일상 속 공학 찾기 - 전력, 넌 어디서 온 거니

[能田]

일상 속 공학 찾기

전력, 넌 어디서 온 거니

공대상상 예비 2018 Autumn Vol. 25

공대상상 독자 여러분! 다들 무더위에 맞서 여름철 잘 보내셨나요?

저는 시원한 에어컨 바람으로 겨우겨우 버텼답니다.

여러분들도 에어컨, 선풍기 등 다양한 방법을 통해서 여름을 났을 것 같은데요,

이러한 장치를 사용하는 것에는 당연히 엄청난 전력이 필요하답니다.

과연 우리가 여름을 버티게 해줬던 전력은 어디에서 오는 것일까요?

이번 기사를 통해 전력이 어떻게 생산되고 관리되는지 자세히 알아보도록 해요!

글:   손성현, 원자핵공학과 2

편집: 장도현, 재료공학부 2

<그림 1> 전기 뱀장어(위), <그림 2> 발전형식별 전력수급 비율(아래), (출처: 전력통계정보시스템)

전력의 생산

먹이를 사냥하기 위한 수단으로 강력한 전기를 생산하는 동물! 전기 뱀장어를 알고 계시나요? 전기 뱀장어는 전기세포라는 특수한 세포를 가지고 있어서, 물만 이용해도 전력을 생산할 수 있다고 합니다. 만약, 사람도 전기세포가 있었다면 스스로 전자기기들을 작동시킬 수 있었겠죠? 하지만 그렇지 않기 때문에, 우리는 발전소를 통해서 전기에너지를 공급받습니다.

발전소는 다른 종류의 에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 곳입니다. 예를 들어서 화력발전소는 석탄의 화학에너지를, 수력발전소는 물의 위치에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 해요. 현재 우리나라에서는 화력, 원자력, 신재생에너지 등 다양한 방법을 통해 전력을 생산하고 있는데, 주로 화력발전과 원자력발전이 대부분을 차지하고 있어요.

<그림 2>는 전력통계정보시스템(EPSIS)에 따른 우리나라의 전력수급방식 비율인데, 주황색 막대는 원자력발전을, 노란색(기력), 연두색(복합화력), 검은색 막대(내연력)는 화력발전이라는 큰 범주를, 하늘색은 양수발전, 파란색은 신재생에너지 발전을 통해서 얻은 전력의 비율을 의미해요.

그런데, 화력과 원자력발전에 해당하는 막대가 아래쪽에 있는 이유는 무엇일까요?

수요예측과 기저전력

그 이유에 대해서 이야기하기 위해서는, 우리나라의 전력수급계획에 대해 알 필요가 있어요. 생산하고 싶은 만큼 전력을 발전해버리면, 사람들이 쓰고 싶은 양을 못 맞출 수도 있겠죠? 그래서, 전력을 공급하는 계획을 세울 때 가장 중요한 것은 전력수요를 예측하는 것입니다. 현재 우리나라의 전력소비량을 예측하는 모델 중 가장 주요한 것은 ‘전력패널모형’인데, 전 세계 100여 개국의 전력 수요 패널데이터 분석 결과를 반영해서 GDP와 전력가격 변화에 따른 전력수요를 전망하는 방법입니다. 이런 예측을 바탕으로 중 장기적인 전력수요를 파악하고, 전력설비를 확충하기 위해서 2년마다 업데이트하는 계획이 바로 ‘전력수급기본계획’ 입니다.

<그림 3> 전력수요예측(출처: www.natgas.info)

<그림 4> 스마트그리드의 개요(출처: 한국스마트그리드사업단

EMS: 에너지 관리 시스템 / ESS: 에너지 저장 시스템

위에 나와있는 그래프처럼, 하루 동안 필요한 전력의 양을 예측하면, 발전소를 얼마나 가동해야 할지 알 수 있겠죠? 만약 생산량이 수요량을 따라가지 못한다면, 정전이 발생하게 되는 것이죠. 그래서 적절한 여유를 두고 생산전력을 관리하는 것이 굉장히 중요합니다. 이때, 생산전력은 필요성에 따라 기저전력 (Base Load), 중간전력 (Intermediate Cycling load), 첨두전력(Peak Load)으로 나뉩니다. 기저전력은 발전단가가 상대적으로 저렴한 원자력발전과 화력발전이 담당하고 있는데, 이들은 계획에 따라서 우리가 원하는 만큼 발전량을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 중간전력, 첨두전력은 신재생에너지처럼 정확한 생산량을 예측하기 힘든 발전방법을 통해 얻는 전력을 의미하는데, 이러한 특성 때문에 주요한 발전원으로는 사용되기 힘들다는 특징을 가지고 있습니다.

스마트그리드

우리나라의 전력수급기본계획의 한계점으로, “과잉생산”이 지적되고 있습니다. 예비 발전량은 여름철 등 전력수요가 급증하면서 정전위험이 생길 때에도 안정적으로 전력을 공급하기 위해서 꼭 필요한데요. 항상 문제시되는 부분은 너무 과도한 예측이 이루어진다는 점입니다.

하지만 평균적인 생산량이 평균적인 소비량보다 커도, 사람들이 최대로 소비할 때도 생산량이 소비량보다 크지 않다면 정전이 발생해버립니다. 또한, 우리가 예측할 수 있는 특징을 가진 기저전원의 확충을 통해서 생산량을 늘리는 것이 일반적이기 때문에, 최대 소비량을 맞추기 위해서 잉여생산량을 계속해서 늘릴 수밖에 없는 것이죠. 게다가, 산업구조의 변화 등으로 인해 전력 소비량이 점점 더 증가한다는 특징으로 인해 잉여생산의 문제는 더욱 심각해지고 있습니다. 잉여생산은 화력 발전과정에서 발생하는 이산화탄소의 양마저 증가시켜 경제적인 문제만이 아닌 환경문제의 원인으로도 지목되고 있습니다.

그 해결방안으로 제시된 것이 바로 스마트그리드 (Smart Grid)입니다. 스마트그리드의 핵심은 전력망에 다양한 정보통신기술을 합쳐서 소비자와 전력회사가 실시간으로 정보를 주고받을 수 있게 하는 것에 있습니다.

따라서 소비자는 전기요금이 쌀 때 전기를 쓰고, 전자제품이 자동으로 전기요금이 싼 시간대에 작동하게 하는 것도 가능하죠. 반대로 전력생산자 입장에서는 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하기 때문에 전력공급량을 탄력적으로 조절할 수 있고, 잉여생산을 줄이거나 전기를 저장했다가 전력 사용이 많은 시간대에 공급하는 탄력적인 운영도 가능합니다.

무더운 여름을 버티게 해준 전력이 어떻게 만들어지고 관리되는지에 대해서 다뤄봤는데요, 이 기사를 통해 발전방법에 대한 정보와 기저전력의 개념, 수요를 예측하고 관리하는 방법 등 다양한 정보를 얻으셨을 것이라고 생각합니다. 이러한 정보들을 바탕으로 앞으로 우리나라, 더 나아가서 지구촌의 전력을 수급하는 것에 있어서 어떤 가치들이 중요할지에 대해 생각해보는 시간이 되었으면 좋겠습니다. 다음 기사에서 봐요~