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《포커스》 효율적인 에너지 전환의 필수

편집부 기자
입력 2023.12.24 00:00

효율적인 에너지 전환의 필수

스마트하고 확장된 전력망 뒷받침 돼야

전 세계적으로 대규모 해상풍력과 같은 재생에너지 단지를 다수의 국가와 연계하는 초고압 직류송전(HVDC) 시장은 지속적으로 확대되는 추세다. 특히 전압형 초고압 직류송전(HVDC)은 기존의 전류형에 비해 실시간 양방향으로 전력의 흐름과 제어가 가능하며, 계통 안정화에도 유리한 방식으로 해외 선진국들만이 보유하고 있는 최첨단 기술이다. 국내는 전압형 초고압 직류송전(HVDC) 국산화의 기술확보를 추진하고 있다. 실증 시험대인 양주변환소를 통한 실계통 성능평가를 거쳐 2024년 3월에 개발을 완료할 예정이다.

정리 편집부

자료 산업통상자원부, IEA

전력시스템의 중추인 전력망

청정에너지 전환의 핵심이자 전력시스템의 중추인 전력망(그리드 grid)은 100년 넘게 가정, 기업, 산업에 전력을 공급해 왔다. 결과적으로 국가의 탄소중립의 전환은 더 확장가능성이 있고, 더 스마트한 그리드에 의해 뒷받침되어야 한다. 청정에너지 전환은 이제 에너지 시스템의 변화를 주도하고 전기의 역할이 확대되고 있다.

국가의 국가 에너지 및 기후 목표를 달성하려면 향후 10년 동안 전 세계 전력 사용량이 이전 10년보다 20 % 더 빠르게 증가해야 한다. 2050년까지 순배출 제로를 향한 전 세계 경로에서 전력 수요는 훨씬 더 빠르게 증가해야 하며, 이는 지구 온도 상승을 1.5℃로 제한하는 것과 일치한다. 전 세계적으로 더 많은 전기 자동차가 배치되고, 더 많은 전기 가열 및 냉각 시스템이 설치되고, 전기분해를 사용하여 수소생산이 확대됨에 따라 확장된 그리드는 이러한 수준의 성장을 가능하게 하는 데 매우 중요하다.

전력 공급을 탈탄소화, 재생에너지 통합에 그리드 필수

기후 목표를 달성하기 위해서는 2040년까지 총 8천만 km가 넘는 그리드를 추가하거나 개조하는 것을 의미한다. 이는 기존 글로벌 그리드 전체에 해당한다. 전력 공급을 탈탄소화하고 재생에너지를 효과적으로 통합하려면 그리드가 필수적이다. 국가의 국가 에너지 및 기후 목표가 적시에 완전히 달성되는 시나리오에서 풍력 및 태양광 PV는 향후 20년 동안 전 세계 전력 용량 증가의 80 % 이상을 차지한다. 지난 20년은 국제에너지기구(IEA)의 2050년 순 제로 배출 시나리오에서는 풍력과 태양광이 증가량의 거의 90 %를 차지한다. 재생에너지 배치를 가속화하려면 배전망을 현대화하고 도시 및 산업 지역과 같은 수요 중심지에서 멀리 떨어진 사막의 태양광 PV 프로젝트, 바다의 해상 풍력 터빈과 같은 재생 가능 자원을 연결하기 위한 새로운 송전 통로를 구축해야 한다.

최신 디지털 그리드 필수적

청정에너지 전환 과정에서 전기 보안을 보호하려면 최신 디지털 그리드가 필수적이다. 태양광, 풍력 등 가변 신재생에너지의 비중이 증가함에 따라 전력시스템은 출력 변화를 수용할 수 있도록 더욱 유연해져야 한다. 국가 기후 목표 달성과 일치하는 시나리오에서 시스템 유연성에 대한 필요성은 2022년에서 2030년 사이에 두 배로 증가한다. 그리드는 새로운 방식으로 작동하고 옥상 태양열 및 모든 유연성 소스와 같은 분산 자원의 이점을 활용해야 한다. 여기에는 그리드 강화 기술을 배포하고 디지털화를 통해 수요 대응 및 에너지 저장의 잠재력을 활용하는 것이 포함된다.

그리드, 청정에너지 전환의 약한 고리가 될 위험성도 있어

최소 3,000 GW의 재생에너지 전력 프로젝트(이 중 1,500 GW는 고급 단계에 있음)가 그리드로 진행될 계획이다. 이는 2022년에 추가되는 태양광 발전(PV, photovoltaics) 및 풍력 용량의 5배에 해당한다. 이는 그리드가 넷 제로 배출로 전환하는 데 병목 현상이 발생한다. 전 세계 풍력 및 태양광발전 용량의 절반을 차지하는 국가에서뿐만 아니라, 전 세계적으로 전력망 연결을 기다리는 프로젝트의 수는 훨씬 더 많을 것이다. 재생에너지에 대한 투자는 2010년 이후 거의 두 배로 빠르게 증가하고 있지만 그리드에 대한 전 세계 투자는 거의 변하지 않아 연간 약 3,000억 달러에 머물고 있다.

전력망 투자 및 개혁이 지연되면 전 세계 이산화탄소(CO₂) 배출량이 크게 증가하여 에너지 전환이 느려지고 1.5℃ 목표가 달성되지 않게 된다. 전력망 보완이 지연될수록 재생에너지 활용이 더디고 화석 연료 사용이 높아지면서 탄소중립으로의 전환이 지연되게 된다. 전력 부문에서 2050년까지 누적 CO₂ 배출량은 국가 기후 목표와 일치하는 시나리오보다 전력망 지연 사례에서 58 GT이 더 높을 것이다. 이는 지난 4년간 전 세계 전력 부문의 총 CO₂ 배출량에 해당한다. 이는 또한 전 세계의 장기적 기온 상승이 1.5℃를 훨씬 넘을 것이며 2℃를 초과할 확률이 40 %라는 것을 의미한다.

천연가스 시장이 취약하고 가스 공급 안보에 대한 우려가 있는 상황에서 전력망 구축에 실패하면 국가의 가스 의존도가 높아진다. 그리드 지연 사례에서 전 세계 가스 수입량은 국가 기후 목표에 부합하는 시나리오보다 2030년 이후 연간 800억 bcm(입방미터) 이상 더 높으며, 석탄 수입량은 거의 5천만 톤 더 높다. 또한 전력망 개발이 지연되면 경제적으로 피해를 주는 정전이 증가할 위험도 높아진다. 오늘날 이러한 중단으로 인한 피해비용은 이미 연간 약 1,000억 달러, 즉 전 세계 GDP의 0.1 %에 달한다.

미래를 위한 전력망을 확보

새로운 전력망 구축뿐 아니라 자산 활용 개선도 지원하려면 규제를 검토하고 업데이트해야 한다. 전력망 규제는 전력 수요와 공급의 급격한 변화에 보조를 맞추기 위해 전력망에 인센티브를 부여해야 한다. 이를 위해서는 관리상의 장벽을 해결하고 높은 성과와 신뢰성을 보상하며 혁신을 촉진해야 한다. 인프라 구축을 가속화하고 효율적으로 사용할 수 있도록 규제 위험 평가도 개선해야 한다.

송배전망 계획은 정부의 광범위한 장기 계획 프로세스와 더욱 조화되고 통합되어야 한다. 새로운 그리드 인프라는 계획, 허가 및 완료에 5~15년이 걸리는 반면, 새로운 재생에너지 프로젝트의 경우 1~5년, 새로운 전기자동차(EV) 충전 인프라의 경우 2년 미만이 소요된다. 그리드 계획은 분산된 자원의 성장을 예측 및 활성화하고, 해상 풍력을 비롯한 자원이 풍부한 지역을 연결하고, 운송, 건물, 산업, 연료 등 다른 부문과의 연계를 반영하여 부문 전반에 걸쳐 장기 에너지 전환 계획을 통합해야 한다.

국가 기후 목표를 달성하려면 배전 그리드의 디지털화 및 현대화에 중점을 두고 전 세계 수준에서 10년 넘게 정체된 후 그리드 투자가 2030년까지 거의 두 배인 연간 6,000억 달러 이상으로 증가해야 한다. 이와 관련하여, 중국을 제외한 신흥 경제국과 개발도상국에서는 강력한 전력 수요 증가와 에너지 접근 필요성에도 불구하고 최근 몇 년 동안 그리드 투자가 감소했다. 선진국에서는 그리드 투자가 꾸준히 증가했지만 신속한 청정에너지 전환을 위해서는 속도를 더욱 높여야 한다. 2030년 이후에도 모든 지역에서 투자가 계속 증가할 것이다.

그리드를 구축하려면 안전한 공급망과 숙련된 인력이 필요하다. 각 국가는 확고하고 투명한 프로젝트 파이프라인을 구축하고 조달 및 기술 설치를 표준화함으로써 공급망 확장을 지원할 수 있다. 또한 시스템의 모든 다양한 요소의 상호 운용성을 보장하여 미래의 유연성을 구축해야 한다. 또한 운영업체와 규제 기관은 물론 전체 공급망에 걸쳐 숙련된 전문가가 크게 필요하다. 인재 파이프라인을 구축하고, 디지털 기술이 전력산업 커리큘럼에 통합되도록 보장하고, 재교육 및 현장 교육을 통해 에너지 전환 및 자동화 증가가 근로자에게 미치는 영향을 관리하는 것이 필수적이다.

전압형 초고압 직류송전(HVDC) 전주기 기술 국산화 개발

국내 전력산업 생태계 조성 기반을 마련하고, 더 나아가 국가 첨단산업과 무탄소 전원의 연계, 안정적 전력계통 운영, 외산에 의존했던 설비 수입대체효과 및 유망 해외 수출시장 개척에도 이바지할 것으로 기대된다. 초고압 직류송전(HVDC)은 초고압 직류송전방식으로 기존의 교류송전에 비해 장거리 대용량, 전력 흐름 제어, 전자파를 발생시키지 않는 장점을 보유하고 있다.

산업통상자원부는 지난 10일 서울무역전시컨벤션센터(SETEC)에서 <전압형 초고압 직류송전(HVDC) 국산화 기술개발 성과발표회>를 개최했다. 전압형 초고압 직류송전(HVDC) 기술개발은 1,578억 원(정부 221억, 민간 1,357억)을 투자하여 한전, 효성, 전기연구원 등 20개 산·학·연 기관이 참여하여 국산화 기술력을 확보하였으며, 성과발표회에서는 연구개발 경과보고 및 참여 기관별 연구성과를 공유하고, 앞으로 전압형 초고압 직류송전(HVDC) 기술이 나가야 할 방향을 주제로 토론하였다.

초고압 직류송전(HVDC) 설계·제작·시험·운영 전주기 국산화 기술확보는 국내 전력산업 생태계 조성 기반을 마련하고, 더 나아가 국가 첨단산업과 무탄소 전원의 연계, 안정적 전력계통 운영, 외산에 의존했던 설비 수입대체효과 및 유망 해외 수출시장 개척에도 이바지할 것으로 기대된다. 아울러, 전압형 초고압 직류송전(HVDC) 국산화는 실증 시험대(테스트 베드)인 양주변환소를 통한 실계통 성능평가를 거쳐 2024년 3월에 개발을 완료한다는 계획이다.

산업과 계통적 성과

산업 측면에서는 전압형 HVDC 변환설비 전주기 즉 설계·제작·시험·운영 등으로 인한 기술의 확보와 전력사·대기업·중소기업 공동 개발로 국내 산업의 생태계를 조성하게 됐다. 향후, 서해안 HVDC 등 참여 및 해외 유망 시장을 개척하는 기반을 구축하게 된다. 계통 측면에서는 양주 BTB 운영으로 고장파급 방지 등 경기북부 계통의 안정화될 것으로 예측했다. 2015년 손실비용 200억 원, 5년간 제약 비용 3,750억 원의 절감 효과를 기대할 수 있게 됐다.