[첨단 헬로티]
재생에너지 정책 환경에서 에너지데이터와 재생에너지 정책 만나는 영역 ‘에너지저장장치(ESS)’
1. 들어가며
2020년에는 IT융합이 더욱 본격화되어 기존 화석 연료 기반 에너지 시스템에서 재생 에너지 중심으로 구조적으로 변화하는 에너지 전환이 가속화될 것으로 보인다. 표 1에서 보듯이, 현대경제연구원이 선정한 2020년 10대 트렌드에 에너지 전환이 포함되어 있다.
표 1. 2020년 글로벌 10대 트렌드 <출처: 현대경제연구원(2020.1)>
지난 호에서는 기후 환경 변화와 미세먼지 관련 정책 이슈, 그리고 이에 대응하는 에너지 데이터 활용에 대해 살펴보았다. 이번 호에서는 국내외 에너지 전환 정책의 트렌드와 데이터가 어떻게 활용될 수 있는지 국내 선두 사례들을 소개하고자 한다.
2. 에너지 전환 정책의 트렌드
에너지 정책 역사를 살펴보면 가장 눈에 띄는 것은 에너지전환 정책이다. 1980년대 후반부터 본격화된 환경 규제 강화 추세는 1987년 몬트리올 의정서에 이어 1992년 6월 리우의 ‘지구환경회의’에서 기후변화협약이 체결되면서 이산화탄소를 비롯한 온실가스 배출규제가 본격화된다. 한국에서는 미세먼지 정책으로 더 강조되는 에너지사용에 따른 온실가스, 특히 CO₂배출 억제 정책이 석유와 석탄 등 전통적인 화석에너지 사용이 억제되고 신재생 에너지로의 소비 전환이 과제로 등장한다. 한편, 화석에너지를 대체할 태양광 등 신규 에너지가 정착되는데 많은 시간이 걸릴 것으로 예상되기 때문에, 화석에너지 소비를 당장 중단하기 보다는 에너지 소비를 줄이는 방법을 더 고민하게 된다.
에너지 전환(Energy Transition)이란 에너지 시스템의 구조적 변화를 말한다. 석탄, 석유, 원자력 등 기존 화석 연료 기반의 전통 에너지 구조를 풍력, 수력, 태양력 등 재생에너지 중심으로 전환하는 것이다. 2015년 파리협정(The Paris Agreement)를 통해 2020년 만료되는 교토의정서를 대체하여 온실가스 감축 및 기후 변화에 대한 포괄적 대응을 위한 기후변화 협약을 체결하였다. 흥미로운 것은 재생에너지 생산비용이 급속도로 하락하고 있다는 점이다. 그림 1에서 보면, 재생에너지 설치비용 및 발전단가 하락은 재생에너지 발전 설비 보급 확대가 재생 에너지 공급 증가로 이어져 에너지 전환을 가속화할 것으로 보인다.
그림 1. 재생에너지 원천별 균등화 발전단가와 에너지 원천별 발전용량 전망 <출처: 현대경제연구원(2020.1)>
결국, 에너지전환 정책은 기존 에너지보다 환경 친화적인 에너지 이용방법을 찾는 정책이다. 단기적으로 원자력과 천연가스 역할이 강조되지만, 원자력은 온실가스 문제 해결에는 바람직한 대안이나 입지 난, 반원전론 문제로 인해 현실적 제약이 따르므로 천연가스 정책에 집중하는 경향이 강하다. CO₂배출량이 석탄의 약 절반 정도에 불과하고 청정하며 사용이 편리해 천연가스 수요가 점차 증가하고 있다.
OECD국 중심으로 에너지전환이 진행 중이다. BNEF(2017)에 따르면, 2040년 발전 투자의 72%가 재생에너지가 될 것으로 예상되며, 국제에너지기구(IEA 2018)에 따르면, 실제로 2017년 경제협력개발기구(OECD) 신규 설비 투자 비중에서 재생에너지가 73.2%로 1,390억 달러, 화석연료가 22.6%로 430억 달러, 원자력이 4.2%로 8억 달러를 나타냈다.
우리나라 에너지정책 우선순위도 에너지 전환 정책이다. 재생에너지의 확대, 탈석탄, 탈원전 등이 과제이다. 그 동안 전통적인 에너지 정책의 핵심 목표는 전력설비를 늘려 전력 공급을 안정적으로 유지하는 것이기 때문에, 급증하는 수요 대응을 위해 대형 발전소 중심으로 공급이 진행되었고, 그림 2에서 보듯이 2019년 최대수요 절기를 제외하면 넉넉한 공급 예비율을 기록하고 있다.
그림 2. 2011~2018년 한국 전력설비의 월별 공급예비율 추이 <출처: 한국전력, 하나투자증권(2019.5.17.) 재인용>
기후 변화로 인한 환경 변화로 재난 대응 필요성이 급해지면서 탈원전이 화두이다. 우리나라 경우 아직 신고리 6호기 이후 신규 설비 제한으로만 한정되어 정책이 추진 중이지만, 탈원전은 정부 공약이라 전력믹스(Mix)가 대안으로 떠오르고 있다. 전력믹스란 재생에너지, 탈석탄, 탈원전 모두를 아우르는 대안이다.
온실가스 저감과 탈원전에 맞는 집단에너지는 에너지 소비지 인근에 위치해 송배전 비용을 절감시키며, 열효율이 우수하고, 미세먼지 등 공해 발생을 줄여준다. 열병합발전의 증기터빈 용량은 석탄화력의 1/3 정도로 동일 용량의 석탄화력에 비해 냉각수 소요량이 적어 배수 피해가 줄고 분산형 전원을 통해 송전비용도 줄일 수 있다. 전기만 생산하는 석탄 화력발전 열효율이 최대 45%인데 비해 열병합발전은 전기와 열에너지를 동시 이용하므로 열효율을 80%까지 상승시킨다.
즉, 1억원 에너지를 수입한다면 석탄화력발전소는 4,500만원 에너지만 이용하지만, 열병합발전소는 8천만 원 에너지를 이용할 수 있다. 열효율이 높은 만큼 연료 사용 절감으로 탄소배출량도 저감된다. 또한, 지역냉난방사업은 LNG를 연료로 사용해 배기가스 중 황산화물, 질소산화물, 분진 등 공해물질이 거의 배출되지 않고 연소과정에서 발생되는 질소산화물은 저감 기술개발과 최적운전으로 배출 기준치 보다 훨씬 적게 배출할 수 있다.
우리나라 에너지 정책 최고 목표는 친환경이기 때문에, 석탄보다는 LNG를, 화석연료보다는 재생에너지를 선택하는 과정을 밟는다. 또한, 안정성 차원에서 탈원전이 추가된다. 이러한 에너지전환 정책 성공의 관건은 투자와 적절한 가격 설정이다. 목적과 방향이 확실하다면 투자 비용 상승은 불가피하며, 특히 해결해야 할 문제는 기저설비의 송전 제약과 사용 후 핵연료 처분시설이다.
3. 재생 에너지 확대 정책과 데이터 활용
에너지 전환의 필요성에 대해서는 누구나 공감하고 있지만, 사실상 기존 요금과 제도는 그대로 두고 전력믹스만 바꾸는 에너지 전환 정책은 지속가능하지 않다는 전문가들의 지적이다. 현재, 재생에너지 확대 정책이 진행되고 있다. 송전망과 배전망 보강이 전제되지 않은 추가 기저설비 도입이 전력시장의 비효율성을 초래할 수도 있다는 우려도 있지만, IT 인프라 기반에서 분산형 전원이 가능한 재생에너지 확대 여건이 조성되기 시작했다. 이를 기반으로 데이터 활용의 가능성이 열리면 요금이나 제도 개선에 도움을 줄 것으로 기대한다.
분산형 전원이란 전력 수요자의 인근 지역에 설치된 소규모 발전설비를 통해 수요자에게 필요 전력을 전량 공급하거나 중앙집중형 발전의 단점을 보완하기 위한 발전방식을 총칭한다. 중앙집중형 발전은 화력, 수력, 원자력 발전소에서 생산된 전기를 전국에 깔려 있는 송배전망을 통해 댁내나 건물에 공급하는 방식인 반면, 분산형 발전은 대형공장이나 건물에 전기 발전 설비를 갖추고 필요 전력을 공급하는 방식이다. 발전 영역에서 재생에너지가 주목받는 이유 중 하나가 분산형 전원 확대에 중요할 것으로 기대되기 때문이다.
분산형 발전이 중앙집중형 발전과 비교해 갖는 장점은 첫째, 생산된 전기를 수요지까지 공급하는데 필요한 송배전 인프라 건축 및 운영 비용이 대폭 절감된다. 둘째, 발전소 건립 부담감을 감소시킬 수 있다. 셋째, 전력계통의 신뢰성을 높일 수 있다. 중앙집중형 발전은 분산발전에 비하여 광역 송배전망을 갖게 되는데, 같은 송배전망 안에서 전체 수요와 공급이 1초라도 맞춰지지 않으면 계통망 전체가 붕괴되는 광역정전사태가 발생한다. 분산발전에서도 전력 수요와 공급 불일치로 인한 계통망 붕괴 현상이 발생할 수 있으나, 해당 지역의 계통망만 붕괴되기 때문에 광역정전 사태는 방지할 수 있다.
IEA에 따르면, 우리나라 국가 발전량 중 재생에너지 비중은 2017년 기준 2.2%이다. 이는 14.9~29.3%에 이르는 미국, 일본, 영국, 프랑스, 독일 등을 포함한 경제협력개발기구(OECD) 35개국 중 가장 낮은 수준으로 전 세계에서 에너지공급이 가장 집중화된 나라 중 하나로 꼽힌다. 2019년 기준 분산형 에너지로 전체 발전량의 30%가량을 공급하며 재생에너지협동조합 831개, 조합원 16만명에 이른 독일은 에너지 전환이 전후 독일의 가장 큰 인프라 프로젝트이며 독일 경제를 강화하고 새로운 일자리를 창출하는 분야 중 하나로 본다.
재생에너지의 경우에는 연료비가 없기 때문에 적정한 규모만 확보하면 원가 개선이 가능하나, 국가의 투자비 부담도 상존한다. 아래 표 2는 한국의 재생에너지3020에 따른 태양광 및 풍력 중심 신재생에너지 확충(태양광 33.5GW, 풍력 17.7GW) 계획이다. 신재생(정격용량 기준) 설비 증설 목표는 2017년~2022년 기간 동안 연평균 2.4GW, 2023년~2030년 기간 동안 연평균 4.4GW이다.
표 2. 2019년 한국의 에너지전략: 발전원별 설비계획 <출처: 산업통상부, 하나투자증권(2019.5.17.) 재인용>
우리나라의 재생에너지 정책 대상은 태양광과 풍력, 수소연료전지이지만, 2019년 기준, 태양광 중심으로 성장했다. 2017년 기준 재생에너지 설비 용량 15.7GW 중 태양광 비중은 37%였으며, 재생에너지 발전 비중 확대를 위해‘재생에너지 3020이행계획’에서 태양광과 풍력을 각각 30GW, 16GW 증설한다고 발표하였고, 수소연료전지 경우 ‘수소경제 활성화로드맵’을 통해 2040년까지 2017년의 약 60배에 해당하는 15GW로 확대를 추진한다고 발표하였다.
2019년 우리나라 재생에너지 정책 동향을 보면, 태양광 경우 사업자 수익을 보호하는 등의 지원이 확대되면서 성장세가 지속되었으며 2017년 발표된 2030년 태양광 발전 설비용량 36.5GW 목표 이후 그 성장세가 더욱 확대되었다. 2017년 5.8GW에서 2018년 7.9GW로 35% 증가하였고, 입찰 참여 규모는 평균 350KW 중 규모급 위주이다. 풍력 경우에도 정부 보조금이 증가하고 대규모 프로젝트가 추진되면서 사업이 확대된다.
2018년 기준 풍력 설비용량은 전체 신재생에너지의 7%이며, 투자 촉진을 통해 2030년 17.7GW 달성한다는 목표이다. 해상풍력은 조선과 건설업의 기술 및 부품을 활용할 수 있어 일거리 창출에 유리하다. 수소연료전지는 비교적 소극적 이다. 수소연료전지 설비용량은 2017년 기준 251MW로 전체 신재생의 1.6%를 차지하였고, 2019년 정부는 수소경제 활성화 로드맵을 통해 2040년까지 발전용 수소 연료전지 15GW를 보급할 계획을 발표한다.
세계적으로는 확산되는 재생에너지 확대 정책 덕택에 그리드패리티(Grid parity)에 도달할 것으로 전망되고 있다. 그리드패리티란 한정된 화석연료 발전 단가가 계속 상승하는데 비해 태양광 등 신재생에너지 이용 전력 생산 비용이 계속 낮아져 효용이 같아지는 균형점을 말한다. 이에 도달한다는 것은 태양광이 화석연료에 비해 가격경쟁력을 갖게 됨을 뜻한다. 기존에는 태양광 발전이 화석연료 발전보다 더 비용이 많이 들어 정부 지원금이 있어야 발전에 경제성을 가질 수 있었다. 하지만, 그리드패리티에 도달하면 정부 지원금 없이 발전 사업자나 전기 수요자가 스스로 알아 태양광 발전을 하고, 이에 따라 태양전지 수요도 증가하면 규모의 경제로 인해 태양전지 가격도 더 싸지게 된다.
미국의 예를 보면, 2011년 에너지부(DoE)는 선샷이니셔티브(SunShot Initiative)를 도입했다. 2018년 태양광 설치 비용이 와트(W) 당 0.89달러를 달성했고, 모듈 가격은 와트 당 0.8달러 급락했다. 2010년 평균 모듈 가격이 와트 당 1.89달러에서 8년 간 84%나 하락한 것이다. 이후 추가적 모듈 가격 하락이 예상되어 미국 일부 지역 가정용 태양광 설비 경우엔 세액공제 없이 그리드패리티에 가까워졌다. 독일에서도 2018년 태양광 발전단가가 65달러/MWh로 석탄발전 대비 20% 이상 저렴해 2038년까지 석탄발전소 폐쇄를 발표했고, 원전은 2022년 셧다운된다. 이에 독일의 총 22GW 기저발전이 2022년까지 천연가스와 재생에너지로 전환될 전망이다.
재생에너지 정책 환경에서 에너지데이터와 재생에너지 정책이 만나는 영역은 에너지저장장치(Energy Storage System; ESS)이다. 우리나라 정부의 지원이 확대되면서 재생 연계 ESS 설치도 폭발적으로 증가하였다. ESS는 태양광과 풍력의 출력 변동성을 완화하고 중앙전력망 관리에 기여하는 등 재생에너지 보급에 필수적인 저장장치이다. 정부는 태양광과 풍력이 안정적 발전원이 되도록 ESS와의 연계를 적극 권장하였다. 하지만, 주로 사용된 태양광 연계형 ESS 리튬이온 배터리 화재 발생으로 장기간 사업을 할 수 없는 상황이 발생하였다. 세계적으로는 레독스흐름배터리가 재생에너지 연계형 ESS에 가장 많이 사용되고 있어서, 이제 다양한 배터리를 사용할 수 있도록 하는 규제 완화가 요구된다.
ESS 화재 발생 등 이상징후를 미리 예측하는데 데이터 분석이 필요하다. 특히 데이터 처리 이전 과정 내지 전처리과정(Preprocessing)이 중요하다. 이는 수집된 데이터 품질의 향상 과정으로, 원시 데이터의 빠른 정제와 공유가 가능하고 수집된 비정형 데이터의 정형화를 가능하게 하는 과정이다. 아래 그림 3은 2019년 카이스트 대학에서 제시된‘에너지데이터 분석 및 전처리(Preprocessing) 기술’구성도이다. 모든 데이터 분석 및 처리 기술에서 데이터 전처리는 필수불가결하다. 전처리 과정은 직접적인 시스템 운영 결과를 도출하는 과정은 아니지만, 직간접적으로 결과에 영향을 미치는 과정이다.
그림 3. 한국 카이스트대학‘에너지데이터 전처리 기술’및 적용 서비스 <출처: 카이스트(2019.4.26.)>
데이터 결측값 대체 내지 복원(Data imputation)에서는 수집된 데이터의 손상 및 누락에 따른 데이터 복원이 진행되고, 축적된 데이터의 날짜와 시간별 특성을 고려해 정확도 높은 복원 결과가 도출된다. 데이터 주석(Data annotation)에서는 수요 에너지 데이터에 대한 패턴분석으로 사용자 특성이나 환경에 따른 데이터 패턴을 축적하고, 데이터 유입에 따른 실시간 분석과 적정 패턴도 도출된다.
카이스트가 개발한 전처리 기술로 이상 데이터 감지(Data abnormality detection)가 가능하다. 이상 데이터란 기존의 관측된 데이터와 동떨어진 데이터가 수집된 경우를 말한다. ESS의 경우, 운영 및 이상징후 탐지 알고리즘을 개발해 이상치를 처리하고 기기 별 오작동을 감지하며, ESS 잔존 수명을 검출하고 운영 효율 분석을 통해 적정 동작 구간을 산출할 수 있다. ESS 배터리가 폭발하는 사고가 빈번한데, 카이스트의 알고리즘 개발을 통해 이상 징후를 감지하면 폭발 사고를 미연에 방지할 수 있다.
ESS와 태양광 발전소가 만나면, 데이터 분석 기반 플랫폼 비즈니스 가능해진다. 2019년 7월에 데이터 분석 기반 ESS·태양광 발전 혁신 플랫폼이 시작되었다. SKC&C의‘아큐인사이트 플러스퍼블릭서비스(AccuInsight+PublicService)’인 클라우드 기반 데이터 분석 서비스 기반에서‘현대일렉트릭 ESS·태양광 발전 빅데이터 분석 플랫폼 구축’ 사업이 시작된 것이다. 이의 비즈니스모델은 현대일렉트릭 ESS·태양광 발전소의 발전설비 및 기상 데이터를 분석해 안정적인 태양광 발전 환경을 확보하여 발전 수익을 늘리는 것이다. 특히 안전이 핵심인 ESS 이상징후 사전 탐지 및 ‘ESS 헬스 인덱스(건전지표)’도 개발된다.
태양광 발전은 일조시간 및 발전시간 뿐만 아니라 계절에 따라서도 변화가 많다. 봄·가을에 가장 발전량이 높고 여름에는 높은 온도로 인해 효율이 떨어져 수요·공급에 따른 판매수익에 큰 차이가 나타난다. 이러한 발전량 분석·예측 시스템을 활용하면 계절, 날씨, 시간 등에 따른 발전량을 예측해 ESS의 출력을 제어함으로써 발전 수익을 극대화할 수 있게 된다.
송민정 한세대학교 미디어영상광고학과 교수
