1. "경직성 전원 비중 높아…원전 확대하면 전력 계통에 무리"

[CitizenErased]

지난 10일 PRCDN 주최로 열린 좌담회에서 전영환 홍익대 전자전기공학부 교수가 강조한 내용을 요약하면 다음과 같다. 

- "현재 전체 발전량 중 원전이 차지하는 비중은 약 30%가 넘는다. 이는 단일 전력 계통 내에서 높은 비중이며, 추가적인 원전 도입 시 계통에 부담을 초래할 가능성이 크다."
- "신한울 3·4호기 등 원전 4기가 추가될 경우, 송전망 문제로 인해 발전소 가동이 제한될 가능성이 높다. 그러나 이에 대한 대책은 마련되지 않은 상태다. 원전 확대는 송전망 문제를 심화시키며, 이에 대한 대책 없이 진행될 경우 전력 계통 안정성이 심각하게 위협받을 수 있다."

- "한국에서의 원전 출력 제어는 '계획된 감발'로 이해해야 하며, 초/분 단위의 즉각적인 조절은 현재로써는 어렵다."

1-1. 경직성 전원

경직성 전원이란 전력수요가 늘거나 줄어도 발전량을 조절할 수 없는 전원을 일컫는 용어이다. 일반적으로 재생에너지 발전과 원자력발전이 경직성 전원으로 분류된다. 원전의 경우 기술적으로 발전량 조절이 어렵고, 태양광·풍력 등은 일조량이나 풍속·풍향 등 날씨 요인이 발전량을 결정하기 때문이다.3)

발전량 조절 가능 여부에 따른 전원의 분류. 출처=한국에너지공단 <주간 에너지 이슈 브리핑(2016)>

반면 전력거래소로부터 기동·정지·출력조정 등의 지시를 받는 석탄화력과 액화천연가스(LNG)복합, 양수발전, 수력 등은 비경직성 전원으로 분류된다. 석탄화력은 출력 조정시 발전효율 하락 폭이 크기 때문에 중경직성 전원으로, 양수발전과 에너지저장장치(ESS)는 과잉 공급일 경우 부하 조절 역할을 맡는 특성이 있어 유연성 전원으로 분류된다.4)

1-2. 주파수와 부하추종운전

부하추종(Load-following)운전은 전력계통의 부하 변동에 대응하여 발전기의 출력량을 조정하는 운전을 말한다. 수요 및 공급 불일치로 전력망이 마비되는 사태가 발생하지 않도록 주파수가 일정하게 유지될 수 있도록 하는 조치이다. 전력망을 흐르는 전기의 주파수는 공급이 부족하거나 수요가 넘쳐 전력이 부족하면 내려가고, 공급이 넘치거나 수요가 부족해 전력이 남아돌면 올라간다.

주파수는 교류 전기의 주기적인 변화 빈도를 나타내며, 1초 동안에 전압이 변하는 횟수를 의미한다. 단위는 Hz(헤르츠)이다. 예를 들어 60Hz는 발전기가 1초에 60번 회전한다는 뜻이다. 주파수는 발전기의 회전 속도로, 발전기 속도와 주파수는 일치한다. 주파수를 일정하게 유지한다는 것은 발전기 회전 속도를 일정하게 유지한다는 것이다. 따라서 주파수 제어는 발전기의 속도 제어로 이뤄진다.

전력시스템에는 다양한 발전기가 연계되어 있다. 특정 발전기의 속도가 상승하면 다른 발전기도 함께 상승하고, 속도가 줄어들면 다른 발전기도 같이 떨어진다. 전 교수는 앞서 열린 ‘에너지전환과 전력계통-원자력발전소를 중심으로’라는 주제의 웨비나에서 주파수 제어 원리를 다양한 유형의 차량이 큰 바퀴를 끌고 올라가는 것에 비유한 바 있다.

그는 “주파수가 상승하면 특정 발전기만 올라가는 것이 아니라 전체 발전기와 에너지를 공유한다”며 “모든 자동차가 동일 속도로 올라가야 60km/h 속도로 끌고 올라가는 것이 되는데 이 과정에서 자동차 한 대가 정지하면 속도가 떨어진다. 속도가 떨어지면 다른 자동차들이 정지한 자동차도 함께 끌고 가야 하는데 이 자동차도 동일한 속도를 유지한다는 의미”라고 설명했다.

이어 “특정 발전기가 고장나더라도 다른 발전기의 에너지 출력을 높이면 된다는 것”이라며 “가동을 멈춘 발전기가 많아질수록 다른 발전기의 부담은 커진다”고 덧붙였다. 아래 그림에서 60km/h는 60Hz, 바퀴를 끌고 올라가는 자동차들은 다양한 유형의 발전기를 뜻한다.

출처=‘에너지전환과 전력계통’ 웨비나

전력수요가 늘어나면 발전기 속도와 주파수가 줄어든다. 반면, 전력수요가 감소하면 발전기 속도와 주파수는 올라간다. 1000MW(메가와트) 발전기 10대가 연계되어 있고, 발전기 1기당 900MW 출력을 낸다고 가정했을 때 총 전력 생산량은 9000MW이다.

전 교수는 “회전하는 발전기는 운동에너지라고 하는 에너지저장장치를 가지고 있는데 순간적으로 에너지가 필요하면 방출하고 필요 없으면 에너지를 흡수 및 저장하는 버퍼(Buffer) 역할을 한다”며 “에너지가 변동하면 저장하고 있는 운동에너지가 변동하고 이에 따라 속도가 변한다. 순간적으로 에너지 미스매치(mismatch)가 일어나면 속도 변화로 나타나기 때문에 속도를 제어함으로써 전체 에너지 수급을 맞추는 구조”라고 설명했다.

<각주>

3) http://blog.energy.or.kr/wp-content/uploads/download-manager-files/149_issue_2016.9.30.pdf 주간 에너지 이슈 브리핑 (한국에너지공단)

4) 각주 3)과 동일

5)