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전력수급계획과 예비율은 적정한가?<2>
김영창 아주대 교수 전력수급계획과 예비율
2018년 01월 28일 (일) 21:06:52 전력경제 epetimes@epetimes.com

신재생에너지를 사용하는 발전기는 대부분 기동 및 출력변동이 자연조건(특히 태양력)에 의존하므로 시스템운용자가 필요할 때 임의로 가동시키거나 중앙에서 출력을 조정할 수 없다.

신재생에너지 발전기를 다른 후보발전기와 동등하게 고려하여 설비계획을 수립하게 되면 미래의 어떤 년도에 발전기가 고장정지를 일으켰을 때 신재생에너지 발전기를 가동할 수 없는 경우가 발생한다.

따라서 전력수요를 충족시키지 못하는 경우가 발생하며 이것은 발전시스템의 신뢰도를 설비계획 당시와 같은 수준에서 유지하지 못하는 원인이 된다. 이러한 신재생에너지 발전기를 급전불능발전기라고 하며 설비계획에서 후보발전기로서 사용되는 발전기와 동등하게 취급할 수 없다.

신재생에너지 발전기를 후보발전기로서 고려할 때에는 발전출력의 시간대별 변화를 시스템수요의 시간대별 부하곡선에서 미리 차감하여 미래의 부하지속곡선을 작성하고 급전가능발전기,예를 들면 화력발전기, 원자력발전기, 가수터빈, 양수발전기 등을 건설대상으로 하여 설비계획을 수립하는 것이 일반적이다.

신재생에너지발전의 비중이 커지면 예상하지 못한 어려움이 발생한다. 신재생에너지발전은 자연력의 변화에 따라 출력이 급변할 수 있을 뿐 아니라 태양광발전의 경우, 비가 오거나 구름이 많이 끼는 정도, 주간 및 야간의 시간대에 따라서도 출력이 변동한다.

이것과 급전가능발전기를 혼합하여 시뮬레이션을 할 경우의 운용비 및 신뢰도의 계산결과도 믿을 수 없게 된다. 실시간 시스템운용에 있어서는 신재생에너지발전의 비중이 큰 경우 자연력의 급격한 변화에 의하여 신재생에너지의 출력이 급변하여 주파수 유지에 있어서 문제가 발생할 수 있다.

이 때에는 백업용으로 운전 중인 가스터빈발전기의 출력을 이용하여 규정 주파수를 유지하여야 한다. 신재생에너지발전의 출력을 기대할 수 없는 시간대가 있을 경우에도 가스터빈발전기 또는 중간부하용 발전기와 같은 백업용 발전기의 출력에 의존하여야 하며 이들은 신재생에너지발전의 보완역할을 하게 되므로 이용률이 낮아져 경제성이 낮아진다.

즉, 변동비가 0인 발전기이지만 출력을 예측하기 어려운 신재생에너지발전이 도입됨으로 인하여 가스터빈 발전기와 같은 백업용 발전기가 오히려 추가적으로 건설되고 운전되어 전체 시스템운용비 및 건설비가 상승하게 된다.

주파수유지의 문제는 대단히 중요한 것이다. 주파수는 전기를 생산하는 측과 사용하는 측의 약속이므로 규정주파수의 전기가 공급되어야 한다. 간략하게 말하면 매 초마다 60 Hz(회전수/초)를 유지하도록 전력시스템에 발전기를 통하여 투입되는 에너지를 조정해야 하는 것이다. 주파수를 50 Hz로 유지하는 국가도 있고 우리나라처럼 60 Hz를 유지하는 국가도 있다.

주파수가 급변하거나 60 헤르츠를 자주 벗어나면 산업체의 모터의 회전수가 정격치에서 벗어나 제품의 불량률이 높아지게 되며 일상생활에서 회전체가 작용하는 전기기기가 비정상적으로 작동하고 각종 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위하여 앞에서 언급한 백업용 가스터빈 발전기는, 자동차의 경우 공회전을 하는것과 마찬가지로 무부하운전을 하고 있어야 한다.

신재생에너지발전으로 인한 백업용 발전기의 추가적 건설로 인하여 설비예비력은 대단히 커지며 이를 위한 투자비도 증가한다. 특히 신재생에너지발전의 용량이 크고 지역 별로 배치되어 있을 경우에 자연력의 변화에 따라 어느 지역의 신재생에너지발전의 출력이 갑자기 감소하면 이를 지원하기 위한 전력이 다른 지역에서 송전선을 통하여 빛의 속도로 이동해야 하는데 송전선건설이 어려운 상황에서 이에 따른 전력조류 변화의 문제를 해결하기 위해서는 송전선을 더욱 많이 건설하여야 하는 상황에 부딪친다.

한편, 일 년 동안에 전력수요는 항상 일정하지는 않아서 계절, 요일 및 날씨 등에 따라 큰 차이를 보인다. 또한, 하루 중에도 최대 및 최소부하 사이의 폭이 크고, 하루 중의 시간에 따라서도 불규칙적인 변동을 보이며 주별, 월별로도 차이가 크다. 또한, 전력품질을 유지를 위하여 전기에너지는 수요의 변동이 생기는 즉시 공급이 변동하여야 한다.

수요와 공급의 차이를 보완해 주기 위하여 전기에너지를 저장하였다가 필요한 시간에 사용하면 좋겠지만 대규모 에너지저장은 경제성확보의 문제가 따른다. 현재의 기술로서는 양수발전, 압축공기저장발전, 플라이 휠 발전, 배터리 등과 같은 에너지저장설비를 고려해볼 수 있다.

각종 형식의 발전기의 건설비, 변동비, 전력수요의 변동특성을 고려해 볼 때, 수요변동에 적절히 대응하면서 최소비용으로 수요를 충족시킬 수 있는 발전기를 구성하는 것이 매우 중요하게 된다.

즉, 유연탄화력 및 원자력은 출력변화가 거의 없이 높게 유지하도록 하여 기저부하를 담당하는 발전기로 사용하고, 가스터빈 및 양수발전기는 첨두부하 및 시시각각 변동하는 수요를 담당하도록 하는 것이 시스템운용비 측면에서 경제적이다. 따라서 발전기구성은 소비자의 시간별 전력사용의 변동 또는 부하지속곡선의 형태에 따라 달라진다.

최소비용의 설비계획수립은 무수하게 많은 설비계획안 별로 연도별 후보발전기의 건설비와 발전시스템운용비의 현가의 합인 목적함수를 최소화하는 수급계획을 찾아내는 것이다.

현가를 사용하는 이유는 계획안마다 년도별 시스템운용비 및 매년 추가되는 후보발전기의 건설비의 현금흐름이 서로 다르기 때문이며, 연도별로 다르게 발생하는 현금흐름을 갖는 수급계획에서 최소비용의 계획을 찾기 위해서는 할인율을 이용하여 현가로 환산하고 비교하여야 하기 때문이다.

실제로 목적함수는 년도별 전기요금수입에서 투자비 및 운용비를 뺀 금액을 최대화하여야 하지만 전력회사의 요금수입은 설비계획의 변화에 관계없이 일정하다고 할 경우, 수요를 충족시키는 비용 즉 연도별 투자비와 시스템운용비의 현가의 합계를 최소화하는 설비계획을 찾으면 최소비용의 계획과 동일하기 때문이다. 할인율의 선택은 국가기관이 수행하는 사업, 민간기업이 수행하는 사업 등에 따라 그 기준이 다르다.

송전선로의 용량제약이 있을 경우에 발전출력을 활용하지 못하는 상황까지 고려한 설비예비력의 결정은 발전기건설계획 단계에서는 어려우며 송전망확장계획을 수립할 때 지역 간의 송전용량의 제약을 고려하여 발전기 입지를 결정하여 용량제약문제를 해소하는 것이 일반적이다.

3. 설비계획의 수립의 고려사항
설비계획은 계획대상기간 전체로 본 평가를 통하여 결정한다. 년도별 건설비와 발전시스템의 운용비의 현가를 최소화하는 설비계획을 찾았다고 하여도 발전기의 건설기간에 따라 건설을 확정하는 시기가 다르므로 계획대상기간 내의 모든 후보발전기의 건설에 대한 의사결정이 설비계획을 수립할 때에 확정되는 것은 아니다.

   
그림 2   어떤 년도의 설비계획 수립결과와 발전기건설의 의사결정대상

예를 들어 그림 2를 보면 원자력발전기의 경우, 건설공기가 8년이라면 지금부터 년의 연도에 대하여 이번의 설비계획수립에서 건설에 대한 의사결정을 하여야 하고, 8년 이전의 년도에 대한 것은 이미 지나간 의사결정에 속하며 과거에 수립한 설비계획에 의하여 발전기의 건설이 진행되고 있다.

10년 이후에 건설될 발전기는 이번 계획에서 건설이 확정될 필요가 없으며 다음번의 수급계획을 수립할 때에 확정하여도 된다. 따라서 설비계획은 매년 수정되며 설비계획의 대상년도는 한 해씩 뒤로 밀리게 된다.

설비계획수립의 어려움은 미래의 수요증가가 불확실하다는 점과 발전기 건설기간이 유형별로 다르다는 점 등이다. 설비계획은 이전의 설비계획수립 당시에 예측된 수요와 실제로 나타나는 수요와의 차이, 연료비, 건설비의 변동, 경제상황의 변동 등에 따라 매년 조정된다.

원자력의 경우 8~10년 정도, 유연탄화력의 경우 5~6년의 긴 기간이 소요되기 때문에 일단 건설이 시작되면, 수요증가가 예측 당시보다 낮아질 경우라도 일단 착공된 발전기는 취소 또는 변경하기 어렵게 된다.

이로 인하여 설비예비율이 너무나 크게 되거나 건설공기가 긴 발전기의 구성비율이 너무 커질 가능성이 존재한다. 예측하지 못한 수요증가의 변동이나 연료가격 등 여건이 변동하였을 때, 설비계획의 수정은 제약을 받게 되어 미래에 실제로 나타나는 발전기구성은 과거의 설비계획 수립시점에서 예상하였던 적정 발전기구성에서 벗어나게 된다. 건설기간이 긴 발전기에 대한 의사결정에서 수요증가의 불확실성에 따른 위험을 너무 염려하여 건설기간이 짧은 가스터빈 발전기를 많이 건설하기로 계획하면 미래의 발전시스템의 총 운용비가 대단히 커질 위험도 크고 후회비용도 커지게 된다.

발전기 건설공기의 차이를 이용하여 발전기 건설계획의 수정을 용이하게 하는 계획안이 중요한 의미를 갖는 것이며 미래의 수요증가가 불확실하다고 하여 설비예비율을 높게 설정하여 대응하는 것은 해답이 되지 못한다. 미래 전력수요가 몇 %만큼 높게 나타난다고 결정론적으로 판단할 수 있다면 수요예측 시에 미래수요를 높이는 것이 적절한 의사결정이다.

2년마다 수급계획을 수립하는 것보다 매년 전력수요증가를 다시 검토하고 수급계획을 수립하는 것이 투자 리스크를 축소하고 적정 발전기구성을 유지하는 측면에서 유리한 것이다. 3년 또는 5년에 한번 씩 엄청나게 정확하게 30년의 미래 년도에 대한 수요증가를 예측하고 이것을 수급계획의 입력자료로서 사용하고 각종 발전기 건설비, 연료가격 등을 정확하게 알아내어 컴퓨터 프로그램을 사용하여 미래의 년도별 각종 유형의 발전기 건설용량 및 대수를 결정하는 것으로는 미래의 일어날 불확실한 상황에 대처하기에는 더욱 불리한 것이다.

   
그림 3 설비계획수립 후의 연도별 발전기 구성

설비계획수립의 결과를 그림으로 나타내면 그림 3과 같이 연도별로 설비예비력과 발전기 구성이 결정되는 것이다. 그림과 같은 부하지속곡선이 아니고 부하율이 낮은 즉 그림보다 좀 더 뾰족한 부하지속곡선이 미래에 나타난다면 기저부하용 발전기보다는 가스터빈발전기의 구성비가 높아진다.

연도별 발전기구성은 설비계획수립을 수립하기 전의 입력자료가 아니며 미래의 년도별 부하지속곡선, 후보발전기의 연료비, 열효율, 건설비, 고장정지율, 예방보수일수 등을 이용하여 최소비용의 설비계획수립을 수립한 결과로 얻어진다.

설비예비율은 미래 부하지속곡선의 형태의 변화, 설비규모(또는 댓수)에 따라서도 변동한다는 것을 알 수 있다. 부하지속곡선의 형태 및 발전기의 확률적 고장정지를 고려하므로 설비계획수립을 하는 년도의 입력자료의 내용이 변화하면 결과물인 설비예비력도 변동하고 설비예비율도 변동한다.

그러므로 미리 설비예비율을 결정하여 놓고 년도 별 설비구성을 결정할 수 없다는 것을 알 수 있다. 원자력 발전기기의 건설비가 낮아서 후보발전기로서 많이 추가된다면 상대적 용량이 큰 발전기가 다량 건설되는 것이며 이것은 LOLP를 크게 하는 요인이 되므로 이러한 경우 신뢰도제약조건을 준수하기 위하여 단위용량이 작은 가스터빈이 추가될 수도 있다.

이와 반대로 원자력발전기의 건설비가 높을 경우, 원자력발전기보다 용량이 작은 유연탄화력 발전기가 많이 투입되면 공급지장시간이 낮아지게 되어 필요한 설비예비력은 감소한다. 총 설비용량에 비하여 용량이 큰 발전기가 많이 투입되면 신뢰도를 확보하기 위하여 가스터빈과 같이 상대적으로 용량이 작은 발전기가 추가된다. 이것은 신뢰도비용(reliability cost)이 고려되는 것이라고 표현한다.

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