친환경 에너지 재편은 ‘분산전원’으로부터

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친환경 에너지 재편은 ‘분산전원’으로부터

2019년 12월 1일 (일) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2019년 12월호 - 전체 보기 )

주요 키워드로 살펴본 2019년
친환경 에너지 재편은 ‘분산전원’으로부터

전력산업의 세계적인 추세는 ‘친환경’을 중심으로 한 에너지 전환이다. 탈원전과 탈석탄이라는 친환경 에너지 시스템으로 의 전환은 결과적으로 ‘에너지 분권’과 연결된다. 지금까지의 원전과 석탄을 중심으로 한 대형 발전시설은 국가가 에너지를 통제하고 관리했지만 분산전원은 독과점 형태로 소수 기업이 움직이던 공급자 중심의 시장에서 소비자 중심의 지역 밀착 형 시장으로 재편되어 가는 것이 불가피해 보인다. 분산전원과 관련된 키워드를 중심으로 올해 전력시장의 동향에 대해 살 펴본다. 분산전원은 친환경, 재생, 소규모, 마이크로, 지역, 소비자, 위기관리, 자립, 지속가능성이란 속성을 품고 있다.

글 김향인 기자

전 지구적으로 공통되면서 가장 중요한 키워드 하나를 꼽는다면 무엇일까? 환경 그 중에서도 기후변화가 이 닐까 싶다.

2015년 12월 12일 프랑스 파리에서는 ‘파리기후협약’이 채택되었다. 이 날 외신들은 ‘인류의 화석시대가 오늘 로 점진적 종언을 고했다’고 일제히 보도했다. 파리협약 은 지구 평균 온도가 산업혁명 이전보다 섭씨 2도 이상 상승하지 않도록 온실가스 배출량을 단계적으로 감축 하는 내용을 담고 있다. 각국의 정책 입안자들은 온실 가스 저감을 위한 파리협약과 같은 국제 사회와의 협력 에 동참해야 하는 상황에 놓여 있다.

전 세계적으로 지금까지의 주요 에너지 정책은 공급의 안정성과 경제성을 중심으로 움직여 왔다. 앞으로의 에 너지 패러다임은 친환경, 안전성, 지속가능성을 확보하지 않으면 안되는 시대다.

원전을 비롯한 석탄 화력발전 등의 대형발전시설 위주 의 전력망은 친환경과는 배치될 수밖에 없는 구조다. 에너지원 자체가 환경오염 물질을 배출한다는 문제도 있지만 집중형 전력산업은 향후 닥치게 될 기후변화 및 재난 시의 위기에도 취약하다. 전력산업의 최근 흐름 중 ‘마이크로그리드’를 주목하게 되는 이유다. 마이크 로그리드’(Microgrid; 소규모 독립형 전력망)란 화력, 원 자력과 같이 한 곳에 집중적으로 배치된 대규모 집중 발전방식 전원과 달리 전력 소비가 있는 지역 근처에 소 규모의 발전소를 분산·배치하는 발전방식을 뜻한다. 학교, 산업단지, 지역단위 등 특정 소규모 지역에서 자 체적으로 전력을 생산ㆍ사용ㆍ저장하는 형태다.

마이크로그리드가 빛을 발하게 된 것은 예기치 못한 재난상황에서다. 2012년 미국 뉴욕 맨하탄에서는 허리 케인 ‘샌디’로 인한 대규모 정전이 발생하였다. 당시 맨 하탄 일부 지역이 정전으로 인해 불시에 암흑천지로 변 했는데 바다와 인접한 몇 개 지역에서는 마이크로그리 드가 작동하면서 전력이 정상적으로 공급됐다.

최근 외신에 따르면, 미국 캘리포니아 지역에서는 지난 2018년 발생한 산불에 이어 올해 10월에도 대규모로 발 생한 산불로 새로운 전력망을 비롯한 대체에너지에 대한 필요성이 대두되고 있다. 캘리포니아 북부 지역을 담당하고 있는 대형 전력공급사인 PG&E(Pacific Gas & Electric)는 산불예방을 위한 조치로 사상유례가 없 는 대규모 강제단전을 시행했는데 이에 따른 주민 불편 은 물론 사회적 비용이 막대하고 비난 여론도 거세다. 업계 전문가들은 건조한 날씨에 계속되는 강풍으로 벌 어질 끔찍한 상황을 고려할 때 산불 확산을 막기 위해 전원 차단을 할 수밖에 없는 상황이라고 말한다. 또 일 각에서는 이번 정전사태를 계기로 전력 인프라를 재편 하고 마이크로그리드 및 배전 태양열 발전에 투자하는 노력을 더욱 가속화시켜야 한다고 주장하고 있다.

전력회사들이 송전선을 지하에 묻어야 한다는 요구도 나오고 있다. 지하 전력선을 지하에 매설하는 데는 1마 일당 약 3백만 달러가 소요되는데, PG&E는 약 81,000 마일의 가공선과 18,000마일에 해당하는 송전선이 있 어 비용만으로도 쉽지 않은 선택이다. 따라서 향후 대 안으로 태양열 등의 전력을 사용하여 여러 건물에 거 주하는 주민에게 전기를 공급하고 장거리로 전력을 전 송할 필요가 없는 마이크로그리드를 단계적으로 구축 해 가야 한다고 전문가들은 지적하고 있다.

소규모 지역 단위로 분산전원이 이루어지면 천재지변 등의 비상시에 훨씬 능동적이고 유연하게 대처할 수 있 다는 장점이 있다. 앞으로 기후변화와 관련된 기상이변 이 많을 것을 예상하면 에너지 시장 재편시 고려해야 할 부분임에 틀림없다.

마이크로그리드 상용화 앞두고 시범사업

분산전원은 대학 등 연구소를 비롯한 대형 건물, 아파 트, 고립된 섬 지역 등에 전력을 자체적으로 생산, 공급 해 주는 자립형 에너지 시스템이다. LS산전이 지난 2015년 6월부터 한국전력공사 등 21개 기관과 공동으 로 관악캠퍼스에서 실시하고 있는 마이크로그리드 시범사업을 통해 이 시스템을 살펴보자. 225개 동 중 7개 동을 대상으로 하는 이 사업은, 빌딩에너지관리시스템 (BEMS)과 공장에너지관리시스템(FEMS)에서 한발 더 나아가 계통연계형 마이크로그리드 상용화를 목표로 실시하고 있다.

LS산전 측에 따르면 캠퍼스는 강의실과 실험동, 기숙 사 등 여러 용도의 건물로 구성되어 있어 전력 소비방식 도 다양해 최적의 실증 환경을 제공한다. 정전 등 비상 시에 캠퍼스 내의 신재생에너지원과 에너지저장장치 (ESS)를 기반으로 무정전, 독립운전이 가능하다. 평상 시에는 한전으로부터 전력을 공급받다가 정전이 발생 하면 통합운영시스템(MoMC)을 통해 자동으로 전력을 공급하게 된다.

LS산전은 서울대 건물을 에너지 소비 형태별로 3가지 종류로 분류했다. △정전이 되면 안 되는 연구동이나 실험실 등은 ‘프리미엄 셀’ △에너지 효율화가 필요한 강 의동과 기숙사 등은 ‘노멀 셀’ △에너지 저감 서비스를 제공하는 ‘버추얼 셀’로 각각 구분하여 이러한 특성에 따라 맞춤형 솔루션을 제공하는 것이다. 프리미엄 셀 은 완전 정전 상황에서도 4시간 동안 독립운전이 가능 하고, 노멀 셀은 공간과 용도에 따라 다시 14개 구역으 로 나눠 구역별로 적절한 에너지 절감 항목을 적용한 다. 각 셀은 관악캠퍼스 정중앙 행정관 지하 1층에 위치 한 ‘통합운영시스템’에서 통합 관리하고 셀별 실시간 전 력 소모량과 피크 전력을 확인할 수 있다

서울대는 1년간 사용한 전기요금이 164억 원에 달할 정 도로 국내 대학 가운데서는 가장 많은 전력을 쓰고 있 다. 그만큼 온실가스를 배출하는 양도 많을 수밖에 없 다. 실험 결과 마이크로그리드가 들어선 7개 동에서 시 스템을 도입하기 전과 비교해 1년 동안 약 21%에 해당하 는 약 3,800만 원의 비용을 절감할 수 있었다. 전력량 (kWh)은 약 11% 줄어 1년 동안 약 110TOE(석유환산톤)의 온실가스 배출을 줄일 수 있었다. 이는 소나무 약 1 만6,000그루가 1년간 흡수하는 온실가스의 양과 같다. 일반 사무실과 달리 대학교는 빈 강의실과 연구실 등 사용자의 관리 소홀로 인해 낭비되는 전기가 많은 게 특징인 점을 고려할 때 계통연계형 마이크로그리드 사 업 확대를 통해 효율적인 전력 공급은 물론 다양한 부 수효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

제3차 에너지기본계획 5대 중점 추진과제

산업통상자원부는 지난 6월 4일 ‘제3차 에너지기본계 획 ’ 을 심의, 확정해 발표했다. 에너지기본계획은 5년 주 기로 수립하는 에너지분야 최상위 법정 계획으로, 2019 년부터 2040년까지 20년간의 중장기 에너지정책 비전 및 목표, 추진전략을 제시한 것이다.

3차 에너지기본계획의 요지는 1·2차 계획의 기본방향 을 유지하면서 깨끗하고 안전한 에너지로의 전환이라는 시대적 요구를 반영하였다. 정부는 이를 위해 재생 에너지는 2040년까지 발전 비중을 30~35%로 확대하 고, 2019년 말에 수립될 9차 전력수급기본계획을 통해 발전 비중을 구체화할 계획이다. 안정적 에너지 수급을 유지하면서 미세먼지 문제 해결 및 파리협약에 따른 온 실가스 감축 의무를 이행하는 것이다. 또한 2016년 9월 일본 후쿠시마 원전사고 및 2017년 11월 경주 지진 이후 안전한 에너지에 대한 국민적 요구를 반영하고 있다.

<5대 중점 추진과제>

① (소비) 산업·수송·건물 등 부문별 수요관리 강화, 가격체계 합리화 등을 통해 ’40년 에너지 소비효율 38% 개선, 수요 18.6% 감축 추진

② (생산) 재생에너지 비중 확대(’40년 30~35%), 원전· 석탄발전의 점진적·과감한 감축 등을 통해 깨끗하고 안전한 에너지 믹스로 전환

③ (시스템) 재생에너지, 연료전지 등 수요지 인근 분 산 전원 비중을 확대하고, 지역·지자체의 역할과 책임 강화

④ (산업) 재생에너지·수소·효율연계 등 미래에너지산 업을 육성하고 전통에너지산업은 고부가가치화, 원전 산업은 핵심생태계 유지

⑤ (기반) 에너지전환을 촉진하기 위해 전력·가스·열 시장제도를 개선하고, 신산업 창출을 촉진하기 위해 에너지 빅데이터 플랫폼 구축

3차 에너지기본계획 ‘5대 중점 추진과제’에 “재생에너 지, 연료전지 등 수요지 인근 분산전원 비중을 확대하 고, 지역·지자체의 역할과 책임 강화”가 포함되어 있다. 대규모 중앙집중형 에너지시설 및 송전망에 대한 수용 성 변화를 고려하여 분산형 에너지 및 지역, 지자체 등 의 참여를 확대한다는 것이다. 또한 공급 중심의 에너지 다소비형 체제를 소비구조 혁신을 통해 선진국형 고 효율·저소비형 구조로 전환하겠다는 방침이다.

2017년 12% 수준이었던 분산전원 발전 비중을 오는 2040년까지 30%로 확대하고, 분산전원 확대에 대응하 여 계통체계를 정비한다. 이를 위해 재생에너지 통합관 제시스템과 통합운영발전계획시스템을 구축한다.

전력 프로슈머를 확대하고 지역·지자체의 역할과 책임 을 강화할 방침이다. 이를 위해 자가용 태양광, 가정·건 물용 연료전지 보급 확대와 전력중개시장 활성화를 추 진해 나간다.

에너지기본계획을 통해서도 알 수 있듯이 분산전원은 수력, 풍력, 태양광, 바이오, 폐기물 등 주로 신재생에너 지를 활용하는 방식이다. 따라서 분산전원은 친환경에 너지 발전을 목표로 하는 에너지정책의 방향과도 부합 된다. 중앙집중식 전력생산 부담을 줄이면서 에너지 수 요지와 공급지 간 불균형 현상을 해소하고 전력공급의 안정성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

분산형 전원은 디지털화가 전제

2019년 한 해 동안 분산형 전원과 관련된 키워드가 꾸 준히 언론에 등장했다. 소규모 지역 단위, 특정 단위로 에너지를 생산해서 사용하고 저장하는 시스템인 마이 크로그리드, 즉 분산형 전원은 태양광·풍력 등 재생에 너지원과 에너지저장장치(ESS)를 기반으로 한다. ESS(Energy Storage System)는 태양광, 풍력 등 신재 생 에너지 전원과 결합해 전력을 공급할 수 있다.

ESS는 생산된 전기를 ‘전력 계통(Grid Energy Storage)’ 에 저장했다가 전기가 가장 필요한 시기에 공급해 에너 지 효율을 높이는 시스템이다. 발전·송배전·수용가에 단계별 저장이 가능하며 실시간으로 전력 공급자와 소 비자가 정보를 교환하며 전력을 안정적으로 공급하는 역할을 한다. 전기 요금이 싼 시간에 저장한 전기를 전기 사용량이 많은 피크타임에 사용할 수 있도록 한다. 대규모 정전인 블랙아웃이 됐을 때, ESS로 미리 충전 해 둔 에너지를 사용하면 비상시에 전력을 무리 없이 공급받을 수 있다.

분산형 전원을 구축하려면 필연적으로 ‘디지털화’가 뒷 받침되어야 한다. 여러 곳에 분산된 에너지를 통합해 모니터링하고 관리할 수 있는 통합 제어시스템이 필수 적이다. 실시간으로 전기가 필요한 곳을 파악해 수많은 발전소에서 생산된 전기를 공급해주는 것은 ICT 기술 의 도움 없이는 불가능한 일이다.

전력 분야에서도 4차산업혁명을 통한 ‘스마트’가 미래 의 키워드로 떠오르고 있다. 재생에너지의 간헐성을 극 복하려면 새로운 기술이 도입되어야 한다고 전문가들 은 강조한다. 에너지기술평가원 전문가들은 지난 4월 SETIC 2019에서 ‘국가 미래 에너지 정책과 분야별 기술 동향’을 주제로 토론회를 가졌다.

이날 토론회에서는 앞으로 인공지능(AI)을 이용한 수 요·공급 예측과 균형제어, 자산관리 등 지능형 전력망 이 필요하다고 지적했다. 4차산업혁명으로 대두되는 기술들이 에너지와 접목되는 게 가시화되고 있으며, 신 기술 도입에 보수적인 전력산업도 적극적으로 신기술 을 도입하지 않으면 재생에너지 변동성에 대한 해결책 을 찾을 수 없다는 것이다.

소규모 전력중개시장 활성화

올해부터 재생에너지 거래 활성화를 위해 '소규모 전력 중개시장' 제도도 도입되었다. 전기차나 1MW 이하 ESS, 신재생에너지 설비 등 소규모 발전 장치에서 생산 한 전기를 모아 전력시장에서 거래할 수 있도록 한 제도 다. 중개사업자는 소규모 자원을 모아 생산자를 대신해 전력시장에 전기를 내다팔고 자원을 관리해주는 역할 을 맡는다.

지난 10월 기준 전력중개사업자로 등록한 중개사업자 58개사 중 실제 전력중개사업을 하고 있는 업체는 5개 정도에 불과한 것으로 밝혀졌다. 아직까지는 전력거래 소에 REC 중개와 관련된 제반 시스템이 마련되지 않은 상태이기 때문이다. 앞으로 기반이 마련되어 활성화되 면 가상발전소(VPP, Virtual Power Plant)의 형태로 에 너지를 생산, 거래, 소비할 수 있을 것으로 업계는 전망 하고 있다. 재생에너지가 늘어나면서 중개사업은 그 필 요성이 더욱 부각될 것이지만 시장이 활성화되려면 증 권거래처럼 전력거래소와 중개거래사업자 간에 실시간 데이터 연동이 필수적으로 뒷받침될 필요가 있다.

기상조건에 따라 발전량이 급변하는 태양광과 풍력 등 재생에너지는 친환경 에너지이지만 변동성이 커 계 통 운영에 어려움이 따른다. 앞으로 소규모 전력 중개 사업자들이 발전량을 예측하고 수집해서 입찰하는 역 할을 제대로 하게 되면 분산전원의 공급량을 정확히

파악해 변동성을 줄이고 안정적인 전력기반이 형성될 수 있다. 향후 재생에너지 확대정책으로 늘어날 수밖 에 없는 불확실성을 소규모 전력중개사업 활성화로 해 결될 수 있을 것이다. 전력중개사업 활성화는 국가 전 체 전력계통을 운영하고 관리하는 데도 큰 역할을 할 수 있기 때문이다.

열병합발전소는 수요지 친환경 분산전원

열병합발전소 등의 집단에너지도 친환경 분산전원 활 성화를 위한 키워드로 대두되고 있다. 전문가들은 “대 표적인 분산에너지인 집단에너지는 같은 양의 연료로 열과 전기를 동시에 생산하기 때문에 에너지 효율을 높 이고 온실가스를 감축할 수 있다”며 열병합발전에 주 목할 필요가 있다고 강조한다.

지난 6월 ‘미세먼지 문제 해결과 에너지전환을 위한 열 병합발전의 역할’에 관한 토론회가 국회의원 회관에서 열렸다. 이날 토론회에서는 에너지 전환 목표를 원활하 게 달성하기 위해서 열병합발전의 역할이 강화될 필요 가 있다고 지적했다.

“열병합발전은 해외에서는 에너지 공급시스템의 유연 성을 제공하는 기술로서 널리 활용되고 있다”며 “높은 효율을 가지고 있는 기술적 장점은 미세먼지 문제 해결 과 더불어 온실가스 감축을 위해서도 확대할 필요가 있다”고 했다.

이날 소개된 내용에 따르면, 열병합발전은 ▲종합효율 이 높아서 에너지를 절감하고 미세먼지 배출이 줄어든 다. ▲도심 지역에서 에너지 사용량을 약 절반으로 줄 일 수 있다. ▲재생에너지의 변동성과 간헐성을 보완하 는 역할을 한다.

열병합발전이 효율적으로 이루어지고 있는 덴마크의 사례도 소개되었다. 덴마크의 Hvide Sande 지역난방 시 스템은 전력가격이 높을 때는 열병합발전을 이용해 열 수요 충족 후 남은 열을 저장소에 저장한다. 전력가격이 낮을 때는 전기보일러를 사용해 열을 생산하고 수요보 다 남는 열을 저장한다. 덴마크는 전체 발전 비중의 65%를 열병합발전이 차지하고 있는데 재생에너지의 간 헐성을 열병합발전을 통해 보완하고 있는 좋은 사례다. 열병합발전의 친환경성과 효율성에 대해서도 제기되었 다. 지역난방은 개별난방과 비교해 오염물질 49.2%, CO₂2 3%를 절감할 수 있다. 열병합발전은 개별방식보 다 에너지효율이 24% 높아 오염물질 저감에도 효율적 인 방식이며 송전선로의 확충 없이도 건설이 가능해 사 회적 비용과 장거리 송전으로 인한 전력 손실을 최소 화하는 장점도 있다.

여러 토론회를 통해 집단에너지와 관련해 집중적으로 거론되는 것으로는 정책적인 지원이 따라줘야 한다는 것이었다. 주요 선진국들은 재생에너지와 집단에너지 를 정책적으로 확대하면서 에너지 생산과 유통의 지역 분산화를 지속적으로 추구하고 있지만 한국에서는 이 러한 노력이 부족하다는 것이다. 현재 정부는 올해 말 집단에너지 5개년 계획을 발표하고, 분산에너지 활성화 로드맵을 2020년까지 수립할 계획인 것으로 알려졌다. 친환경성이나 효율성 면을 따지지 않더라도, 지역난방 은 “우리가 사용할 에너지는 우리가 생산한다”는 분산 전원 방식을 가장 잘 나타내주는 에너지 생산방식이라 고 할 수 있다. 또 쓰는 사람과 버리는 곳이 따로 있지 않고, “소비하는 사람이 그 쓰레기도 책임진다”는 형평 성에도 부합하는 방식이다.

에너지 문제는 시민이 직접 동참해야 풀린다

그동안 인류는 석탄과 석유, 원자력 등 안정적이고 경 제적인 에너지에 의존해 왔다. 그러나 환경과 안전이라 는 새로운 문제에 직면하게 되었고, 분산전원은 인류가 봉착한 환경, 안전 문제를 풀어가는 솔루션으로 보인다. 그런데 대체에너지를 구축하는 과정에서 여기저기 주민갈등 등 잡음이 끊이지 않고 있다. 재생에너지, 수 소충전소, ESS시설, 수소연료전지 발전소, 바이오 발 전소 등을 건설하는 과정에서 지역주민의 반대에 부딪 혀 사업이 난관에 봉착하는 경우가 많다. 이러한 주민 갈등은 아예 지자체 차원에서 안전과 환경문제를 거론 하며 반대하는 양상까지 보인다.

에너지 전환과정에서 한전의 전기료 인상문제도 새롭 게 떠오르고 있는 현안이다. 과거에는 중앙집중식으로 전력수급을 이끌어 가면 되었지만 이제는 지자체를 비 롯한 주민들의 이해와 협조가 없이는 어려운 시대가 되 었다. 그런 의미에서 정부, 학계, 전문가들에 머물지 않 고, 민간 차원에서 에너지와 관련된 주제를 가지고 다 양한 토론회를 거쳐야 할 필요가 있다.

에너지 전환이 성공적으로 이루어지기 위해서는 ‘관’ 주 도에서 ‘민 ’ 으로 무게중심이 옮겨져 소비자가 에너지 문 제를 함께 고민할 수 있도록 동참시킬 필요가 있다. 지 역의 전력은 지역이 고민해서 생산하고 소비한다는 세 계적 흐름을 받아들일 때 에너지와 관련된 해법이 하나 씩 풀릴 것이다. 에너지 문제는 정책 입안자나 전문가들 만의 문제가 아니라 시민이 직접 풀어가야 한다. 분산 형 전원 등 다양한 에너지 믹스로 그것이 가능해졌다.