저탄소 전력망에서의 대규모 에너지저장시스템의 역할과 필요용량

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-27

IEA는 대규모 에너지저장시스템이 미래 전력시스템에서 담당할 잠재적 역할에 대해 초점을 맞춘 보고서를 발간하였다. 동 보고서의 출발점 및 시뮬레이션은 IEA가 2008년 발표한 ‘에너지기술전망 2008(Energy Technology Perspectives 2008, ETP 2008)의 BLUE 시나리오에 기반을 두고 있다. BLUE 시나리오에 따르면, 재생에너지와 원자력 기술의 이용 증대가 전력부문에서 획기적으로 CO2 배출량을 감축하는 중요한 역할을 할 것이다. 재생에너지 및 원자력 기술의 이용이 확대되면, 화석연료 기반의 발전소 가동이 축소되고, 결국 CO2 배출량이 감소된다는 것이다. 동 시나리오 하에서 풍력발전과 태양에너지발전은 2050년까지 글로벌 발전량에서 각각 12%, 11%를 차지할 것이다. 그러나 재생에너지의 광범위한 확산은 전력공급의 신뢰성 유지에 있어 문제를 가져올 수 있다. 전력공급 신뢰성에 있어 전압 및 주파수 변동 문제와 관련하여, IEA 보고서는 주파수 안정성에 보다 초점을 맞추고 있다. 주파수 안정을 위해서는 전력 수요와 공급의 균일한 균형이 필수적인데, 오늘날 발전시스템의 대부분을 차지하고 있는 석탄 및 가스화력발전이 주파수 안정 차원에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 동 보고서의 주요 초점은 간헐적인 재생에너지발전 비중이 높아질 때 전력시스템의 균형을 유지할 수 있게 해주는 저장장치의 발전과 2010년부터 2050년까지 필요한 글로벌 저장시스템 용량에 관한 조사이다. 개별적인 풍력 및 태양에너지 발전소의 출력이 상당히 다양할지라도, 광범위한 지역에 풍력 및 태양광 발전소가 분포되어 있다면, 상대적으로 순변동성(net variation)은 축소될 수 있다. 이에 IEA 보고서에서는 재생에너지발전 출력의 순변동성을 중요한 매개변수로 고려하고 있다. 현재까지 순변동성을 축소하는 효과는 지역마다 다르다. 만약 풍력 및 태양광 발전소가 여러 지역에 분포되어 있어 각 발전소의 출력이 상호관련성이 없다면, 순변동성은 전체 발전소 수의 역제곱근(inverse square root)의 비율대로 감소한다. 반면, 상대적으로 다수의 풍력 및 태양광 발전소가 근접한 장소에서 가동된다면, 발전소 간 상호관련성이 높아지고, 결국 변동성이 기후 및 날씨에 따라 상당히 커지게 된다. 발전시스템이 공급의 변동성을 수용할 수 있는 범위는 발전소의 유연성 수준에 의해 결정된다. 여기에서 유연성 수준이란 전력수급균형을 항상 유지하기 위해 얼마나 빠르고 큰 규모로 공급 또는 수요를 늘리거나 줄일 수 있는 수준을 의미한다. 전력시스템의 유연성을 향상시키기 위한 다양한 수단들이 존재하는데, 그 중에서 중요한 수단이 바로 에너지저장 시스템인 것이다. 에너지저장 시스템 이외의 주요 대안은 근접한 전력시스템 사이의 상호접속이다. 현재 유럽 서부에서 상호접속된 전력망과 전력거래는 수급균형에 있어 중요한 역할을 담당하고 있다. 가스와 수력과 같이 유연성을 갖춘 발전소들은 상호접속된 지역에서 풍력발전량이 부족해질 때 긴급하게 보충해줄 수 있는 백업 발전소 역할을 수행할 수 있다. 현재 덴마크는 풍력발전 비중이 약 20% 수준인데, 스칸디나비아 국가들과 전력거래를 통해 효과적으로 전력 수급을 조절하고 있다. 그러나 재생에너지발전 비중이 높은데, 기후구조가 단일적이어서 재생에너지 발전량이 과도하게 많이 생산되거나 과도하게 적게 생산되는 지역의 경우 전력망 상호접속만으로 수급균형을 유지하기에는 막대한 비용이 들 수 있다. 게다가 2050년까지 재생에너지 및 원자력 비중이 높아지면서 가스 및 석탄화력 발전소 비중이 축소될 것으로 전망되기 때문에, 재생에너지의 간헐성을 보완해줄 수 있는 발전소의 비중도 축소된다고 볼 수 있다. 이러한 점에서 에너지저장 장치시스템이 추가적인 대안이 될 수 있다. 유럽 서부지역에서 풍력발전의 최대 순변동성은 10~15분 간격으로 6~12% 수준이며, 평균 변동성은 같은 기준에서 20~30% 수준이다. IEA는 유럽 서부지역에서 만약 순변동성이 5% 수준으로 유지될 수 있다면, 별도의 에너지저장시스템이 필요 없고, ETP BLUE 시나리오 하에서 높은 비중의 풍력 및 태양광 발전비중이 형성될 수 있을 것이라고 주장한다. 그러나 동 지역에서의 순변동성이 5~30%에 이르고 있기 때문에, 이 큰 폭의 순변동성을 완화시키기 위해 에너지저장시스템 용량이 2050년에 0GW에서 90GW 수준을 오고갈 수 있어야 한다고 분석하였다. IEA는 나아가 전 세계적으로 필요한 에너지저장시스템 용량을 추정하기 위해 순변동성을 15~30%로 가정하였고, 이에 전 세계적 에너지저장 용량이 189GW에서 305GW 수준에 이르러야 한다고 추정하였다. IEA는 순변동성의 폭에 따라 필요한 에너지 저장시스템의 용량 또한 크게 달라지므로, 정확한 저장시스템 용량을 계산하기 위해서는 우선적으로 순변동성을 제대로 분석할 수 있어야 한다고 강조하였다. 출처 : http://www.iea.org/papers/2009/energy_storage.pdf