재생에너지와 원자력은 에너지 전환에서 공존 가능할까?

2030 전력과잉 생산과 원전 

풍력, 태양광과 같은 재생에너지가 미세먼지와 기후변화에 대응할 청정 에너지로서 미래의 에너지 공급의 일정 부분을 차지할 것은 의심할 여지가 없다. 재생에너지에 대한 투자는 이미 석탄과 같은 화석 연료 발전 투자를 넘어서고 있으며 일부 지역에서는 더 경제적인 에너지원으로 화석연료를 발전을 퇴출시키고 있다[1]. 2016년 WEF 보고서 에 따르면 30여개 국가에서 태양광, 풍력 에너지의 발전 비용이 보조금 없이 화석연료 발전보다 저렴해지는 그리드패리티 현상이 발생했다고 보고했다.

최근 ”재생에너지의 패러독스”라는 개념이 제시되었다. 풍력과 태양광에너지는 장점으로는 초기의 투자비가 높지만 관리비가 적게 들며 연료비가 공짜라는 것이다. 바람과 태양이 풍부한 날에는 한계 비용 (marginal cost) 제로 (0)의 비용으로 급속히 전력을 생산한다. 하지만 풍력과 태양광의 최대 단점으로 바람과 태양빛의 지속 여부에 따라 불규칙적 간헐성을 보인다는 점이다. 따라서 주기적으로 변동하는 전력 생산에 보조를 맞출 수 있는 순간적 출력 변화가 가능한 유연한 (flexible) 발전이 필요하다는 것이다. 그로 인하여 에너지 저장 기술이 경제적으로 상용화 되기 전까지 화석연료 시스템과의 결별이 힘들다는 것이다. 또한 태양광을 통한 재생에너지 공급이 낮시간 동안 최대에 이르며 전통 전력원들의 출력이 급격이 감소되는 덕 커브 (duck curve) 현상이 발생하게 된다 (그림1). 이는 자유화된 경쟁 전력시장 체제에서는 전력공급이 급격히 집중되면서 전력도매가격 (wholesale price)의  하락으로 나타나며 주요국가에서 유연성이 떨어지는 전통 발전원의 수익성이 감소하는 현상이 발생한다는 것이다. 

그림1) 전력 공급 로드 덕커브 (Duck curve), 출처: Economist

연일 계속되는 폭염 속에 재생에너지 비율이 낮은 한국에서는 전력 예비율과 전력수요 감축에 대한 관심이 높아져가고 있다. 하지만 재생에너지 비율이 높은 유럽 및 미국 캘리포니아는 전력과잉에 대한 걱정이 더 커지고 있는 현실이며 "재생에너지 패러독스"를 극복하기 위한 다양한 변화들이 진행 중이다. 

독일에서는 2017년 전력 공급의 38.2%를 태양광, 풍력, 바이오에너지 등 재생에너지가 치지했으며 2018년에는 초에는 재생에너지의 순간 전력 공급 비율이 국내 전기 소비 거의 100%에 도달했다. 독일은 외국 전력망에 돈을 지급해 가며 전력을 수출하는 경우에 이르렀다. 이로인해 발생한 부작용은 독일 국민이 에너지 전환을 위해 지불해야할 에너지전환 분담금(surcharge)[2]이 증가하는 현상이다. 이러한 부작용의 원인의 하나로  베이스로드로 작용하는 원자력에너지로 지적하고 있다. 원자력에너지는 급속히 발전 출력을 변경할 수 없기 때문에 전력망에 수요보다 높게 전력이 공급되면 전력 도매가격은 마이너스로 변하며 그리하여 독일은 외국 전력망 회사에 돈을 지불해가며 전력을 파는 것이다. 독일에서는 원자력에너지가 완전히 퇴출되는 2022년 부터 이러한 현상이 개선될 것이라고 보고 있다.

스웨덴에서는 2040년까지 화석연료없이 100% 재생에너지 전력공급하기로 목표를 세웠다.  대규모 재생에너지 투자를 앞두고 있으며 풍력에너지가 규모가 일정 수준에 이르는 시기가 오면 전력 도매가격이 감소할 것이라 예상한다. 따라서 원자력발전소의 수익성이 감소하여 경제성 문제로 인해 새로운 원자력 발전소는 운영되기 힘들며 노후화된 발전소는 정해진 운영기간동안 운영되어 시장원리에 따라 탈원전의 시기가 다가올 것이라 예측하고 있다. 

미국에서도 캘리포니아 지역을 중심으로 태양 에너지 보급이 확산되면서 덕커브가 더욱 심화되면서 전력도매가격 하락과 함께 태양에너지가 감소하는 오후부터 전력도매가격이 다시 상승하고 에너지저장시스템과 가스복합발전이 활성화되고 유연하지 못한 원자력 에너지가 문제가 되고 있다. 

원자력에너지가 미래 에너지원으로서 재생에너지와 조화를 이루기 위해서는 출력을 급속히 조절하는 기술이 필요하지만 현재는 어느 원자력발전소도 그러한 기술을 확보하지 못하고 있다고 본다. 독일에서는 원자력 발전소 출력을 30%정도 감소시키는 작동과정에서 원전 사고가 발생하였으며 원자력 발전소의 출력 변화시에 가장 사고율이 높다고 알려져 있으며  현재로서는 쉽게 도전하기 힘든 기술이다. 독일 원자력회사 엔지니어들도 이론적으로 50%의 출력변화가 수 분내에 가능할 것이라고 주장하지만 그 과정에서 발생하는 부품의 마모와 손상이 심각할 것이라고 예상한다 [3]. 국내에서는 현재까지 원자력 발전소의 출력 변화없는 운영을 기본 원칙으로 삼고있다. 

원자력 에너지와 재생에너지의 결합은 유럽과 달리 한국과 같은 닫힌 전력망 시스템 내에서는 초과 전력 생산이 더 큰 부담을 가져올 것이며 에너지 저장시스템을 이용할 수 있지만  현재 에너지 저장 시스템의 활용은 더 높은 에너지 전환 비용을 가져올 것이라 예상된다. 사상 최악의 폭염을 지내고 있는 현 시점에서 태양광은 여름철 전력 피크 현상을 완화 시켜줄 중요 발전원이 될 것이며 독일과 미국 캘리포니아는 전력이 과잉 생산되어 전력 수출을 하고 있다. 3020 재생에너지 계획으로 2030년 20%의 전력을 재생에너지 공급하며 48.7GW를 신규 건설하여 누적 발전용량 63.8GW를 묙표로 하고 있다. 현재의 30% 수준의 원자력에너지의 전력 공급이 가져올 전력시장의 변화가 무엇을 의미할지 면밀한 검토가 필요하다. 2030년도의 폭염에서는 전력과잉 생산과 원자력발전의 발전 경직성 (inflexiblity)이 더 큰 문제로 대두될 가능성이 크다.

      

[1] 국내는 아직 미비한 시장환경 (높은 인허가 비용, 계통연계비용)으로 국내 태양광 LOCE가격은 MWh당 16만5천원 수준으로 세계 평균가격(9만4천원)의 두배에 달하는 수준이다.

[2] 독일에서는 재생에너지 발전 사업자에게 안정적 투자를 위해 고정가격으로 전력을 매입하며 에너지 전환으로 인해 발생하는 추가 비용을 소비자에게 부과하고 있는 구조이다. 전력 도매가격이 하락하면 그 나머지 가격을 분담금으로 매워야하기 때문에 분담금이 상승한다

[3] 원전의 출력변동의 기술적 가능성에 대해서는 Craig Moriss의 블로그글 과 그의 보고서 를 참고했습니다.