이 누리집은 대한민국 공식 전자정부 누리집입니다.
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모든 산업은 시간의 흐름에 따라 변화하는 사람들의 삶의 모습과 더불어 다양한 형태로 변화해왔다. 이 시급한 변화는 그 폭도 크고 영향력도 대단하기에 더더욱 중요한 이슈이다. 산업의 변화에 있어서 전력망을 빼놓을 수 있을까.
전력망의 급격한 변화
발전기로 만든 전기를 공급받아 쓰기 시작한 이래 전기란 너무나 편하게 사용할 수 있게끔 잘 공급되었다. 그래서 전기사용자들은 전력사업의 의미나 존재에 대해 크게 신경 쓰지 않았다. 전기는 그저 값싸고 풍족하게 공급되면 불편하지 않은 기본적인 인프라였다.
하지만 상황이 달라졌다. 급격한 기후변화로 전력 사용을 예측하기 어려운 상황이 빈번히 발생하기 시작했고, 대형 석탄발전소를 통한 대량의 에너지 공급도 영원히 지속될 수 없다. 게다가 이제는 전력회사가 마음대로 송배전 선로를 새롭게 건설할 수도 없다.
[그림 1]에서 보듯이 전력망은 전통적인 중앙집중형 구조에서 분산형 구조로 변화하고 있다. 중앙집중형 구조는 생산에서 소비까지 단방향으로 전기를 공급하는 모델인 반면, 분산형 구조는 생산과 소비의 관계가 복잡하게 연결되는 양방향의 공급과 소비 모델이다. 기존의 시스템은 대규모 발전시설을 통한 안정적인 전력 공급을 목적으로 한다. 따라서 중앙의 대형 발전설비를 최대한 효율적으로 운영하며 생산된 전기를 송배전망과 공급처를 거쳐 각 지역의 최종 전력 사용자에게 안전하게 공급하는 것이 가장 중요했다. 따라서 운영과 제어의 범위 역시 전력을 생산하고 전달하는 부분에 집중되었고, 대형 발전사와 대규모 송배전 사업자를 통해 전력을 안정적으로 공급할 수 있었다. 하지만 이제 전력망 구조는 달라지고 있다. 기존의 구조에 다양한 발전원들이 추가되고 있다.
새로운 발전원들의 대부분을 차지하는 것은 변동성이 있는 재생에너지이다. 게다가 재생에너지 발전설비는 위치가 특정되지 않으며, 크기도 대형부터 소형까지 다양하다.
게다가 전력 사용자도 크게 변하고 있다. 다양한 가전기기의 증가로 전력 사용 형태가 바뀌고 있으며, 특히, 모빌리티의 전동화로 전기오토바이나 전기차 등 새로운 수요 기기가 빠르게 늘어나고 있다. 태양광이나 소형 풍력 등의 재생에너지 발전원이 자가 소비 측면에서도 설치되기 시작했다. 이와 같은 변화에 따라 전력망의 변동성과 밸런싱 문제에 대한 대응이 필요해졌고 모든 영역에 다양한 형태의 에너지 저장 시스템이 설치되고 있다.
그렇기에 중앙집중식 전력망 모델에서는 발전설비와 공급설비에 국한되어 있던 운영과 제어의 범위가 분산형 모델에서는 발전부터 사용자 영역에 이르는 전 영역으로 확대될 수밖에 없다. 특히, 전력 사용자 영역은 그 숫자가 매우 많고, 특정되지 않은 다양한 환경에 설치 및 운영되고 있으며, 개별 단위 규모가 상대적으로 작기 때문에, 기존의 발전소나 공급설비 관리 방식으로는 다양한 분산 자원을 안전하게 유지할 수 없다.
여기서 중요한 사실은, 이런 변화에 대한 예측이 최근에 이루어진 것이 아니라는 점이다. [그림 1]의 자료만 해도 2013년에 논의되기 시작한 내용이며, 전 세계적으로 오랜 기간 전력망의 변화와 대응 방법에 대해 고민해오고 있다.
다만 우리나라는 오랜 기간 산업 중심의 성장이라는 방향성을 지향하면서 에너지 다소비 업종에서 경제를 견인해왔다. 따라서 안정적인 전력 공급을 목표로 전력 인프라를 중심으로 많은 투자를 해왔으며, 수요자 측면에서 전력망의 변화나 개선은 크게 이슈가 되지 못했다. 하지만 기후위기라는 변화에 직면하면서 탄소를 줄이기 위한 분산 전원과 재생에너지가 증가하며, 전력산업에 대한 변화 요구 속도도 엄청나게 빨라지고 있다.
다가오는 위험
전력망은 단순 사고나 자연재해 같은 물리적 요인에 의한 정전도 가능하지만, 계통 운영상 수요와 공급의 불안정으로 인한 정전 사고도 발생할 수 있다. 최근 증가하고 있는 태양광과 풍력은 날씨의 영향을 받아 발전량이 수시로 변화하는 자원이다. 게다가 전력 사용자의 전력 사용 패턴이 변화하면서, 전력 공급과 수요를 정확히 예측하기 더욱 어려워지고 있으며, 이는 전력망을 안정적으로 운영하는 데에 있어 큰 어려움을 초래하고 있다.
이를 보완하기 위해 보급되던 ESS(Energy Storage System)는 신재생에너지의 사용 효율을 높일 수 있는 최적의 방법 중 하나로 꼽히지만, 단순히 공급 증가에 초점을 맞춘 인센티브 제도의 한계와 화재 이슈로 인해 현재는 보급이 중단된 상태다.
또한 최근 몇 년간 코로나19 상황으로 인해 전력 부하량이 급격히 감소했으며, 산업용 전력 사용량 중심의 부하 패턴에서 재생에너지와 가정용 부하의 영향을 더 많이 받는 패턴으로 점차 변화하고 있다. 이와 함께 부하 변동성의 대표 격인 전기차의 보급이 더욱 가속화되고 있다. 이러한 복합적인 상황으로 인해 현재의 전력망은 생각보다 빠르게 위험에 노출되고 있다.
따라서 전력의 공급 측면의 관리만큼이나 소비 측면의 관리도 매우 중요한 요소로 급부상하고 있다. [표 1]에서 볼 수 있듯이, 이미 재생에너지의 발전량 예측을 넘어 변동성에 대응하기 위한 유연성 확보가 시급한 상황이다. 이에 따라 가장 신속하게 도입할 수 있는 유연성 자원이자, 전력 계통 안정도 유지를 위한 가장 효과적인 자원인 동시에 공급과 수요의 효율과 균형 유지에 필수적인 자원인 수요자원에 대해 자세히 살펴보고자 한다.
수요자원 거래 시장의 개설
현재 우리나라의 전력 수요와 공급 관리는 한국전력거래소(KPX)가 담당하고 있다. 이 시스템 덕분에 전국의 발전소에서 생산된 전력은 예측된 수요에 맞추어 시장을 통해 판매되며, 한국전력공사는 이를 구매해 송배전망을 통해 전국의 산업체와 가정 등 다양한 수요처에 공급한다. 이러한 전력시장 구조하에서, 국내에서도 보다 효율적인 전력 수급을 위한 여러 시도 중 하나로 수요자원의 도입이 준비되어 왔고, 2014년 4월 전기사업법 개정을 통해 수요자원 거래 시장의 설립 근거가 마련되었다.
법안이 통과될 당시 일부 대규모 수용가를 대상으로 시범사업이 추진되었으며, 이를 바탕으로 운영규칙이 준비되었다. 이후 여러 차례의 의견 조율 및 심의를 거쳐, 2014년 11월 3일 운영규칙이 승인되었고, 마침내 2014년 11월 25일 전력시장이 개설되었다.
이렇게 개설된 수요자원 거래 시장은 동계와 하계의 전력 수요 피크 기간 동안 전기 사용을 절감하여 전력 피크를 감소시키는 데 중요한 역할을 하고 있다. 이를 통해 발전설비와 송전설비의 추가 설치를 억제할 수 있었고, 그에 따른 경제적 효과와 환경적 효과도 거두고 있다. 또한, 전력시장에서의 경쟁 입찰을 통해 전력 요금을 절감하는 효과도 있다. 특히, 수요자원 거래 시장의 개설로 인해 수요자원을 관리하는 수요관리사업자가 등장하게 되었다. 이들 수요관리사업자는 발전사업자와 동등한 지위에서 전력시장에서 경쟁하며, 다양한 전기 소비자들을 통해 전력 절감량을 발굴하고, 신뢰성을 높이기 위해 다방면의 기술개발을 진행하고 있다. 이러한 활동은 에너지 신사업의 원동력이 되고 있으며, 새로운 시장에서의 성장을 이끌어가는 중요한 요소로 자리 잡고 있다.
수요자원 거래 시장의 성장
2014년 11월에 개설된 제1차 수요자원 거래 시장부터 최근의 제7차(2022년 11월) 수요자원 거래 시장까지의 성장은 [그림 3]에서 확인할 수 있다. 첫해에는 원자력 발전소 1기에 해당하는 약 1.5GW의 자원이 등록되었다. 이 용량은 현재 시장 전체의 용량과 비교하면 다소 낮아 보일 수 있으나, 초기 예상치를 훨씬 초과한 것이며, 에너지를 많이 소비하는 특정 업종의 적극적인 참여 덕분에 많은 용량을 확보할 수 있었다. 그러나 시장이 새롭게 개설된 만큼, 제조업 공장 고객들에게는 제도를 이해하고 참여하는 데 어려움이 많았다. 특히, 수요자원 거래 시장을 설명하려면 전력시장 제도까지 함께 설명해야 했는데, 대부분의 사람들에게 전력시장과 전력거래소는 낯선 개념이었다.
초기에는 이러한 어려움이 있었지만, 제도가 성공적으로 운영되면서 고객들의 참여와 경험이 증가했고, 수요자원 거래 시장의 경제적 효과에 대한 긍정적인 반응이 나타나기 시작했다. 그 결과, 2차년에는 시장이 약 2배 가까이 성장하였으며, 수요관리사업자들이 대거 신규 등록하여 활동을 시작했다. 대기업뿐만 아니라 중소기업도 에너지 신사업으로 주목받는 수요자원 거래 시장에 참여하면서 3차년에는 시장 규모가 4GW에 이르렀다. 비록 전체 시장 규모가 2천억 원 수준에 머무르고 있지만, 수요자원 거래 시장은 에너지 신사업 분야에서 지속적인 경제성을 확보하며 전력산업에 크게 기여하고 있다.
수요자원 거래 시장의 프로그램 구성과 변화
수요자원 거래 시장의 초기에는 신뢰성 DR(수요 반응: Demand Response)과 경제성 DR 두 가지 프로그램으로 운영되었다. 이후 지속적인 운영규칙 개정을 통해 현재는 총 8가지의 DR 프로그램이 운영되고 있다.
프로그램이 다양해지면서 고객들은 자신의 에너지 사용 환경에 맞춰 선택적으로 참여할 수 있게 되었다. 초기에는 대형 수요자 중심이었던 시장이 점차 빌딩이나 상가 등 소규모 사업장으로 확장되었으며, 최근에는 가정에서도 ‘에너지 쉼표’라는 이름으로 국민 DR에 참여할 수 있게 되었다.
수요자원 거래 시장에서 가장 대표적인 프로그램은 의무감축 DR으로, 전력거래소가 수요 감축을 필요로 할 때 미리 등록된 용량만큼 전력 사용 감축을 지시할 수 있는 프로그램이다. 초기에는 ‘신뢰성 DR’로 불릴 만큼 감축 신뢰성이 중요한 이 프로그램은 계통 안정성을 위해 언제든 동원할 수 있는 예비자원이다.
국민 DR은 예비력 부족 상황과 함께 추가적으로 미세먼지가 나쁨인 지역이 3곳 이상일 경우에 발령되며, 가정에서 전력 사용을 절감하여 시장에 참여할 수 있다. 반면 Fast DR은 2020년 하반기에 새롭게 도입된 프로그램으로, 재생에너지 보급에 따른 계통 주파수 하락 문제에 신속히 대응하기 위해 만들어졌다. 이 프로그램은 설비가 즉각 반응하여 10분간 감축을 유지하는 것이 특징이다.
자발적 DR 프로그램은 사용자가 자발적으로 전력 사용을 감축하고, 그 감축량을 미리 시장에 입찰해 낙찰받는 방식으로 운영된다. 경제성 DR과 유사하지만, 피크 수요 DR과 미세먼지 DR 등 다양한 프로그램이 추가되었다.
이와 같이 전력 사용자의 자발적 참여를 활발히 유도하기 위해 다양한 시장 프로그램을 확대하는 한편, 기존에 일괄적으로 적용하던 기본정산금을 전력시장의 기여도에 비례하여 60%부터 100%까지 차등 지급하도록 운영규칙을 개정함으로써 수요자원 거래 시장 활성화 노력이 계속되고 있다.
전력수요의 진화: 고객 중심의 전력 시스템
전력 수요의 진화를 단적으로 엿볼 수 있는 대표적인 프로그램으로 새롭게 수요자원 거래 시장에 추가된 두 가지 프로그램을 꼽을 수 있다. 우선 2020년 11월에 운영이 시작된 Fast DR부터 살펴보자. Fast DR은 Plus DR과 함께 매우 빠른 일정으로 프로그램이 마련되어 시작되었다. 그만큼 대단히 시급하게 시장이 필요해서 만들어졌다고 할 수 있다. 이러한 시도들은 비단 우리만의 움직임은 아니다.
EU는 에너지효율지침(The Energy Efficiency Directive, EED, 2012/27)을 통해 각 회원국의 DR 자원 발굴을 장려하고 있으며, 영국과 프랑스, 벨기에는 FAST DR을 보조 서비스로 활용하여 신재생에너지 변동성 확대에 대비하고 있다. 그 밖의 유럽 여러 나라에서도 신재생에너지 변동성 대응 수단으로 정부 주도로 Fast DR에 대한 연구를 진행하고 있으며, 파일럿 프로젝트를 통해 기초 기술 및 산업을 육성하고 있다.
미국에서도 동북 지역 13개 주를 관장하는 북미 최대 전력 계통 운영기관인 PJM이 2006년부터 보조 서비스에 Fast DR을 활용하고 있으며, 텍사스 지역의 ERCOT과 중부 지방의 MISO 역시 Fast DR의 보조 서비스 참여를 허용하고 있다. 이외에도 다양한 수요자원을 활용한 프로젝트들이 진행 중이며, 특히 전기차와 ESS를 활용하는 방향으로 많은 프로젝트가 새롭게 진행되고 있다.
국내에서도 2020년 Fast DR 프로그램이 개설됨으로써 계통 주파수가 59.8Hz 이하로 하락할 때 자동으로 반응할 수 있는 고객 설비들을 대상으로 약 750MW 규모의 자원이 새롭게 구성되어 운영을 시작했다. Fast DR은 특히 최근에 태양광 발전이 계통에 지속적으로 유입되면서 계통 주파수가 하락하는 일이 빈번하게 발생하자 이에 대응하기 위해 빠르게 도입한 제도이다. 그런 만큼 지속 시간이 짧아서 기존의 자원들과 달리 10분만 감축을 유지하게 된다. 그러나 신속한 반응이 필요하기 때문에, 시스템이 자동으로 반응하여 즉각 수요 감축 효과가 발생할 수 있는 경우에만 적용할 수 있어 쉽지 않은 시스템이다.
새로 도입된 또 하나의 프로그램은 바로 Plus DR 이다. 기존의 DR 프로그램들이 전력수요를 감축하여 에너지 절감량만큼 발전량을 대체하는 프로그램이었다면, 반대로 Plus DR은 전력 공급이 과도할 경우 전력 소비를 증가시켜 전력망의 균형을 유지하는 프로그램이다. 이제는 이렇게 전기를 더 써야만 하는 상황도 발생하고 있다.
[그림 6]의 2024년 2월 육지 계통 데이터를 살펴보면, 10일과 12일 양일에 걸쳐 한전의 전력 도매가격인 계통한계가격(SMP)이 kWh당 0원을 기록했다. KPX에 따르면, 10일의 최저수요는 39GW 수준으로 떨어지며 계통 운영에 비상이 걸린데다가 재생에너지 설비 규모는 31.7GW에 달했다고 한다. 이러한 상황에서는 전력 수요를 증가시키는 Plus DR 프로그램이 유용하게 작동할 수 있다. 즉, 전력망의 균형을 유지하기 위해 수요를 유연하게 조절할 수 있는 새로운 시스템이 필요해진 것이다.
이처럼 Fast DR과 Plus DR 프로그램은 전력 수요의 진화와 함께 고객 중심의 전력 시스템을 구축하는 중요한 도구로 작용하고 있다. 이제는 기존의 수요자원 거래 시장에서 한 단계 더 나아가 다양한 DR 프로그램으로 전력망의 안정성을 높이고, 재생에너지의 변동성에 대응해야 한다. 진화된 수요관리 방안을 제공함으로써, 미래의 에너지전환 과정에서 중요한 역할을 해야 할 때이다.
똑똑한 에너지 소비자, 플렉슈머
우리나라의 전력수급기본계획에서는 에너지 수요관리를 강화하기 위해 다양한 전략을 제시하고 있다. 고효율 기기 보급은 물론 에너지관리시스템 강화, V2G(Vehicle to Grid) 같은 새로운 기술이 도입될 예정이다.
특히, 전기차와 같은 새로운 요소들이 전력 계통에 빠르게 도입되면서, 에너지 소비자들도 이제 단순한 사용자에서 벗어나 전력망에 기여하는 ‘플렉슈머(Flexumer)’로 진화하고 있다. 이들은 발전 자원을 보유하고 전력 사용량을 효율화하며, 부하의 변화를 통해 전력망의 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 에너지 소비자를 위한 플랫폼이 새로운 산업 생태계의 발전을 이끌어갈 것이다.
이제는 데이터를 기반으로 에너지와 사용자를 분석하여 최적의 효율과 발전, 그리고 사용을 통해 개개인의 수요도 최적화해야 한다. 이렇게 최적화된 플렉슈머(flexumer)를 유연성 자원으로 구성함으로써 전력 계통 전체의 상황에 맞는 최적의 운영방식을 찾아내고, 플렉슈머 간의 조화를 이룰 수 있을 것이다. 그런 변화를 통해서만 우리는 에너지전환을 이뤄내고 지금의 기후위기를 극복할 수 있으며, 나아가 에너지 데이터에 기반한 진정한 VPP* 자원을 구성할 수 있다.
* VPP(Virtual Power Plant, 가상발전소): 다수의 소규모 분산전원을 ICT 및 자동제어기술을 이용해 하나의 발전소처럼 운영하기 위한 통합관리시스템(출처: 한국에너지공단)
자발적 DR 프로그램은 사용자가 자발적으로 전력 사용을 감축하고, 그 감축량을 미리 시장에 입찰해 낙찰받는 방식으로 운영된다. 경제성 DR과 유사하지만, 피크 수요 DR과 미세먼지 DR 등 다양한 프로그램이 추가되었다.
이와 같이 전력 사용자의 자발적 참여를 활발히 유도하기 위해 다양한 시장 프로그램을 확대하는 한편, 기존에 일괄적으로 적용하던 기본정산금을 전력시장의 기여도에 비례하여 60%부터 100%까지 차등 지급하도록 운영규칙을 개정함으로써 수요자원 거래 시장 활성화 노력이 계속되고 있다.
결국, 우리는 전력 소비자의 역할이 단순히 에너지를 사용하는 것에 그치지 않고, 전력망의 중요한 한 축으로 변화하는 시대에 살고 있다. 플렉슈머로서의 전환은 우리의 에너지 소비 방식뿐만 아니라, 전력망 전체의 안정성과 지속 가능성을 크게 향상시킬 것이다. 이러한 변화가 더욱 활발히 이루어질 때, 우리는 진정한 에너지 전환을 이루고, 기후 위기를 극복하는 데 중요한 발걸음을 내딛게 될 것이라고 기대한다.
참고문헌
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