990년의 온실가스 배출 수준에 비해 각각 8%, 7%, 6%를 감축하고 온실가스 배출권 거래 제도를 만들기로 협약하였다. 배출권 거래제도는 지구온난화의 주범으로 지목받는 이산화탄소를 배출할 수 있는 권리를 매매하는 제도를 말한다.

국가나 기업의 이산화탄소 배출량이 허용치를 넘어설 경우, 배출권을 다른 기관으로부터 사야 하는 반면, 이산화탄소 배출이 허용치에 못 미치면 반대로 남는 권리를 팔 수 있다. 시장기능을 활용해 이산화탄소 배출을 줄이자는 취지로 일본 교토에서 열린 유엔 기후변화협약에서 합의되었다. 다른 모든 조약과 만찬가지로, 교토 의정서도 서명한 국가들의 비준이 필요하다. 미국의 경우는 조약의 비준은 상원에서 하는데, 2000년 부시 행정부는 교토의정서를 지지하지 않았으며 상원에 비준요청을 하지 않겠다고 발표하였다. 교토 의정서는 주요 유럽국가, 일본, 캐나다에 의해서 비준이 되었고, 2005년 2월 발효되었다. 참가국들은 온실가스의 배출한도와 국제적인 온실가스 배출권 거래제도를 설립하기 위해 노력하고 있다.

한편 미국에서도 많은 주들이 배출가스와 관련된 규제 제도의 도입을 진행하고 있다. 이러한 움직임은 미국의 발전사업에 대한 심각한 불확실성을 초래하고 있다. 향후 온실가스 배출과 관련하여 어떤 비용이 소요될 것인지 아직은 불확실하고, 또 비용이 든다면 어느 정도 소요될 것인지도 불확실하다. 그리고 미국에서 발전사업자는 교토의정서의 배출권 거래제도에 최소한 초기에는 참여할 수 없기 때문에 그들이 잠재적인 미래비용의 위험을 회피(hedge)하기가 더욱 어려울 것이다. 교토의정서는 2013년에 종료되고 각국이 저마다 탄소감축정책을 시행하며, 다자간 협약, 양자 간 협약 등이 시도될 것이다.

<10회>

4)발전을 대체하는 수단으로서의 수요반응
발전 출력 특히 첨두부하용 발전을 대체하는 수단으로 첨두부하 발생 시간에 소비자의 수요를 감축하는 메커니즘을 개발하는 것이 있다. 이러한 프로그램을 종종 수요반응(demand response)이라고 부른다. 수요반응은 비상 수요반응과 경제적 수요반응이 있다. 비상 수요반응은 공급할 수 있는 발전력이 부족하여 최종소비자가 수요를 감축하지 않으면 신뢰도의 문제를 일으킬 수 있는 비상시(emergency)에만 수요를 감축하는 것이고, 경제적 수요반응은 소비자가 전력을 구입하거나 자체적으로 발전하는 것보다 수요를 줄이는 것이 전기요금의 측면에서 더 경제적이 자발적으로 수요를 줄이는 것을 말한다.

1980년대에 전력회사는 수요측 관리프로그램(DSM, Demand Side Management)이라 불리는 수요 프로그램을 시행하였고, 이 프로그램의 취지는 비용이 많이 드는 발전기의 신규건설을 억제하는 것이었다. 이 프로그램은 전력수요가 높아서 전력계통의 신뢰도가 위협받는 경우 전력공급을 차단할 수 있도록 하는 대가로서 해당 소비자의 요금을 할인해 주는 인센티브 또는 리베이트를 제공하여 소비자가 에너지 효율화 조치를 도입하도록 장려하기 위해서 고안되었다. 아직도 이런 프로그램이 많이 존재하지만, 최근에는 경제적 수요반응(EDR, Economic Demand Response) 프로그램이 일반적인 추세가 되었다. 경제적 수요반응은 높은 가격에 대한 수요반응은 경쟁전력시장에서 가격급등(price spike)을 완화하는데 중대한 영향을 미친다는 것을 이용한 것이다. 따라서 전력회사와 판매업자는 가격이 비싼 시간대(계통의 신뢰도 문제가 없는 경우에도)에 수요를 감축하는 소비자에게 인센티브를 제공하는 프로그램을 개발하는 데 깊은 관심을 가지고 있다. 실시간 가격신호(real time price signal)를 소비자에 부가할 수 없는 규제요금제도(franchise tariff, regulated tariff)는 이러한 반응을 유도하기 어렵다. 경제적 수요반응 프로그램에는 다음과 같은 것이 있다.

실시간 요금제도 : 소비자요금을 실시간 전력시장(spot market)이나 하루 전 시장가격을 반영하여 시간대 별로 책정하여 소비자에게 적용

자발적 수요관리 : 소비자의 부하감축에 대한 보상 제공(일반적으로 하루 전에 실시함)

감축가능 용량 콜(Call) : 약정된 조건에 도달하면 전력회사나 전력판매업자에게 부하를 차단할 수 있는 권리를 제공한 대가로서 소비자에게 용량요금(capacity payment)을 지불하는 제도로서 부하를 차단할 수 없는 경우 소비자는 해당 부하에 대해 시장가격으로 요금을 지불함.

자동 부하 반응(자동원격제어 수요관리): 소비자가 전력회사나 판매사업자에게 일단의 부하를 자동적으로 원격에서 차단할 수 권리를 제공한 대가로 소비자에게 용량요금(demand charge)을 보상하는 제도
 
전력시장이 경쟁시장으로 진화한다면 경제적 수요반응이 첨두부하에 대응하기 위한 일반적인 수단이 될 것이다.

#부하곡선을 만족하기 위한 발전기의 사용=전력공급시장을 이해하기 위한 열쇠는 부하곡선(특정 지역의 모든 소비자의 수요를 합하여 만든 곡선)을 충족하기 위해서 어떤 시간에 어떤 발전기를 급전(dispatch)해야 하는가를 이해하는 것이다. 수요를 충족하기 위해서 투입순위의 마지막에 사용되는 발전기의 입찰가격이 경쟁전력시장에서 가격을 결정하기 때문에 이것은 도매전력시장의 가격결정에 영향을 미친다.

발전기의 시간대 별 가동계획은 신뢰도, 운전, 지역적 및 규제 상의 제반 제약을 고려하여 비용최소화에 기초하여 하루 전에 수립되는 것이 일반적이다. 발전기의 사용은 주로 3가지의 부류 즉 기저부하용, 중간부하용, 첨두부하용으로 구분된다. 기저부하용 발전기는 하루 24시간 가동되는 발전기이고, 중간부하용 발전기는 오전의 중반부터 저녁시간까지 가동되며, 첨두부하용 발전기는 이른 오후부터 이른 저녁까지의 첨두부하 발생시간에 가동되는 발전기이다. 전형적인 부하 형태의 구분은 다음과 같다.

#기저부하용 발전기=기저부하는 일반적으로 원자력발전기와 석탄연소 발전기(낮은 변동비와 운전 유연성 부족으로 인해서), 수력발전기(낮은 변동비로 인해서) 및 유자격발전기(QF, 규제 상의 요구로 인해서) 등에 의해 공급된다. 또한 계통운영자는 계통운영 상 지역적 송전제약을 해소하는데 필요한(must-run, 필수가동) 가스나 중유를 연소하는 발전기를 기저부하용 발전기로서 가동하기도 한다. 가스나 중유연소 발전기를 가동해서 최소출력을 유지하기도 하는데, 이는 오후의 중간부하 시간대에 최대출력이 필요할 것으로 예상되는 경우 발전기가 필요한 시간 안에 출력을 제공하기 위해서는 보일러의 가열된 상태를 유지해야 하기 때문이다.

#중간부하=중간부하는 주로 가스나 중유연소 발전기, 복합화력, 그리고 수력발전기에 의해서 공급된다. 이런 발전기는 주간 시간대에 부하의 증감에 따라 발전기 출력을 증감할 수 있는 운전 상의 유연성이 있기 때문이고, 또한 변동비가 다른 첨두부하용 발전기보다 낮기 때문이기도 하다. 기저부하용 발전기가 시간이 경과하면 새로운 기저부하용 발전기의 진입으로 인하여 중간부하를 담당하는 위치로 이동하게 된다.

#첨두부하=첨두부하는 주로 단순 사이클 가스터빈(simple cycle gas turbine, 가스터빈이라고도 함), 수력, 양수, 경제적 수요 반응에 의해서 충족된다. 계통운영자는 계통의 신뢰도를 유지하기 위해 예비력을 확보해야 한다. 예비력을 확보하기 위한 발전기로는 수력, 가스터빈등의 첨두부하용 발전기와 부분부하로 운전되는 증기터빈 발전기가 적합하다.

5)미국 전력산업의 규제
여기에서는 다음 절에 소개하는 발전설비의 소유권을 설명하기 위하여 전력사업의 규제에 관한 법의 변천을 살펴보기로 한다. 에디슨과 웨스팅하우스는 미국의 전력사업을 일으킨 인물이지만 현재와 같은 전력사업의 기준을 마련한 것은 새뮤얼 인썰(Samuel Insull)이다. 인썰은 에디슨의 비서를 지내다가 Edison General Electric 사의 부사장을 맡았고 그 후에 Chicago Edison Company(현재의 Commonwealth Edison Company)의 사장이 되었다. 그는 1912년에 지주회사인 Middle West Utilities 를 설립하여 전력사업의 황제로서 군림하였다. 그는 전력회사가 독점전력사업을 허가받는 대신에 규제를 받도록 하는 개념을 만들어냈다. 발전기의 규모의 경제로 인해 전력회사는 발전, 송전, 배전을 갖춘 전력회사가 등장하였다. 그렇지만 소규모 터빈 발전기, 정교한 계량기, 그리고 신재생에너지 발전기 등의 출현으로 인하여 전력사업의 규제구조가 도전을 받게 되었다.

PUHCA (Public Utility Holding Company Act)=1900년 초에 대량의 자금이 전력회사로 유입되었고 전력회사는 합병을 통하여 대규모의 기업(Conglomerate)으로 탈바꿈하였다. 이러한 과정에서 새로이 전력지주회사(Utility Holding Company)가 등장하였는데, 지주회사는 하나 이상의 복수 전력회사의 주식을 소유함으로써 경영을 통제하는 하나의 재무구조(Financial Shell)이다. 지주회사들은 상대 지주회사의 주식을 구매하기 시작하였으며 1929년에는 16 개의 지주회사가 미국 전체전력시장의 80%를 통제하였고 이 가운데 3 개의 지주회사가 전체 주식의 45%를 소유하였다.

몇 개의 회사가 그렇게 넓게 전력사업을 제어함으로써 재무적 권한남용(financial abuse) 문제가 나타났다. 지주회사는 피라미드 구조를 형성하였고 하부 단계의 지주회사를 통제하였다. 그러나 1929년 미국 대공황이 일어나자 많은 지주회사가 파산하였다. 인썰도 이때에 파산하였고 공갈협박, 착복, 파산규정위반 등으로 기소 당하였으며 국외로 도피하였다. Insull은 후에 파리의 지하철에서 주머니에 돈 몇 푼 없이 사망하였다.

의회는 이러한 재무적 권한남용에 대응하여 가스와 전력사업을 규제하고, 지주회사의 등장을 막기 위하여 ‘PUHCA of 1935‘라는 법을 제정하였다. 많은 지주회사가 해체되었고 관할구역도 축소되었으며 살아남은 지주회사는 증권거래위원회(SEC, Security and Exchange Commission)의 관할아래에 들어갔다.

PUHCA는 이러한 취지로 제정되었지만 근래의 전력사업 규제제도의 변화로 인하여 경쟁이 도입된 시점에서, PUHCA는 수명을 다하였기 때문에 개정되거나 폐지되어야 한다는 주장이 대두되고 있다. 주요 논제는 PUHCA의 조항 가운데 하나인 수직통합 전력회사의 단일 관할구역 내에서 지주회사의 활동을 막는 조항인데 이것은 한 지역에서 다른 지역으로 도매탁송(Wholesale wheeling)을 허용하는데 지장을 주는 조항이다.

#PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act of 1978)=1973년 석유위기, 그리고 점점 커가는 화력발전기의 용량과 규모의 경제 등으로 인해 미국은 에너지의 효율적 사용, 신재생에너지의 활용, 새로운 낮은 비영의 소규모 가스터빈의 등장에 관심을 갖게 되었다. 이러한 기술을 지원하기 위하여 카터 대통령은 'PURPA 1978' 법에 서명하였다. PURPA에는 두 가지 핵심조항이 있다. 두 가지 핵심 조항에 공통된 것은 IPP로 하여금 어떤 특별한 조건아래 전력회사가 소유한 송전망에 접속하도록 허용하는 것에 관한 것이다. 그 중에 하나는 PURPA가 산업용 소비자 또는 다른 소비자가 소규모의 분산형 발전기를 이용하여 발전을 하고 전력회사의 송전망에 접속하여 판매할 수 있도록 허용하는 것이다. PURPA 이전에는 전력회사가 이것을 거부하였고 자가발전설비를 갖춘 소비자는 자신이 생산한 전기를 자신 만이 소비할 수 있었다. 그러므로 효율적인 자가발전을 할 기회를 박탈당하였다.

PURPA는 송전망접속을 개방하도록 하였고 전력회사나 QF로부터 전력을 공정하고 적정한 가격으로 구입하도록 하였다. QF로부터의 전력을 구입할 때 전력회사가 동등한 량의 전력을 자신이 생산하거나 또는 공개시장가격(회피비용)으로 구입하는 가격에 의하도록 규정한다. 이 조항에 따라 전력회사가 좋은 가격으로 전력을 구매하기 때문에 수많은 신재생에너지 발전기가 건설되었다.

연방에너지청(Federal Energy Commission)이 운영하는 PURPA는 소규모 QF 또는 열병합발전 QF가 송전망에 접속할 수 있도록 허용하였다. 이들은 모두 QF라고 불린다. 소규모 발전사업자란 것은 용량이 80MW 이하이며 최소한 75% 이상의 풍력, 지열, 수력, 태양력, 지열, 도시 쓰레기 등을 에너지원으로 하는 사업자이다. 열병합발전사업자라는 것은 석유, 가스 등을 연료로서 사용하여 전력과 열을 순차적으로 생산하는 발전방식이라고 정의한다. 경쟁을 촉진하기 위하여 투자자소유 전력회사(IOU)는 QF의 주식을 50% 이상 소유하지 못한다. PURPA는 신재생에너지 산업의 발전 부문을 활성화시켰을 뿐 아니라 소규모의 분산형 발전기가 전력회사의 소매전기요금보다 낮은 가격으로 전력을 공급할 수 있다는 것을 보여준다.

<11회>

#The Energy Policy Act of 1992=에너지정책법(EPAct)은 PURPA에 의한 QF보다 더 넓은 대상으로 송전망접속을 확대하여 경쟁을 촉진시키려는 법이다. 새로운 송전접속의 대상으로 되는 사업자는 EWG(exempt wholesale generator)이며 이 사업자는 PURPA또는 PUHCA의 규정에 제약을 받지 않고, 사용 연료의 종류, 발전기의 용량 및 형식에 관계없이 발전을 하여 송전망에 접속할 수 있다. EPAct는 한 지점에서 생산한 전력을 제3의 전력회사의 송전망을 경유하여(wheel) 어떤 지역으로도 전력을 수송하여 판매하도록 허용한다. EWG는 최종소비자가 아닌 전력구매자에게 도매탁송(wholesale wheeling)을 통하여 전력을 판매하도록 제약을 받는다. 발전사업자가 제3의 전력회사의 송전망을 이용하여 최종소비자(end-user)에게 전력을 판매하는 소매탁송(retail wheeling)은 다음 단계의 계획이며 PURPA는 QF가 소매탁송을 하도록 허용하고 있다. 기타의 IPP에 대하여는 주 별로 허가 조건이 다르며 허가를 받으면 소매탁송을 할 수 있지만 IPP는 FERC와 PUHCA의 규제를 받는다.

FERC ORDER 888과 ORDER 2000=‘EPAct 1992’는 IPP가 송전망 접속을 하도록 허용하였지만 송전선로가 과부하(congestion)되는 시간에는 문제를 일으키게 되었다. 이러한 상황 및 기타의 조건에서 송전망을 소유하고 있는 투자자소유 전력회사(IOU)는 자신들 소유의 발전기만 송전망을 이용하고 IPP의 송전망접속을 거부하였다. 또한 연방에너지청의 규제절차는 초기에는 대단히 까다롭고 비효율적이었다. 이러한 장애물을 제거하기 위하여 1996년 FERC는 'ORDER 888'을 고시하였으며 이것은 IOU로 하여금 비차별적 송전망 접속요금을 모든 발전사업자에게 고시함으로써 송전망 서비스의 반경쟁적 행위를 없도록 하는 것이었다. 여기에 888은 이 법안을 기초한 사무실의 주소를 뜻한다.

‘ORDER 888‘은 독립계통운용자(Independent System Operator)를 형성하도록 촉진하였으며 ISO는 지금까지의 투자자소유 전력회사(IOU)의 송전망 운영(grid operation)을 관할(control)하기 위한 비영리 조직이다. 1999년 12월, FERC는 'ORDER 2000'을 고시하였는데 이것은 지역송전회사(Regional Transmission Organization)의 설립을 요구하여 수직통합 전력회사를 분할하려는 목적을 갖고 있다. RTO는 송전망의 소유권은 IOU가 갖도록 하고 ISO는 계통운용만 담당하는 ISO모형을 따르던가 아니면 RTO가 별도의 송전회사(TRANSCO)로 되고 영리목적으로 송전망을 운영한다.

#전력회사 소유 발전기와 전력회사 소유가 아닌 발전기(NUG)=PURPA와 EPAct가 전력회사 소유의 발전기를 제외하고 나머지 발전사업자의 몇 몇 종류를 규제하는 동안, 새로운 발전사업의 형태가 전력사업에 등장하였다. 이 분야가 전력회사 소유의 발전기와 전력회사 소유가 아닌 발전기(NUG)이며 각각의 하부 구성요소가 있다. 전력회사는 투자자 소유 전력회사(IOU), BPA와 같은 연방소유전력회사, 시영전력회사, 주 소유전력회사, 회원으로 구성되고 회원에게 전력을 공급하는 농촌 협동조합 소유의 발전기 등이 있다. NUG는 좀 더 복잡하고 혼란스러운 양상이다. 여기에 속하는 유자격발전기(QF)는 PURPA가 정의한 소유형태, 운영 지침 효율의 요건 등을 만족하여야 한다. 여기에 속하는 것이 열과 전기를 동시에 생산하는 열병합발전기이며 신재생에너지를 이용하는 발전기도 여기에 속한다. 전력회사는 QF가 생산한 전력을 전력회사의 회피비용으로 구입하여야 한다.

독립발전사업자(IPP)는 PURPA의 규제를 받지 않는 NUG이다. EPAct의 규정에 의한 IPP의 분류는 EWG(Exempt Wholesale Generator)이다. EWG는 PUHCA의 기업활동 및 서비스지역에 대한 규제를 받지 않는다. EWG가 아닌 IPP는 PUHCA에 의하여 규제를 받으며 소매소비자에게 전력을 판매할 수 있다. 그림 5는 여러 전력회사의 발전기와 전력회사가 소유하지 않는 발전기에 대하여 도시하였다.

6)발전설비의 소유권
전력사업 구조개편 이전에는 사실 상 미국의 모든 발전설비는 투자자소유 (investor-owned) 전력회사, 공영전력회사, 농촌지역의 협동조합, 그리고 연방기관(Federal Agency)이 소유하였다. 전력사업의 탈규제화와 더불어 발전기 소유권의 새로운 범주가 생겨났고, 이들이 전력시장에 진입하였다. 이들은 NUG(non-utility generator)이며, 독립발전사업자(IPP, independent power producer)와 상업 발전사업자(merchant generator)가 여기에 속한다. NUG는 수직통합회사의 부분으로서가 아닌 독자적으로 발전기를 소유하는 회사를 말한다. 이런 발전사업자는 전력회사, 판매회사, 또는 직접 최종소비자에게 에너지나 용량을 판매함으로써 이익을 얻기 위한 목적으로 발전기를 소유하고 운영한다. 일부 주에서 수직통합전력회사는 발전자산을 NUG에게 매각하거나 전력회사의 기능에서 분리하거나, 또는 NUG를 자회사로 설립해서 발전자산을 분리하였다. 다른 주에서는 NUG의 소유권은 최근에 건설된 신규 발전기로 제한된다.

7)발전설비의 포트폴리오
발전설비를 보유한 전력회사는 에너지와 용량에 대한 고객의 요구를 충족시키기 위하여 발전기의 포트폴리오를 결정해야 한다. 과거에는 이런 일이 상대적으로 단순했다. 일반적으로 전력회사는 기존 발전설비를 토대로 해서, 예측한 미래의 수요와 비교해서 신규 발전용량이 필요한 경우, 추가 용량을 건설하기 위한 여러 가지 대안들을 평가했다. 이런 대안들에는 기존 설비의 개조, 신규 발전기 건설, 수요관리 프로그램, 인근 전력회사나 독립발전사업자로부터의 전력구입, 발전력이 여유가 있는 지역으로의 송전선로의 신규 건설 등이 포함된다. 그리고 이런 대안들을 비용과 위험(risk)의 관점에서 평가하고, 이는 결국 통합자원계획(integrated resource planning)으로 귀결된다. 통합자원계획은 공급의무를 지고 있는 전력회사가 미래의 발전설비를 확보하기 위한 대안을 평가하는데 사용된다. 이 통합자원계획은 주의 규제위원회(Public Utility Commission)로 제출되어 시행 전에 승인을 받아야 한다.

NUG도 발전자산의 포트폴리오를 평가해야 한다. 그러나 이 평가는 주주의 투자에 대한 최상의 수익 창출이 목적이다. 따라서 NUG는 특정한 발전기를 회사의 다른 자산 및 사업전략과 연계하여 평가해야 할 뿐 아니라 발전기들의 시장가치를 면밀히 평가해야 한다. NUG는 시장에 내포된 위험을 회피하고 수익을 극대화하는 것이 주목적이므로 포트폴리오 이론을 사용한다. 어떤 경우이건 발전기 건설을 계획하는 사업자는 미래의 수요증가와 수요를 충족시킬 기존 발전설비의 용량을 우선 평가한 후, 신규 발전설비가 필요한 시점과 용량을 찾아야 한다.

8) 미래의 발전기술
미국에서 신규 발전설비가 최근까지 대폭적으로 건설되었다. 2000년에는 27,000 MW의 신규 발전기가 계통에 투입되었는데, 이는 1985년 이후 한 해에 2,000 MW 이상의 신규 설비가 투입된 최초의 해로 기록되었다. 이어서 2001년도에는 42,000 MW, 2002년에는 72,000 MW, 2003년에는 43,000 MW가 신규로 투입되었다.

이러한 최근 발전설비의 증가는 대부분 가스연소 발전으로 이루어졌다. 2000년 이래 계통에 신규 투입된 184,000 MW 가운데 가스연소 발전기가 94%를 점유하였다(59%는 복합화력, 35%는 가스터빈). 그 나머지의 대부분은 풍력이 주도하는 신신재생에너지 발전이 차지하였다. 비록 신재생에너지 자원이 여전히 절대적인 규모에서는 작지만, 풍력발전설비의 용량은 지난 5년 동안에 2배 이상 증가하였다.

신규 발전기 건설에 필요한 준비기간을 고려할 때, 독점 전력회사와 NUG는 미래의 일련의 발전소 건설을 위한 계획을 이미 진행하고 있을 것이다. 핵심적인 문제는 ‘어떤 유형의 발전기를 건설하느냐’이다. 발전소 건설에 대한 고려 사항에는 건설비, 운전유지비, 연료가격의 변동성과 미래의 환경오염방지 비용과 관련된 위험 등이 포함된다. 향후 미국의 가스 공급은 수요증가를 맞추기 어려울 것으로 예상하는 보고서와 함께 최근의 가스가격의 상승으로 인해 많은 시장참여자들은 가스연소 발전기에 계속적으로 의존하는 것을 우려하고 있다. 비록 미래의 환경오염방지 비용에 관한 불확실성은 여전히 걱정거리이기는 하지만, 최근 석탄연소 발전에 대한 관심이 새로워지고 있다. 더욱이 일부 전력회사는 신규 원자력 발전소 건설 가능성을 검토하기 시작했다. 향후 신규로 건설되는 대부분의 발전기는 가스나 석탄을 연소하는 발전기가 될 것으로 예상되지만, 많은 발전회사들은 가스의 가격상승과 석탄연소 발전의 잠재적인 환경비용에 대한 위험을 회피(hedge)하기 위한 수단으로서 발전기 구성의 포트폴리오에 풍력발전기를 포함하고 있다.

발전기술의 혁신은 계속될 것이다. 최근의 복합화력 발전기술의 발달로 인해서 효율이 높고 비교적 깨끗한 발전기술이 미국 전역을 풍미하는 새로운 유행이 되었다. 향후 중대한 영향을 미칠 기술은 석탄가스화 복합발전(IGCC)과 연료전지 등이 될 것으로 예상된다. IGCC는 석탄을 연료로 사용하지만 연소하기 전에 석탄을 가스화함으로써 많은 환경오염물질들을 제거한다. 이 기술을 이용하면 연소효율이 높아지고 또한 오염물질의 배출이 가스연소 발전기 수준으로 낮아진다. 많은 전력업계의 전문가들은 IGCC에 대해서 낙관적이고 향후 10년 이내에 중요한 기술이 될 것으로 믿는다. 현재 미국에서는 몇 기의 실증용 IGCC 발전소가 운영 중이다.

연료전지는 전력생산에 대해 우리가 가지고 있는 개념을 변화시킬 것이다. 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 전기화학적 장치이다. 연료전지는 움직이는 부분이 없고 배터리와 비슷하지만 계속적으로 연료를 공급하면 전기를 지속적으로 생산할 수 있다는 점이 배터리와 다르다. 연료전지는 가스, 휘발유, 바이오가스, 메탄올, 에탄올과 수소 같은 다양한 연료를 이용하여 수소를 생산하여 사용할 수 있다. 연료전지의 큰 장점은 배기가스가 수증기와 산소로 이루어져 있어서 온실가스나 대기오염물질을 배출하지 않고 에너지 효율이 높은 열병합 발전과 같은 형태로 사용할 수 있다는 점이다. 따라서 연료전지는 전력 생산의 측면에서 매우 환경친화적이다. 그러나 수소를 경제적으로 생산하는 기술, 수소의 운반 및 저장에 관련된 위험 때문에 실용화에는 걸림돌이 많을 것이다. 마지막으로 경제적인 전력저장기술의 발달도 계속되고 있다. 유망한 기술로서는 압축공기 저장, 차세대 배터리와 플라이휠이다. 이러한 기술들이 타당한 것으로 입증되면 비용효과적인 저장기술의 개발은 첨두부하용 발전 비용을 획기적으로 줄일 것이다.