[제5차 웨비나 정리] 에너지전환과 전력계통-원자력발전소를 중심으로-

연결 : 제5차 세미나 줌 화상강연(2021.5.11.)
■ 진행 : 이원영 (수원대학교 교수·한국탈핵에너지학회 부회장)
■ 발표 : 전영환 (홍익대학교 전자전기공학부)

이원영> 안녕하십니까?

오늘 귀중한 시간에 전영환 교수님 모셨습니다. 에너지전환포럼의 대표이시고, 전기공학자로서 전력계통의 중요한 말씀을 해 주시고 계시기 때문에, 특별히 모셔서 저희에게 중요하고 귀중한 지식과 정보와 자료와 소견을 말씀해 주시겠습니다. 전영환 교수님을 소개해 드립니다.

◆ 전영환> 안녕하세요. 시작 하겠습니다.

오늘 말씀드릴 내용은 원자력발전기가 에너지전환과 어떤 관계가 있는가 하는 내용인데, 그 말씀을 드리기 전에 전력계통에서 발전기가 어떤 형태로 에너지를 주고받는지 설명이 좀 되어야 이해가 될 것이므로 같이 설명 드리겠습니다.

먼저 발전기가 어떤 식으로 발전을 하는가 하면, 여러분들 고등학교때 다 배웠던 내용입니다. 도체를 자기장이 자르고 지나가면 도체에 전압이 발생합니다. 그리고 전류가 흐르면 에너지가 발생합니다. 이것이 실제적으로 어떻게 발전하는가 하면, 발전기의 바깥쪽에 도체를 감아놓고 전자석의 자기장이 지나가도록 전자석을 회전시키면 도체에 전압이 유기되어 전력이 생산됩니다.

예를 들어 도체를 이렇게 감아놓고, NS극을 한바퀴 돌리면은 전압이 발생하는데 그 전압의 형태가 사인파가 됩니다. 그래서 NS극이 한 바퀴 회전하면 사인파가 한 주기가 생깁니다. 이렇게 발생한 사인파 전력을 교류라고 합니다. 우리가 교류에서 주파수가 60헤르쯔라고 얘기하는데, 그 의미는 사인파의 전압이 1초 동안에 주기가 60번 반복이 된다는 얘기죠. 그러니까 이 발전기는 1초 동안 60번 회전을 해야 주파수가 60헤르쯔로 유지가 되는 겁니다. 여기서 중요한 내용이 발전기가 회전하는 속도가 바로 주파수라는 내용입니다.

근데 NS극이 한 쌍이 있는데, 여기서 만약에 NS극이 두 쌍이 있다면, 기계적으로 한 바퀴 돌아도 전기적으로는 두 번 도는 것과 마찬가지가 되잖아요. 그래서 수력이나 원자력 발전기는 NS극을 두 쌍을 만들어 가지고 전자석이 한바퀴 회전하면 사인파 전압이 2주기 발생합니다. 그래서 NS극이 페어가 하나가 있으면 1초에 60번 회전, 즉 1분 동안에는 3600번 회전해서 회전속도가 3600RPM이고, 수력기나 원자력발전기 같이 NS극 페어가 2개가 있으면 1800RPM으로 회전해도 60헤르쯔가 됩니다.

우리 전력시스템을 3상이라 얘기하잖아요. 3상 전력은 발전기의 바깥에 도체를 코일 형태로 감는데 A상B상C상 이렇게 3개의 코일을 공간적으로 120도 위상차가 나도록 위치시키면, 전기적으로도 정확하게 위상차가 120도 나는 3상 전력이 만들어집니다. 이렇게 3상 전력을 만들어 쓰는데, 지금 여기서 다시 말씀드리는 중요한 것은 발전기 회전속도가 바로 주파수라는 겁니다. 주파수가 발전기 회전속도고, 주파수를 일정하게 유지한다는 것은 발전기 회전속도를 일정하게 유지하는 거다. 그래서 발전기 회전속도가 실제로 굉장히 중요한 의미를 가지고 있다는 말씀을 드립니다.

그래서 우리 전력 시스템에는 많는 발전기가 연계되어서 에너지를 공급하고 있습니다. 그런데 그렇게 발전기가 많이 연계되어서 운전이 되어도 회전속도는 전부 다 똑같습니다. 주파수가 올라가면, 어떤 특정한 한 발전기만 올라가는 게 아니고, 이 발전기가 전체 발전기와 에너지를 공유합니다. 그래서 특정 발전기 속도가 올라가면 다른 발전기도 같이 올라가고, 떨어지면 다른 발전기도 같이 떨어집니다. 그걸 어떤 걸로 설명할 수 있냐면, 자동차가 이 매스(mass:덩어리) 바퀴를 끌고 올라가는데 60km/hour속도로 끌고 올라가죠. 근데 이 자동차는 트럭도 있고, 조그마한 경차도 있고 버스도 있고 여러 가지 종류가 있는데 이 60km/hour속도로 끌고 올라가는 속도는 모든 자동차가 다 똑같은 속도로 올라가야 60km/hour속도로 끌고 올라가는 게 되는데요. 그래서 이렇게 끌고 올라가다가 자동차 하나가 엔진이 고장 나면 속도가 떨어지겠죠. 힘이 모자라니까. 속도가 떨어지면 다른 자동차들이 힘을 더 내서 끌고 올라가는데 엔진이 고장 난 이 자동차도 같은 속도로 다른 자동차와 같이 올라간다는 그런 의미가 됩니다.

발전기도 이렇게 움직이는 것이 전력시스템의 특징 중 하나다. 그래서 모든 발전기는 서로 연계가 되어 있고 이렇게 발전기간에 에너지를 공유하는 것은 물리적 법칙에 의해서 이루어진다는 것입니다. 제가 말씀드릴 때 중간 중간에 질문을 하시는 방향으로 하는 게 좋을 거 같습니다. 왜냐하면 중간에 한번 이해가 안 되면 계속 이해가 안 되기 때문에 이해가 안 되는 부분이 있으면 중간 중간 질문을 하면서 -시간 많으니까 천천히 가는 게 어떻겠습니까?

◇ 이원영> 여기서 질문 한가지 하겠습니다. 자동차가 가다가 하나 섰으면 전혀 작동이 안되는데 그 선 자동차도 같이 끌고 가야 되는 건가요 아니면~

◆ 전영환> 끌고 갑니다.

◇ 이원영> 그러면 그 자동차 무게까지 다 끌고 가야겠네요?

◆ 전영환> 네네

◆ 전영환> 그래서 발전기가 돌다가 하나가 고장 나잖아요. 고장 나서 힘을 못 내도, 다른 발전기가 그 발전기에 에너지를 주면서까지 전체가 다 똑같은 속도로 돕니다. 그래서 발전기 하나가 고장 나도 다른 발전기가 에너지 출력을 더 내면 되기 때문에, 내가 출력을 안 내도 같이 회전하면서 연계되어 갈 수 있는 게 다른 발전기가 내 역할을 다 하기 때문입니다.

◇ 윤순진> 그럼 몇 대가 끊어져도 감당할 수 있는 거예요?

◆ 전영환> 발전기가 많이 끊어지면 많이 끊어질수록 다른 발전기에 부담이 많아지겠죠. 그 부분은 이따가 제가 발전기 가지고 설명하는 자료가 있으니까 그때 다시 설명하도록 하겠습니다. 오늘 아주 좋은 질문이 많이 나오고 있습니다. 지금은 계속 가도록 할게요.

◆ 전영환> 자, 발전기 구조가 이렇게 되어 있습니다. 보통 화력 발전기는 스팀 터빈이 있는데 날개가 이렇게 있거든요. 스팀 터빈에 증기를 쏘아 넣습니다. 증기를 쏘아 넣으면 증기가 날개를 돌려서 뒤에 붙어있는 발전기를 돌리는 형태로 되어 있는데요. 이것들이 전부 다 쇳덩어리로 되어 있습니다. 아주 무겁습니다. 이 무거운 쇳덩어리들은 회전하면서 에너지를 저장하고 있습니다. 우리가 운동에너지라고 그러잖아요. 어떤 매스를 가지고 있는 물체가 속도를 가지고 움직이면은 -뉴턴법칙에 의해서 질량이 M이고 속도가 V면 그 물체가 가지고 있는 운동에너지가 ½mv²입니다. 속도의 제곱에 비례합니다. 이와 같이 매스를 가지고 있는 물체가 회전운동을 하면 매스가 관성으로 표현이 되고 운동에너지는 ½J⍵²이 됩니다. 여기서 오메가 (⍵)는 회전속도입니다. 회전속도의 제곱에 비례해서 운동에너지를 가지고 있습니다. 그러니까 발전기는 스팀밸브를 많이 열면 스팀이 많이 들어가고 스팀밸브를 닫으면 스팀이 적게 들어가고 그렇겠죠? 스팀밸브를 90%만 열면 발전기는 용량의 90%에 해당하는 전력을 생산하게 됩니다.

근데 이게 속도가 변하잖아요? 속도가 변하면 여기서 센서가 속도를 검출합니다. 센서가 속도를 검출해서 속도가 떨어지면 밸브를 더 열고 속도가 빨라지면 밸브를 닫아서 터빈에 들어가는 스팀 양을 조절해서 발전기 속도를 실시간으로 제어를 하고 있죠. 그래서 현재도 우리나라에 전력을 공급하는 전체 발전기가 다 이 제어를 다 하고 있습니다. 모든 발전기가. 리얼타임으로 속도를 검출해서 내 속도가 떨어지면 밸브를 열어서 스팀을 더 넣고 올라가면 밸브를 닫고 이걸 다 하고 있는데 안 하고 있는 발전기가 있어요. 그게 원자력발전기입니다. 원자력발전기는 이 제어를 안 합니다.

◇ 이원영> 왜 그렇죠?

◆ 전영환> 스팀 밸브로 터빈에 들어가는 스팀의 양이 변하면 보일러의 증기 압력이 변하겠죠? 스팀밸브를 더 열어서 스팀이 빠져나가면 보일러의 압력이 떨어지니까 그러면 연료를 더 주입해서 물을 더 끓여서 압력을 올리고 -스팀밸브를 잠그면 압력이 올라가니까 압력을 떨어뜨리기 위해서 불을 떼는 연료 유입을 적게 하는 거죠. 원자력발전기를 그렇게 제어 하려면 원자로의 핵반응을 컨트롤 해야 하는데, 핵반응 컨트롤이 쉽지 않습니다. 제어봉으로 보통 컨트롤 하는데 -이 부분을 원자력 쪽의 1차 계통이라고 하는데- 1차계통 안에서 원자로의 안전성 문제가 있다고 합니다.

우리나라는 원천 기술이 미국에서 들어왔고, 미국은 실시간 주파수 제어를 안 하고 있고, 일본도 안 하고 있습니다. 우리나라도 안 하고 있습니다. 프랑스하고 독일하고 벨기에는 이 제어를 해요. 그래서 “우리나라 원전은 주파수 제어를 안 한다, 경직성이다”이렇게 얘기하면 원자력계는 “프랑스는 하고 있다” 이렇게 얘기를 합니다. “프랑스 기술 가져와서 우리도 하면 된다”고 합니다.

◇ 윤순진> 지어 놓은 원자로에 지금도 가능하다는 건가요?

◆ 전영환> 그게 안 되지요. 그래서 지금 있는 원전 다 정지시키고 다시 짓겠다는 이야기가 되는 거죠.

◇ 윤순진> 그럼 오늘 원전이 중심이긴한데 석탄은 어때요? 석탄도 켰다껐다가 어렵지 않나요? 양 조절하기가?

◆ 전영환> 아 석탄은 주파수 제어를 합니다. 석탄도 연료조절이 쉽지 않긴 합니다. 그래서 석탄은 분당 출력을 조절하는 슬로프(slope)가 좀 낮아요. 복합가스발전기는 분당 출력조절이 4~5%로 된다면, 석탄은 1~2% 정도 되고, 우리나라 원자력발전기는 제로가 됩니다. 또 다른 문제는 발전기는 한번 정지시키면 다시 가동시키는데도 시간이 많이 걸린다는 것입니다. 석탄은 한 10시간 이상, 원자로는 한 3일 걸린다는 거죠. 가스 발전기도 복합가스발전기가 있습니다. 효율을 높이기 위해서 터빈발전기를 돌리고 나오는 열로 스팀을 만들어서 스팀 터빈을 같이 돌리는 발전기 형태를 말합니다. 즉, 가스터빈, 스팀터빈이 세트로 운전하는 것을 복합가스터빈 발전기라고 하는데, 발전기의 유연성을 높여서 기동 정지를 쉽게 하기 위해서는 복합가스 발전기도 가스터빈 발전기를 단독으로 돌릴 수 있도록 하는 기능을 갖춰야 된다는 얘기를 요즘 하고 있죠.

◇ 이원영> 오늘 중요한 말씀 많이 하셔야 하니까 우리가 전체적으로 이해하는 것도 중요하지만 원전 계통이 전력계통에 부하를 주는 문제를 부각시켜 좀 더 설명하시면 좋을거 같습니다.

◇ 윤순진> 근데 아까 차가 끌고 가던 것과 연결하면 원전이 탈락하는 일이 생기거나 또는 원전은 도는데 다른 발전기가 탈락하게 됐을 때 원전이 받는 영향 이런 건 어떻게 되나요?

◆ 전영환> 바로 나옵니다. 그래서 제가 예제를 만들었습니다.

자, 발전기가 용량이 1000Mw짜리 10대를 연계해서 운전하고 있는 경우를 생각해 보겠습니다. 여기서 발전기 하나당 900Mw 출력을 냅니다. 그러면 10대기가 9000Mw의 전력을 생산합니다. 전체적으로 9000Mw의 에너지가 들어가고 있고 이 발전기는 이와 같이 쇳덩어리가 돌아가기 때문에 발전기 안에는 쇳덩어리가 돌아가면서 에너지를 저장하고 있는 부분이 있습니다. 기계적으로 스팀터빈에서 에너지가 계속 들어오고 있고 발전기는 이 안에서 돌아가면서 에너지를 저장하고 있고 저장된 에너지는 변함이 없습니다. 정상상태에서 9000Mw의 에너지가 들어오고 9000Mw의 에너지가 나가는 거죠. 소비자는 9000Mw의 에너지를 사용하고 있습니다. 이때 발전기 주파수는 60Hz고요. 즉, 정상상태에서 3600RPM으로 계속 돕니다. 전혀 문제가 없죠. 이 상태에서 수요가 갑자기 100Mw 늘었어요. 아까 9000Mw의 에너지가 들어가고 있는데 총수요는 9100Mw가 된겁니다. 우리가 순간적으로 스위치를 켜면 바로 그냥 불이 들어오잖아요. 발전기 앞에서 들어가는 에너지는 9000Mw 밖에 없는데 쓰는 에너지가 9100Mw이니까 모자라는 100Mw를 어디선가는 줘야 합니다. 100Mw가 어디서 공급이 되느냐는 겁니다. 발전기가 가지고 있는 운동에너지가 있다고 했죠? 이 100Mw는 발전기가 저장하고 있는 운동에너지에서 빠져 나가는 거예요. 그러니까 발전기 자체가 에너지를 저장하고 있어서, 들어오는 에너지 양보다 내보내는 에너지 양이 많게 되면, 발전기가 저장하고 있는 운동에너지에서 모자라는 에너지를 주게 됩니다. 발전기가 저장하고 있는 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하는데, 이 에너지가 빠져나가니까 속도가 줄어 들죠. 속도가 줄어드니까 주파수가 줄어드는 거예요. 아까 모든 발전기에는 뭐가 있다고 했죠? 속도를 검출해서 밸브를 제어하는 제어기가 다 붙어있다고 했죠. 소비자가 순간적으로 에너지를 끌고 가면 발전기는 그 에너지를 내어주고 난 다음에 속도가 떨어지니까 그때서야 밸브를 열어 가지고 여기서 들어가는 에너지를 9100Mw까지 증가시킵니다. 그러면 9100Mw들어가고 그동안 아까 빠져나갔던 에너지를 다시 채우고 –속도가 올라가니까- 그리고 9100Mw을 주는 거죠. 그래서 9100Mw을 계속 공급하게 됩니다.

거꾸로 여기서 수요가 9100Mw이 아니고 8900Mw가 될 경우를 생각해 보겠습니다. 9000Mw의 에너지가 들어가고 있는데 8900Mw의 에너지가 나가면 100Mw가 남잖아요. 100Mw이 어디로 갈까요? 여기 발전기의 운동에너지로 들어가는 거죠. 즉, 발전기가 저장하는 운동에너지가 많아집니다, 그러면 속도가 올라가죠. 속도가 올라가니까 주파수가 올라가는 거예요. 그래서 발전기 속도가 올라가니까 속도를 늦추기 위해서 밸브를 닫아요. 밸브를 닫는 제어를 10개가 다 합니다. 그러니까 9000Mw 들어가고 발전기의 밸브를 닫아서 8900Mw가 돌아가는 거죠. 즉, 회전하는 발전기는 모두 운동에너지라고 하는 에너지 저장장치를 가지고 있습니다. 이 에너지 저장장치에서 계통에서 순간적으로 에너지가 필요하면 내주고 필요 없으면 에너지를 흡수해서 저장하는 버퍼(buffer) 역할을 합니다. 에너지가 변동을 하면 저장하고 있는 운동에너지가 변동을 하고, 이에 따라 속도가 변하기 때문에 속도를 검출해서 제어를 하는 거예요. 그래서 에너지 수급을 맞춥니다. 항상. 매초. 초 단위보다 더 짧은 아주 순간적으로 에너지 미스매치(mismatch)가 일어나면 속도 변화로 나타나기 때문에 속도를 제어함으로써 전체 에너지 수급을 맞추고 있습니다.

◆ 전영환> 자, 이런 상황에서 일반 화력발전기 3대를 원자력발전기 3대로 대체할 경우를 생각해 보겠습니다. 9000Mw를 안정적으로 공급하다가 순간적으로 소비가 9100Mw로 증가하면, 여기서 원자력 발전기는 돌아가는 관성이 있기 때문에 에너지를 내어주는 것은 이전의 경우와 같습니다. 10대의 발전기가 운동에너지에서 100Mw를 순간적으로 공급을 하고, 다 똑같이 속도가 떨어졌어요. 근데 밸브를 열어서 컨트롤하는 발전기는 7대밖에 없어요. 원자력발전기는 컨트롤을 하지 않으니까. 그래서 주파수 제어를 -속도를 제어하는 발전기가 아까는 10대 있었는데 원자력이 많아지면 많아질수록 주파수 제어하는 발전기 숫자가 줄어드니까 속도가 더 많이 떨어지겠죠?

◆ 전영환> 그게 요겁니다. 똑같은 상황에서 원자력이 늘어나면은 속도가 떨어졌다가 올라가는 게 더 많이 떨어졌다 올라갑니다.

자, 그다음 케이스를 바꿔보겠습니다. 아까 10개 중에 3대를 –태양광이나 연료전지같이– 관성이 없는 걸로 바꿨습니다. 이 경우도 이전과 같이 9000Mw를 안정적으로 공급을 하다가 수요가 갑자기 100Mw 증가하는 경우를 생각해 보겠습니다. 그러면 아까는 10대가 가지고 있는 운동에너지에서 100Mw를 순간적으로 공급했는데, 이제는 저장하고 있는 운동에너지에서 에너지를 줄 수 있는 게 7대밖에 없어요. 그러면 아까는 100Mw를 10대가 나눠줬는데 이제는 100Mw를 나눠주는 발전기가 7대밖에 없으니까 한 대가 줘야 하는 에너지가 더 많아지니까 속도가 더 많이 떨어지겠죠.

그래서 운동에너지를 가지고 있는 발전기가 7대밖에 없기때문에 아까보다 더 주파수가 떨어집니다. 7대만 순간적인 에너지를 공급할 수 있으니까 계통주파수는 회색이 돼요. 슬로프(slope)가 더 가팔라졌잖아요? 발전기에서 줄 수 있는 에너지가 적어지니까 계통주파수가 가파르게 떨어졌다가 올라가는 형태를 보입니다.

여기서 한 가지 더, 지금 원자력발전기도 있고 태양광도 들어와서 기존의 발전기가 10대에서 4대밖에 안 남았어요. 이때 수요가 100Mw로 늘어날 때, 즉, 운동에너지를 가지고 있는 발전기는 7대가 있는데, 주파수를 제어할 수 있는 것은 4대밖에 없어요.

이런 경우, 똑같은 상황에서 (노란색)주파수가 훨씬 많이 떨어지는 거죠. 그래서 원자력이 있는 시스템에 재생에너지가 늘어나면 이제는 원자력이 없는 시스템과 비교해보면 주파수 안정도가 훨씬 나빠지는 것을 예제에서 알 수 있습니다. 그러니까 재생에너지와 원자력하고 같이 가자는 것은 맨 밑에 있는 노란색 곡선인데요. 이게 안 맞다는 거죠. 여기까지가 기본에 관한 설명이에요. 이 부분이 이해가 가시면 거의 반 이상 이해를 하셨다고 보시면 됩니다. 전혀 문제없죠?


이 상황에서 우리가 지금 100Mw가 증가하는 걸 얘기했는데, 만약에 똑같은 상황에서 발전기 하나가 고장났다고 가정하면,

이때는 10개 중에 1대가 떨어지고 나머지 9대가 분담을 하는 경우죠?

원자력 발전기의 또 다른 문제는 발전기 하나의 용량이 너무 크다는 데 있습니다. 원자력 발전기가 고장이나 사고에 의해 불시 정지하는 경우를 생각해 보겠습니다. 전력계통에서 주파수 안정도는 발전기 용량이 크고 작으냐에 따라 미치는 영향이 달라지겠죠? 예를 들어서 우리나라 발전기가 300대 돌고 있다가 한 대가 떨어졌다고 하면 1/300이 떨어진 거잖아요? 그런데 재생에너지가 많아져서 –재생에너지가 많아지면 발전기를 많이 꺼야 합니다- 그래서 발전기가 50대만 돌아요. 그러면 그 영향은 훨씬 더 크죠? 1/50이 떨어졌으니까. 나머지 49대가 커버를 해야 하니까 훨씬 열악한 상황이 되는 거죠. 이때 문제가 뭔가 하면 발전기 숫자가 줄어들수록 발전기 하나가 가지는 영향력이 점점 더 커지는 거예요. 만약 1000Mw 용량 50대가 남았는데, 이걸 500Mw 용량으로 대체하면 100대가 있으면 될 거 아녜요? 발전기 용량이 작은 500Mw 100대가 운전하는 경우하고, 1000Mw 용량 발전기 50대만 가지고 운전하는 경우를 비교하면, 1000Mw 50대 중에서 하나가 고장 나는 거 하고 500Mw 100대 중에서 하나가 고장 나는 거 하고 어느 것이 훨씬 더 안정적이냐 하는 문제가 생기는 거죠. 그래서 재생에너지가 많아지면은 남아있는 발전기 단위용량의 크기가 상당히 중요한 문제로 나타나는 거죠. 이게 발전기가 많을 때는 발전기 하나가 미치는 영향이 크지 않았기 때문에 문제가 안 됐었는데 재생에너지가 늘어나면 부하가 줄어들게 되고, 그래서 운전하는 발전기 숫자가 줄어들기 때문에 발전기 하나가 정지하는 영향이 점점 커지는 문제가 생기는 거죠. 현재 우리나라 원자력 발전기 1400Mw는 용량이 크기 때문에 재생에너지가 증가하는 시스템에서 그 영향이 점점 커지게 됩니다.

맨 위에 있는 패턴이 우리나라 봄철 전기 수요를 나타냅니다. 초록색이 재생에너지구요. 재생에너지가 낮에 늘어났다가 줄어들면 회색으로 표시된 기존의 발전기는 정지시키거나 출력을 줄였다가 올리는 운전을 해야 되는데요. 재생에너지 출력이 많을 때, 즉, 순수요가 가장 적을 때, 발전기가 불시 정지하는 경우는 재생에너지 발전이 적을 때, 즉 순수요가 많을 때보다 영향이 더 크게 나타납니다.

2030년도 발전기 패턴(일주일)을 컴퓨터 시뮬레이션으로 돌려봤는데요. 어느 발전기로 돌리는 게 가장 싼지 우리나라 전체 발전기 데이터를 다 넣어서 돌려봤어요. 맨 위가 전체 부하고요. 초록색이 재생에너지 출력인데요. 발전에너지가 발전해야 될 패턴이 회색으로 바뀝니다. 발전기를 껐다가 켰다가 하는데 토요일이나, 일요일은 돌아가는 발전기 숫자가 급격하게 줄어듭니다. 여기에서 만약에 오른쪽 그래프 주황색이 원자력인데 원자력이 이 주황색만큼 있다면 일요일에 발전기를 출력을 줄였다가 다시 출력을 올려야 되는데 출력을 제어할 수 있는 발전기 숫자가 적어지기 때문에 가능한 발전기 모두 출력을 최대로 조정을 해서 재생에너지 출력 변화를 못 따라가요.

그래서 이때 원자력을 끄는 거예요. 노란색이 복합발전기 출력인데요. 발전기 출력이 조금밖에 없는데 연계되어서 운전되는 발전기 대수는 확 증가하잖아요? 이 발전기들이 최저발전을 하면서 대기하고 있다가 출력을 올려야 할 때 급격한 이 슬로프를 가스발전기들이 다 힘을 합해가지고 출력을 내서 쫒아가는 거죠.

지금까지 말씀드린 내용을 정리하면, 원자력 발전기가 계통의 안정성에 영향을 미치는 것은 두 가지가 있습니다. 하나는 원자력발전기가 고장이나 사고로 불시 정지할 경우, 그 영향을 다른 발전기가 커버할 수 있느냐 하는 것이고, 나머지 하나는 태양광이 출력이 증가하다가 줄어들었을 때 다른 발전기가 출력 변화의 슬로프(slope)를 쫓아갈 수 있느냐 하는 것입니다. 그래서 계통을 운영하려면 이 두 가지 조건을 동시에 만족하는 조건이 되도록 발전기를 준비해서 돌려야된다는 것입니다. 그래서 원자력 발전기는 재생에너지와 같이 운영할 수 없다라는 이야기를 하는 것입니다.

2034년 9차 수급계획 운전 모의 결과를 보면, 2034년에는 재생에너지가 더 늘어나잖아요? 그래서 주말에는 원전을 다 꺼야되는 걸로 나옵니다. 2030년과 2034년만 하더라도 4년 동안 원전 운전환경은 급격하게 나빠진다는 것입니다.

2030년 저관성에서 발전기 2개가 탈락하면은 59.2Hz까지 가고요.

발전기 하나가 탈락하면 59.7Hz를 –이게 유지 기준입니다. 이 기준을 맞추지를 못합니다. 이 기준을 맞추기 위해서라도 문제는 출력을 줄일 수밖에 없는 그런 상황으로 가는 거죠. 사실 이게 핵심입니다.

이 시뮬레이션에서는 슬로프를 쫓아가지 못해서 원전을 꺼야 합니다. 즉, 이 두 가지 조건을 동시에 만족해야 하기 때문에 –원자력계에서는 “플렉서블(flexible)하게 만들면 된다”고 주장하지만, 예를 들어 우리가 프랑스 원전을 갖다 놓고 플렉서블(flexible)하게 만든다 하더라도 원전발전기가 1400MW가 탈락하면 최대용량 발전기 1기 탈락시 최저 59.7Hz이상으로 유지라는 조건을 만족시키지 못하게 됩니다. [111-4 관성저하로 인한 계통주파수 영향 검토]와 같이, 두 가지를 모두 만족시켜야 하죠. 하나는 발전기가 작아야 된다, 또 하나는 플렉서블(flexible)해서 순부하 증가를 쫓아갈 수 있어야 한다는 겁니다. 서로 다른 두 가지 조건을 동시에 만족시켜야 하는데 지금 계통에서는 원전이 만족시키지 못하고 있습니다.

◇ 이원영> 슬로프(slope)가 못 쫓아가면 어떻게 되는 거예요?

◆ 전영환> 못 쫓아가면, 수요가 있는데 수요만큼 발전을 더 해줘야되는데 못 해주면, 관성이 가지고 있는 운동에너지에서 에너지를 뺏기니까 속도가 줄어들지요? 못 쫓아가고 속도가 계속 줄어들어 버리면 발전기를 기계적으로 보호하기 위해서 발전기를 탈락시키게 되는데, 안 그래도 발전기가 모자라는데 탈락시키면 시스템 전체가 다 무너져 버리는 거죠. 그래서 실제로는 어떻게 운전하느냐면 주파수가 떨어지면 부하를 자동으로 차단해 버려요. 그럼 차단된 부하는 정전이 일어나는 거죠. 정전으로 갑니다. 이 조건을 만족 못 시키는 상황이 되면…

◇ 이원영> 만약에 그때 가서 원전을 올스톱 시키면 다른 에너지원을 통해서 공급시킬 수밖에 없는데 그때 다른 문제가 생길 소지는 없나요?

◆ 전영환> 심각한 문제가 생기죠. 그래서 지금 계획을 잘 해야 되는데 “야 이거 원전 못 돌려”그럼 다른 발전기를 준비해야 되잖아요? 돌릴 수 있게끔 다른 발전기가 준비돼야 하는데 -원전을 못 돌릴경우 다른 발전기가 돌아가야 하는데- 그 발전기를 준비해야 되는 그런 문제가 생기는 거죠. 원전을 껐다 켰다 운전하기 어려운 문제도 있고, 그렇게 운전하면 경제성이 떨어지기 때문에 원전을 퇴출하게 되면, 석탄이나 다른 발전기의 퇴출 시기가 늦어지게 될 겁니다. 그래서, 원전의 이러한 운전 패턴에 대해서 정확하게 이해하고 원전과 석탄의 퇴출 시기를 적절하게 조절해야 합니다. 원전을 생각할 때 원전은 기저기 때문에 “원전은 무조건 돌리고, 다른 발전기를 꺼야 된다”지금까지는 이렇게 해왔잖아요? 근데 재생에너지가 많아지면요, 원전이 기저가 아녜요. 기저는 재생에너지에요.

◇ 이원영> 기저가 재생에너지가 된다.

◆ 전영환> 기저가 재생에너진데 그전하고 달라진 게 뭐냐면 이 기저가 일정하게 출력을 못 내는 거예요. 기저가 막 흔들리는 거예요. 그러니까 기저가 흔들리니까 다른 발전기들이 출력을 조절해서 맞춰 줘야 되는데, 원전은 출력조절을 해서 맞춰주질 못하니까 원전 가지고는 같이 운전을 하기 힘든 거죠. 그러니까 원전을 빼고, 출력조절이 가능한 다른 발전기가 들어가야 된다는 거죠.

◇ 이원영> 다른 발전기는 출력조절이 가능하니까 재생에너지가 일정하지 않더라도 기저출력을 맟춰서 유연하게 적응할 수 있다는 말씀이죠?

◆ 전영환> 그렇죠. 재생에너지가 나올 때 많이 얘기하는 경직성 전원, 유연성 전원이라는게 뭔가 하면요, 기저가 흔들림이 많더라도 거기에 맞춰서 유연하게 조정을 할 수 있어야 된다는 겁니다. 끄고 켜기 쉽고, 출력을 올리고 내리는 속도가 빠른 발전기들이 많아야 안정적으로 운영을 할 수 있습니다.

◇ 윤순진> “재생에너지가 기저다”고 이야기 할 수 있는 건 무엇 때문이죠? 왜냐면 원전하는 사람들은 재생을 기저라고 인정을 안 하려고 하는데 말씀하시는 것처럼 재생에너지가 기저다라고 했을때는…

◆ 전영환> 우리가 기저라고 했을 때는 무조건 밑에 깔고 돌리는 거잖아요. 맨 밑에 까는 걸 그전에는 원전을 맨 먼저 깔았어요. 그다음에는 석탄을 깔았어요. 그게 왜 그렇게 했냐면 원전이 원료비가 젤 싸니까. 원자력이 연료 중에서 젤 싸니까 운전의 우선순위를 가졌습니다.

지금 재생에너지가 막 들어왔어요. 재생에너지가 들어오면, 풍력하고 태양광은 연료비가 없으니까 풍력, 태양광부터 우선순위를 가져야지요.

◇ 윤순진> 그렇게 되면 기저가 변동성이 있으니까 백업이 있어야된다고 얘기할 수도 있는데, 반드시 그래야 되는게 아니라 ESS 같은걸 같이 붙여서 가면 가스나 다른 발전원을 백업으로 갖고 갈 필요가 없을 수 있는 거잖아요. 100% 재생에너지를 생각한다면?

◆ 전영환> 그렇죠. 근데 지금 제일 문제가 돈이에요. ESS가 비싸요. 지금 재생에너지 문제에서 가장 핵심이 되는게 에너지 저장이라고 말씀을 드리는데 사실 변동성 생기는 걸 저장을 해버리면요, 변동성 문제가 없어지니까 훨씬 안정적으로 갈 수 있는 거죠. 현재 에너지 저장은 양수발전기하고 배터리 두 가지가 이용되고 있는데, 양수발전기는 건설에 한계가 있고, 배터리는 아직 경제성을 확보하지 못했습니다.

[11-12] 그래프 아랫부분이 양수를 펌핑한 부분인데 이 양수가 없었다면 운전할 수 있는 답이 나오지 않습니다. 이 경우, 양수발전기가 없었다면 재생에너지 출력을 잘라서 버려야 합니다. 컴퓨터 모의운전 결과에서도 저장하는 걸 최대한 가정해서 돌린 겁니다. 여기서 8시간씩 저장한 걸로 나오는데 양수발전기를 배터리로 대체한다면 비용이 엄청나게 나옵니다.

◇ 이상복> 배터리는 아주 유용한 ESS자원은 맞는데요. 예를 들어서 가정 단위, 모바일 기기를 충전하는 단위에서의 배터리는 아주 유용하게 쓸 수 있는데 대용량 장시간으로 쓰기에는 어마어마한 비용이 드는 대요. 1MWH를 구축하는데 지금 5억정도 듭니다. 그럼 예를 들어서 원전 하나에 1000MWH를 구축한다면 천문학적 비용이 들 뿐만 아니라 유지하는데 시간도 상당히 짧습니다. 배터리로 실제 저장해서 양수발전소처럼 7~8시간 장주기로 쓰기가 현실적으로 어려운 거죠. 그래서 배터리 기반은 기술적으로 상당히 제약이 많다고 이해하시면 될 거 같습니다.

◇ 윤순진> 그리드위즈(전력수요관리 분석업체)에 다녀왔는데 원전 두 개 분량 이상 커버 가능하다고 하더라구요.

◇ 이상복> 양적으로는 그렇게 할 수 있습니다. 중요한 건 시간입니다. 예를 들면 양적으로는 2000MW정도의 배터리를 쌓아놓고 동시에 가동시킬 수 있는데, 실제 유지시간은 얼마나 할 수 있느냐? 그리드위즈에서 하는 것은 피크쉐이빙(Peak shaving)입니다. 그러니까 낮에 전기를 많이 쓸 때 경부화때 저장했다가 잠깐 순간적으로 방전을 시켜서 수요를 충족하는 용도이구요. 실제 양수발전소처럼 장주기로 수요가 엄청나게 많이 변동이 생길 때 7~8시간 지속할 수는 없구요. 또 가장 큰 문제는 전력손실입니다. 배터리는 충전하고 방전할 때 직류교류를 왔다갔다하기 때문에 거의 20%대 손실이 나요.

◇ 윤순진> 그래서 제가 ‘기후위기 비상행동’에서 보면 -거기에도 기후위기를 너무나 심각하게 생각한다는 분들이 모여 있는데 거기 올라오는 걸 보면 “양수발전 결사반대” 하시는데 너무 안타깝고, 무슨 대안이 있는지 모르겠어요.

◇ 이상복> 사실 우리가 재생에너지를 확대하면 할수록 양수발전만큼 유용한 자원이 없어요. 왜냐하면 양수발전소 같은 경우는 물리의 힘을 이용하는 거잖아요. 위치에너지를 이용해서 아래쪽에 있는 물을 끌어 올려서 산 위에 저장했다가 그걸 낙차시키면서 쓰기도 하고, 요즘 같은때는 기술이 좋아져서 물을 펌핑할 때도 전기를 얼마나 쓰면서 펌핑할까도 결정할 수 있어요. 이걸 가변성 양수라고 합니다. 옛날엔 단순하게 물을 펌핑할 때 고정출력으로 전기를 쓰면서 길어 올렸다면, 지금은 전기를 얼마나 쓰는게 가장 이상적일까를 계산해서 양을 조절해서 펌핑 할 수 있거든요.

◇ 윤순진> 그래서 오히려 독일 같은 데서는 우리나라 보고 산이 많은 산악지대 국가라서 양수발전의 가능성이 높아서 굉장히 부러워한다 이런 얘기도 들었는데“양수발전 결사반대”“송전선 결사반대”이러니까 정신이 아득한 거예요. 이걸 어떻게 해야되나…

◇ 이원영> 양수발전은 그런데, 송전탑 문제는 어떻게 되는 거예요?

◇ 이상복> 양수발전소가 들어서는 입지가 보통 기존 대용량 송전설로에 -사람 혈관으로 치면 림프절 같은데다 주로 붓습니다. 양수발전소는 새로 송전설로를 구축하기 보다는 기존의 대혈관들이 있는 곳 중에서 가장 취약한 곳 요소요소에다 붙여놓습니다. 그래서 만약 대정전이 났을 때는 우리가 성냥불을 그어서 불을 내듯이 시동할 때 양수발전소도 씁니다. ‘블랙스타트’라고 하는데 그 상태에서 계통을 다시 되살리 때, 물을 낙차를 시키면서 전체계통에 기동을 거는 아주 유용한 거죠.

◇ 윤순진> 아니 근데 우리나라가 원자력이 많기 때문에 그거에 준해서 양수발전을 많이 준비하는 걸로 알고 있는데 지금 양수발전 용량이 어느 정도 되나요? 지난번에 이승호 박사님은 50기가까지 늘려야 된다고 하시더라구요.

◇ 이상복> 지금 4.7기가 그러니까 4700MW가 있구요. 적정량은 전영환 교수님께서 가장 잘 아실텐데요.

◆ 전영환> “많으면 많을수록 좋다”입니다. 우리나라가 양수할 수 있는 데가 제한적이기 때문에 할 수 있는 곳은 개발해서 다 하더라도 더 필요한 상황이기 때문에, 저는 양수 얘기하면 많으면 많을수록 좋다고 말씀을 드리는데 사실 쉬운 일은 아니죠. 그래도 우리나라는 산이 많잖아요. 양수를 할 수 있는 여건이 좋아요. 하고 싶어도 못하는 나라들이 많은데 단지 환경 때문에 양수를 반대하는 분들이 많은데 건설기간 한 10년 빼고 난 다음에 지금 양수발전소 가보시면 아시겠지만 있는 줄도 몰라요. 그리고 양수발전소를 위해 저수지에 저장한 물을 화재가 났을 때 소방수로도 쓰고 좋은 용도가 많이 있습니다. 사실 만들고 난 다음에 보면 소음도 없고 지하에 다 들어가 있기 때문에 좋은데 환경 하시는 분들은 결사반대를 하시더라구요.

이제 원자력계도 대충 인정을 하고,‘원자력 해야된다’던 경제학자들도 요즘은 그런 소리를 안해요. 이제는 못 돌리는구나 대체로 인정을 하는거 같애요. 앞으로는 어떤 문제로 가는가하면 지금 대형원자력발전기, 그다음에 우리나라는 주파수 속도제어가 안 되는 경직성 대형 원자력 발전소는 지어 봐야 이런 문제에 봉착하기 때문에 SMR을 요즘 많이 이야기 하거든요. 원자력계쪽은 SMR로 화두가 많이 갔고, 경제학자들은 예전에는 석탄만 좌초비용 얘기했는데 보니 원자력도 좌초비용이 많이 들어서 탄소중립으로 가기 힘들다는 방향으로 가고 있습니다. 논의가 조금 바뀌었어요.

◇ 이원영> 그렇다면 우리가 2034년을 기준으로 해서 그 이전에 기저전력의 개념을 완전히 바꿔버려야겠네요.

◆ 전영환> 그렇죠. 그래서 재생에너지가 증가하면은 -재생에너지가 쭉 들어오면은 석탄도 자동으로 빠질 수밖에 없고 원전도 그런 방향으로 갑니다.

◇ 이원영> 석탄은 더 일찍 죽일 수 있겠네요.

◆ 전영환> 석탄하고 원전하고 경쟁관곕니다. 그래서 석탄을 빨리 죽이면 원전이 좀 더 오래가고요. 원전을 빨리 죽이면 석탄이 좀 더 오래갑니다.

◇ 이원영> 그런 재미있는~ 오늘 많이 배웠습니다. 석탄하고 원전하고 경합관계에 있군요.

◆ 전영환> 서로 누가 빠지느냐 쟤를 빨리 죽이면은 내가 좀 더 사는데 지금 석탄하고 원전하고는 그런 관계에 있습니다.

해외에서도 설명하고 있는 게 재생에너지가 많이 들어와서 발전기 숫자가 줄어들면은 똑같은 상황에서 주파수가 많이 떨어진다는 게 나와 있습니다. 앞에서는 저희 연구실에서 예제를 가지고 시뮬레이션한 거고, 이것은 해외자료에서도 설명하고 있다는 같은 내용입니다.

그래서 발전기가 크냐 작으냐가 문제하고, 순수요의 변동 슬로프(slope)를 쫓아갈 수 있느냐 없느냐(경직성이냐 아니냐) 이 두 가지가 큰 문제입니다. 경직성은 그냥 제어하면 된다고 생각하는데 제어하더라도 크면 안 된다는 것을 같이 말씀드립니다.

작년 봄에 APR 1400MW짜리를 크기를 몇 가지 줄여서 운전한 적이 있는데요. 연휴때 수요가 줄어드니까 재생에너지가 많이 나오는 것과 똑같은 역할을 해요. 원자로는 똑같이 돌리는데 원전 하나가 탈락하면 주파수 유지기준을 만족시키지 못하는 거예요. 최저주파수 59.7Hz 밑으로 내려가서 발전기 탈락의 영향을 줄이려면 1500MW=>1200MW까지 줄여야 한다는 거죠. 단위발전기가 작아져야 된다는 문제가 우리나라도 작년부터 생겼는데요. 신고리 #5,6호기를 건설하고 있고, 신한울 #1,2호가 올해 들어오잖아요. 지금 신고리 #3,4가 1200MW로 운전하는 경우가 발생했는데, 신한울 #1,2호 신고리 #5,6호도 새로 들어오면 이렇게 운전해야 합니다. 이미 이렇게 줄이고 있는데 새로 들어오려고 하느냐는 거죠.

◇ 윤순진> 근데 지금 2020년대에 받아야 될 원전이 앞으로 10개 거든요. 그런데 원전의 총 용량은 좀 줄어들 거 같은데 들어오는 원전이 워낙 용량이 크니까 걱정입니다.

◆ 전영환> 그래서 단위용량이 큰 게 문제라는 거죠. 새로 들어오는 거는, 새로 지으면 좋다고 하는데 단위용량이 크니까 문제가 있다는 거죠.

◇ 윤순진> 대부분 지금 들어오는 것들이 1400MW죠.

◆ 전영환> 원전 숫자가 많아도 출력을 조정할 수 있도록 기능을 만들면 순수요의 슬로프는 쫓아갈 수 있어요. 그런데 단위 기기가 커버리면 한 대만 있어도 발전기 1기가 탈락할 때 최저주파수 유지 기준을 만족시킬 수 없는 상태가 돼버리는 거죠. 크기 때문에 생기는 문제죠.

[II-11]는 원자력 경직성으로 인해 슬로프를 쫓아가지 못해서 생기는 문제죠.

◆ 전영환> 조금 더 말씀드리면, 제주도도 똑같은 문제입니다. 제주가 16%에서 재생에너지 출력을 커테일(curtail)하고 있는데, 그 이유는 기본적으로 발전기 용량이 너무 커서 생기는 문제입니다. 150MW, 100MW짜리 발전기라 별로 안 크다고 할지 모르지만 제주도의 평균 수요가 653MW입니다. 수요가 육지계통의 1/100 이예요. 근데 발전기 크기는 1/10밖에 안 돼요. 육지로 치면은 발전기 하나가 원전 10배 되는 발전기가 돌아가는 거랑 마찬가지예요. 큰 발전기가 사고가 나면 계통에 미치는 영향이 크기까 재생에너지를 많이 수용을 못하는 거예요. 그래서 현재 16%에서 출력제한을 하고 있습니다. 근데 사실은 좀 더 따져봐야 하는데 시뮬레이션 한 것을 따져볼 수 있는 곳이 아무데도 없습니다. 제대로 운영되고 있는지 감독하는 기관이 있어야 합니다. 해외에는 제대로 하고 있는지 문제를 해결하려면 어떻게 해야 하는지 (감독기관이) 있거든요. 우리는 운영하는 사람이 이렇게 하고 있다고 하면 제대로 하고 있는지 않는지도 모른채 그대로 넘어가는 그런 상황에 있는 거죠. 그래서 지금 ESS도 달고, 동기조상기라고 발전하지 않는 터빈없는 발전기를 달기도 합니다. 관성에너지에 에너지 저장을 하는 버프역할을 하니까. HVDC를 증설하는데도 개선할 수 있는 양이 많지가 않아요. 그래서 근본적으로 바꿔나가야 하는데 수요패턴을 바꿔야 합니다.

옛날에는 수요가 일정한 모양이었다면 재생에너지가 많아지니까 순수요가 중간에 내려갔다가 올라오게 됩니다. 이걸 맞춰서 운전하는게 문젠데요. 재생에너지가 점점 더 많아지면 수요패턴을 소비의 유연성에 의해 균일하게 조정할 수 있으면 좋잖아요. 전력소비를 전기 요금이 쌀 때 많이 하고, 비쌀 때 적게 하도록 만들어야 하는데 -즉 전력시장에서 에너지 공급 상황에 따라 가격이 싸게도 나오고 비싸게도 나와야 하는데- 우리나라는 안 되어 있다는 점이죠. 그것뿐 아니라, 더 생각해야 할 점이 해오의 경험에서 일반 국민들은 전기요금에 반응하는 것도 제한적이라고 알려져 있습니다. 싸다가 비싸다가 하면 귀찮아하고 오히려 싫어하는 경향이 있습니다. 전기요금 때문에 바쁜 내가 신경쓰기 싫다는 사람도 있고요. 그래서 일반 소비자 대신에 전기 요금에 따라 소비를 조절하는 서비스 회사가 생겨야되는 거죠.

열 같은 경우는 쌀 때 저장을 해서 가정에 열을 공급하거나 가정용으로 배터리를 설치하는 데도 있어요. 지난번에 보니까 텍사스 같은 경우는 요금제에 따라서 배터리를 활용해서 안정화시키는 것도 가능하구요. 새로운 비즈니스가 수요를 유연하게 만드는 그런 쪽에, 예를들면 그리드위즈 같은 회사가 많이 생겨야된다는 거죠. 그렇게 하려면 제도부터 바꾸고 가야 되는데 지금 우리나라는 특히 시민단체가 전기 공공성을 이야기하면서 반대를 해서 큰 제약 중의 하나이고, 한전하고 산업부가 그렇게 하고 싶어하는 생각이 별로 없고요. 제일 큰 게 뭐냐면 정치권에서 노조 눈치 보는 겁니다. 한전 노조에서는 원캣코(one kepco)로 다시 가자고 주장하고 있고, 전력시장 개선 이야기가 나오면 무조건 반대를 합니다.


또 거론할 수 있는 문제 중 하나가 운영 계획을 하루 전에 계획하고 운영하고 있습니다. 실시간으로, 예를 들어 15분마다 예측하고 운영을 하는, 예측하고 운영하는 시스템을 갖추어야 합니다. 예측오차가 훨씬 줄어들거든요. 그렇게 할 수 있는 시스템을 갖추고 가야 하는데 현재 시스템이 안 되어 있고, 그렇게 가기에는 시간이 많이 필요하다는 것입니다. 지금 운영을 아주 잘하는 부분도 필요하고, 시장제도로 가서 가격신호를 가지고 수요 자체를 평탄하게 만드는 –수요쪽에서 반응이 나와야하는 비즈니스모델하고 같이 가야 한다는 점에서 전체적으로 많은 변화가 있지 않으면 재생에너지를 끌고 올라가는게 쉽지 않을 것입니다. 그런 측면에서 우려되는 점이 제주도는 작으니까 그런데, 육지에서 이런 문제가 생겼을 때 현행 제도로 쉽게 해결할 수 있겠느냐하는 점을 생각하면 부정적입니다. 왜냐하면 여러 가지 제도를 바꿔서 재생에너지가 본격적으로 들어오기 시작할 때 발생할 수 있는 문제를 대처해야 하는데, 지금 제도를 계속 유지하다가 계통에서 똑같은 이런 문제가 발생해 버리면 해결하기가 쉽지 않습니다. 재생에너지가 40%~50% 정도로 증가한 해외의 경우는 모두 시장제도가 다 활성화 되어 있거든요. 우리는 아무것도 안 되어있는 상황에서 계통운영 기술도 낙후되어 있는 상황이라 20%도 가기 힘든 상황인데 거기서 40%~50%까지 가려면 제도가 같이 가야 하는데 지금 환경단체 같은 곳에서 가지고 있는 여러 가지 주장을 보면 어렵겠다는 생각입니다.

재생에너지와 원자력발전을 보면 아까 말씀드렸듯이 발전기가 대용량인 문제와 경직성 문제가 있습니다. 이 두 가지 문제를 계통측면에서 한방에 해결할 수 있는 원자로로 SMR(small mudular reactor)이 거론되고 있습니다. 아주 작고 유연한 전원이면 되는데, 지금 개발하고 있는 미국, 캐나다에서는 여전히 비싸고, 안전하지 않다는 얘기가 있습니다, 전력계통 측면에서만 보면 대용량 원전을 끄는 대안으로 SMR(소형 모듈 원자로:Small Modular Reactor)을 얘기를 할 수 있지만, 경제성, 안정성 수용성을 해결해야 된다는 점에서 탄소중립을 위한 전원으로 기대하기는 어렵습니다.

그다음으로 원전 말고 안전성을 유지하기 위해 관성을 어떻게 확보하고 갈 거냐는 부분에서 수소터빈이나 동기조상기가 있는데요. 해외에서도 보면 재생에너지가 많아지면 관성이 부족하니까 관성을 확보하기 위해서 투자를 많이 하고 있습니다. 그런데 우리나라는 수소쪽에서 관성이 없는 연료전지를 계속 허가하고 있는데, 앞으로 전력계통에서 연료전지가 많은 문제를 야기할 것으로 생각됩니다.
그리고, 소비의 유연화를 위해 적은 돈으로 할 수 있는 방법으로 섹터커플링(sector coupling:열 공급과 수소의 공급)으로 같이 가면 좋겠다는 내용입니다. 제가 오늘 말씀드릴 내용은 여기까지입니다.

◇ 이원영> 감사합니다. 마지막에 평탄화와 관련해서 태양열에너지가 평탄화의 유연화에 유리하다고 들은 적이 있는데 이상복 기자님 어떻게 생각하시는지요?

◇ 이상복> 태양열은 기본적으로 우리나라 정도의 위도 국가에서는 난방용으로 쓰기도 상당히 힘들고요. 봄가을 온수정도 가능하고, 겨울에는 온수 정도도 쓰기 힘들어서 사실상 국내는 태양열 시장 자체가 자연소멸된 상태입니다.

◇ 이원영> 윤교수님 태양열 에너지를 전기로 만들어 쓰는 게 유리한 경우가 있다는 말을 들은 적이 있는데 혹시 들으신 적이 있으십니까?

◇ 윤순진> 일사량이 아주 풍부해야하지 않을까요?

◇ 이상복> 그건 CSP라고 해 가지고요. 사막지대에서 집광 -광을 모아서 모은 광을 통해 물을 끓여서 발전기 형태로 돌리는 것과 같은 태양열 발전이 있기는 있습니다.

◇ 이원영> 우리나라 같은 경우도 뜨거운 여름철 온도에서는 태양광 전기가 효율이 떨어지기 때문에 태양열 열로 만들어서 전기에너지로 치환하는게 유리하다고 주장하는 사람도 있더라고요.

◇ 이상복> 대구에서 한때 시험을 했었고요. [대성에너지]라는 곳에서 국가 국책과제로 소용량을 시험해 봤는데 국내에서는 경제성이 없는 것으로 이미 결론이 나왔습니다.

◇ 이원영> 네 그럼 아까 이상복 기자가 추가로 보완해서 자료도 올리셨는데 설명을 좀 해주시죠?

◇ 이상복> 네네 사진 첨부해 드린 것은 보시면 첫 번째 사진은 GE가 만든 가스터빈의 절개도입니다. 이렇게 어마어마하게 크고 무거운 발전기들이 같은 속도로 돌고 있는 거잖아요. 같이 도는 힘을 관성이라고 하거든요. 어떤 특정 발전기 하나가 고장이 나서 서도 나머지 발전기들이 고속으로 회전하니까 그 힘으로 좀 버텨주죠. 계통의 안전성을 높여주는 거죠. 양수발전 사진을 보시면 정상부에서 산을 깎아내니까 생태자원을 훼손하는게 아니냐고 생각하실수도 있고 실제 일부는 생태 영향이 전혀 없지는 않겠습니다만… 여기는 청평양수발전소입니다. 제가 고향이 가평이어서 가끔 청평양수발전소를 올라가 보는데 관광자원화 돼서 오히려 지역의 명소가 됐습니다. 지역에서는 서로 이런 자원을 유치하려고…

◇ 윤순진> 저도 곰배령에 갔었거든요. 거기도 양수발전소가 있더라구요. 어떻게 보느냐에 따라서 다를텐데 제 눈엔 풍력도 멋있던데 싫어하는 분들도 많으시더라구요.

◇ 이원영> 네 그럼 오늘 참석하신 분들 질의응답 시간 갖도록 하죠.

◇ 성재욱> 교수님 수업 잘 들었습니다. 한 가지 질문 있는데요. 프랑스 같은 경우는 원자력이 제어 가능하다고 하셨는데 그럼 프랑스는 원자력과 재생에너지가 같이 갈 수 있는지 궁금합니다.

◆ 전영환> 원자력발전기에 두 가지 문제가 있는데 하나는 크기고 하나는 유연성이라고 했잖아요. 프랑스가 유연성을 가지고 있기 때문에 유연성 문제는 없다고 치면 대형발전기가 하나 탈락했을 때 미치는 영향이잖아요. 유럽대륙은 사실 그 부분에서 자유로워요. 왜냐면 39개 나라가 계통이 연계가 되어있기 때문에 발전기가 하나 고장났을 때 연계되어있는 발전기가 물리적으로 구분되지 않아요. 유럽대륙 전체가 하나인 거죠.(전기에서 보면 프랑스, 독일을 구별하지 않아요) 그런 시스템에서는 발전기 하나가 고장 났을 때 미치는 영향이 크지 않아요. 그리드(grid)가 있어서 그리드에 붙어있는 발전소가 워낙 많기 때문에 대륙에 있는 발전기는 고장이 나도 연계가 되어 있어서 서로 에너지를 쉐어합니다.

◇ 이원영> 굉장히 좋은 질문을 했어요. 만약에 가정을 해서 그런 그리드가 작동하지 않는 우리나라와 프랑스를 비교해서 보여주면 아주 일목요연하게 설득이 될 거 같습니다.

◇ 박선아> 저도 강연 잘 들었습니다. 질문할 게 있는데요. 하나는 계통이 내륙이랑 두 개인데, 더 여러 개로 쪼개는 것은 경제적이지도 않고 기술적으로도 불가능한 건지 궁금한 대요. 왜냐하면 전국이 다 연결돼서 운영이 된다는 게 사실 더 어려운 게 아닌가 이런 생각이 들어서요. 또 하나는 발전사업을 허가할 때 한전이 기술검토를 한다고 알고 있는데 전력공급 계획이나 이런 데서도 문제 발생이 예측되는데 기술검토 과정에서 검토가 되고 있는지 궁금합니다.

◆ 전영환> 아까도 말씀드렸지만 제주 전력 계통에 문제가 있는 것은 만약에 제주하고 육지하고 AC선으로 연계를 시켜놓는다면 많은 부분이 해소가 될 거예요. 유럽도 대륙에 왜 계통 연계를 하겠어요? 작은 시스템이 운전하기 좋은 부분도 있겠지만 연계를 해서 얻는 이익이 훨씬 크다는 거죠. 유럽대륙은 기본적으로 연계되어 있는 발전기가 많기 때문에 발전기 하나 고장 났을 때를 대비한 예비력 이런 거를 유럽대륙은 신경을 안 써요. 우리나라는 조그만 계통이기 때문에 발전기 하나가 고장 났을 때 생기는 문제에 엄청난 돈을 쓰고 있어요. 만약에 우리 계통을 쪼개면 –발전기를 쪼개면 쪼갤수록 발전기 영향이 작아져야 돼요. 1000MW 용량이면 50MW짜리 발전기 20개를 가지고 운전을 해야지, 1000MW짜리와 500MW짜리 발전기 2개 이렇게는 운영 못하잖아요. 지금 우리나라 500MW짜리 발전기 엄청나게 많잖아요. 그러면 다 작아져야 되고, 작아지면 효율이 나빠지기 때문에 결론은 계통은 클수록 좋다입니다. 계통이 커지면 분명히 복잡해지고 운영이 어려워지는 부정적인 측면이 있지만, 어느 것이 좋은가 하는 것은 돈 문제가 가장 크죠. 어려운 거는 사람이 더 공부해서 해결하면 되는데 돈이 들어가는 부분은 달리 해결할 방법이 없으니까요.

기술적으로 우리가 해결해 온 방향을 보면 문제가 어려워지는 것은 신경을 안 쓴 반면에 돈이 적게 들어가는 방향이면 항상 그쪽으로 갔어요. 유럽대륙을 봐서도 그렇고 계통은 클수록 좋다 입니다. 만약에 우리가 중국계통과 AC로 연결할 수만 있다면 굉장히 행복합니다. 원자력발전기 큰 게 하나 떨어져도 주파수 절대로 안 흔들립니다. 중국 발전기를 우리가 쉐어하기 때문에. 근데 불행히도 영원히 연계가 안 되는게 중국은 50Hz라 주파수가 달라요. 러시아도 50Hz. 우리 한반도는 전력으로 항상 섬으로만 살아야되는 문제가 있어요.

◇ 이원영> 탈핵하기 딱 좋은 조건이네요.

◆ 전영환> 두 번째 질문 한전이 기술검토 하는게 아니고 거래소에서 해요. 계통운영 업무는 전력거래소로 다 넘어갔어요. 많은 분들이 한전이 다 하는 걸로 생각하시는데 운영에 대한 것은 거래소로 다 넘어갔습니다. 거래소에서 운영을 얼마나 잘하냐는 -앞으로 재생에너지가 엄청나게 넘어오는데 계통을 어떻게 안정화 시킬건지 기술적 정비 관리를 잘하는지는 의문이 있습니다.

◇ 이원영> 소윤미 박사님, 독일 상황하고 비교해서 궁금하신 점이나 말씀하실 거 없을까요?

◇ 소윤미> 제가 알기론 독일은 [넥스트 클라프트]같은 기업에서 전력중계사업을 실행 하고 있고, 전력유연성을 제공한다는 측면에서 소규모 내지는 중간규모 이상으로 전력중계가 도입되고 활성화돼야 된다는 생각을 가지고 있는데요. 저는 가지고 있는 생각이 DSO가 우리나라는 분리가 되어있지 않기 때문에 한전에서 송전소를 독점으로 가지고 있고 그런 면에서 여러 가지 스마트그리드나 마이크로그리드 같은 시험들이 어떻게 보면 반쪽짜리 시험이 되고 있다고 생각을 하고 있거든요. 제가 지금 새만금 재생에너지 관련한 과제를 진행하고 있는데요. 그쪽에서도 문제가 되고있는 것 중 하나가 3GW 정도 규모의 재생에너지를 개발하게 되면 추가로 송전선로를 놓아야되는 문제가 있습니다. 그렇게 되면 화력발전소를 건설하는 것과 재생에너지 발전소를 건설하는 것에 청정이라는 단어가 붙긴 하지만 비슷한 문제가 발생하거든요. 지역주민들의 희생이 따르기도 하고요. 그런 면에서 봤을 때 지역공기업이 생겨서 DSO 역할을 해 주는게 좋지 않나라는 생각이 있습니다.

◇ 이원영> 네. 다음에 한번 새만큼 주제를 놓고 토론을 하도록 하기로 하고요. 원전관련 전력계통 문제, 기저전력의 의미, 2034년 오늘 중요한 키워드들이 많이 나와서 소화하는데 시간이 많이 걸릴거 같습니다. 공부를 엄청나게 해야 할 거 같네요.

감사합니다.



카테고리:06월

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