■ 특별기고양 병 모  공학박사(DNV Korea-Energy Systems,본부장)
현재 국가온실감축(NDC) 상향, 2050 탄소중립 실현 등 에너지 및 산업 부문에서 큰 환경변화가 탈탄소 친환경 에너지 전환을 빠르게 진행됨에 따라, 기후위기 대응을 위한 탄소중립 사회로의 대전화에 대한 세계적인 흐름에 능동적이고 유연하게 대체하고자 한국의 정부 및 산업계 모두가 선도하고자 도전적인 많은 과제를 해결하고자 노력하고 있는 것으로 알고 있다.
그중에서도 현재 전력망은 송전선로 건설 여건 악화, 모든 산업부문별 전전화 (화석연료 전기로 대체) 확대로 전력 수요의 지속적인 증대, 지속적인 탄소중립 대전환을 위한 원자력 지속운전과 재생에너지 보급 증대로 안정적인 게통 운영 도전에 직면하고 있다고 알려지고 있다.
2023년 4월 13일 전기의 날 기념 특별포럼에서 한전은 “2050 탄소중립 실현을 위해서는 향후 30년간 지난 60년 동안 구축한 전력망의 2배 수준의 추가 전력망이 필요하고 수요 분산화 정책, 계획입지 도입, 투자 효율와 등이 뒷닫침돼어야 한다.”고 언급했다.
그래서 본 기고에서 현재 이슈가 되고 있는 2050 탄소중립 실현을 위한 안정적 전력망에 대한 도전을 해결하고자 노력하고 있는 전세계 에너지 종사자(생산자, 개발자, 전문가, 전력회사 등)들의 시사점을 공유함으로써, 국내 전력망관련 도전에 조금이나마 도움이 되었으면 한다.
“전력망은 에너지 전환의 요구를 지원할 준비가 되어 있습니까? 미래의 전력망은 현재와 어떻게 다를까요? 새로운 에너지 믹스에 맞게 전력망을 변화시키는 데 관련된 큰 과제는 무엇입니까?”
미래 전력망에 대한 시사점을 얻고자, DNV에서는 2022년 5월 전세계 400 여명의 에너지 업계 전문가 및 영향력이 있는 임원급을 대상으로 설문 응답을 시행했다.
학력 : 
    연세대학교(공학박사)
이력 :
      DNV Korea-Energy Systems,본부장(’21-현재)
     DNV GL Korea-Energy,
     지사장(’19-’21)
    한전전력연구원(‘97-’14)

1. 시급하고 복잡한 에너지 변화 도래
전력 혁명
오늘날 고도로 중앙 집중화된 단방향 모델인 전력망은 엄청난 규모와 복잡성을 가지고 기후변화와 탄소저감에 따른 시대적 의무에 따라서 시급하게 해체되고 재창조되고 있다. 특히 수십 년 동안 비교적 안정적이었던 산업계의 경우, 이는 커다란 도전이 될 수 있다. 영국의 에너지 규제 기관인 Ofgem의 정책 관리자 플로렌스 실버(Florence Silver)는 “우리는 너무나도 오랜 세월에 걸친 점진적이고 반복적인 변화를 겪었지만, 이제는 어떠한 질서정연한 반복도 어렵게 만드는 속도로 변화하고 있습니다.”라고 말했다.
청정에너지 발전과 산업의 탈탄소화에 많은 관심과 투자, 정책의 초점이 맞추어져야 하지만 전력망의 역할이 과소평가되고 오해를 받기도 하며, 이는 궁극적으로 파리협약의 목표를 뒷받침할 수 있을 만큼 빠른 에너지 전환의 실패로 이어질 수 있다. 유럽과 다른 많은 지역들은 앞으로 몇 년 동안 전력망에 엄청난 스트레스를 받게 될 것이라고 Alliander의 최고 에너지 전환 책임자이자 이사회 멤버인 Daan Schut는 말했다.

새로운 시대를 위한 전력 인프라
2050년까지 70%의 전력이 풍력 및 태양광 발전에서 공급될 것이며, 이에 비해 오늘날 약 10%가 공급될 것이다(https://eto.dnv.com/2021/highlights/energy-transition-outlook). 도시화, 인구 증가 및 경제 성장으로 에너지 수요가 증가하고 있으며, 이 중 대부분은 전력으로 충당될 것이다(https://eto.dnv.com/2021/highlights/energy-transition-outlook/electricity). 실제로 DNV는 향후 30년 내에 전력이 최종 세계 에너지 수요의 20% 미만에서 거의 40%로 두 배 증가할 것으로 예측하고 있다.
400명 이상의 고위 에너지 업계 리더, 전문가 및 전문가를 대상으로 실시한 설문조사에서는 미래의 에너지 믹스를 지원하기 위한 그리드 인프라 개발과 관련된 장벽과 가능성에 대해 조사했다. 조사 결과에 따르면 변화하는 에너지 믹스에 적합하고 신속하게 구축할 수 있는 유연성을 갖춘 보다 스마트하고 대용량의 그리드를 구축해야 할 필요성에 대해 분명한 일치를 보였다. (DNV 조사의 에너지 리더와 전문가 대부분(87%)은 전력망에 대한 투자 확대가 시급하다고 말합니다. 3/4(76%)은 전력망 인프라가 재생 에너지 공급원을 수요가 많은 지역에 아직 충분히 연결할 수 없다고 말합니다. 응답자 10명중 9명 이상(91%)은 전력망 확장 및 업그레이드가 기후 목표 달성에 매우 중요하다고 말합니다.)

불확실성을 통한 전력망 구축
하지만 이러한 광범위한 합의를 넘어서, 그리드 시스템과 시장 참가자들의 역할이 어떻게 진화해야 할까요? 많은 참여되고 있는 에너지 자원에서 미래 전력망의 이해 관계자들 간의 접점과 인계 지점은 어디일까요? 에너지 시스템은 파괴되고 있으며, 파괴가 있는 곳에는 항상 불확실성이 존재한다. “위험은 우리가 세기에 한 번 있을 수 있는 규모의 변화에 직면하고 있고, 잠재적으로 전체 전력 부문을 뒤엎고, 많은 돈을 쏟아붓고 있다는 것이지만, 우리가 무엇을 향해 건설하고 있는지에 대한 긍정적이고 상세한 관점은 불충분합니다.”라고 Strategen의 Mark Paterson은 말했다.
그러나, 불확실성에도 불구하고 업계에서는 그리드 확장 및 업그레이드가 계속되어야 한다는 점을 인식하고 있다.
그리드 용량 확장은 오늘날 가장 중요한 우선순위이며, 특히 유럽의 응답자들과 송배전 분야의 응답자들에게 특히 중요하다. 5년 후에는 더욱 중요해질 것으로 예상되며, 특히 아시아 태평양 및 북미 응답자들로부터 그 중요성이 크게 증가할 것으로 예상된다.

더 빠른 에너지 전환에 대한 장벽
전력망의 가장 큰 장벽은 기술적인 것보다는 사회정치적인 것이다. 설문 응답자들에 따르면 더 빠른 에너지 전환의 가장 큰 장벽은 정책(또는 정부) 지원의 부족이며, 그 다음으로는 기존 그리드 인프라의 용량 제약이다. 용량제약을 극복하는 것은 다시 정책적인 장벽, 즉 허가 확보의 어려움과 대중의 반대나 저항에 의해 종종 저지되고 있다.
사회 정치적인 문제들은 전력망 프로젝트들이 국제적인 국경들을 가로지를 때 종종 심화되고 있다. 가장 어려운 부분은 기술적인 표준들을 서로 맞추는 것이다. 동기화는 종종 간단한 전기적인 문제라기 보다는 정치적인 문제로 보여진다.
전체 응답자의 18%는 공급망 부족을 에너지 전환 속도가 빨라지는 세번째 장벽으로 꼽았으며, 북미 지역의 경우 이보다 상당히 높은 29%를 기록했다. 미국에서는 최근 미국 에너지부가 발표한 ‘13개 심층 에너지 공급망 평가’에서 반복되는 주제인 국내 제조 역량 부족에 대한 우려가 상당하며, 여기에는 대형 전력 변압기와 고전압 직류(HVDC) 인프라 등 ‘중요 부품’ 분석이 포함되었다.
마찬가지로, 에너지 업계의 많은 사람들이 빠르게 변화하는 중요한 인프라를 규제하는 과정에서 발생하는 문제들을 충분히 이해하지 못할 가능성이 높다. 더 많은 협업과 공동 개발은 규제 당국과 업계 참가자들이 서로 다른 방향으로 움직이고 있는 지역에서 이러한 문제들을 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
규제당국은 변화에 대응하고 진화하고 있지만, 급속한 변화를 추구하는 노력과, 그리드의 안전성과 안정성을 유지해야 하는 필요성 사이에는 언제나 자연스러운 긴장이 존재할 것이다. “전력망은 국가적으로 매우 중요한 기반시설이며, 실수는 문자 그대로 치명적인 영향을 미칠 수 있다는 사실과, 혁신하고 변화를 가속화하고자 하는 우리의 열망 사이의 균형을 맞출 필요가 있습니다.” Ofgem의 Florence Silver는 말했다.
유럽 연합은 역내 더 큰 에너지 위기의 위협에 대응하기 위해 규제 당국과 산업계의 민첩성을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 2022년 5월 지침은 회원국들이 재생 에너지 생산 확대를 지원하기 위해 장기적인 그리드 계획과 투자를 시행하고, 결정적으로 행정 절차, 환경 평가, 허가, 그리드 연결 및 기타 관련 절차에 대한 보다 신속하고 간소화된 절차를 수립할 것을 요구했다.

2. 기발함과 새로운 아이디어
혼잡, 복잡성, 불확실성, 정책, 관료제, 공급망 등 미래의 전력망을 성공적으로 구축하는 데는 어려운 도전과 장벽이 있지만 긍정적인 이유가 있다.
새로운 협업과 인간의 창의력은 새로운 아이디어, 해결책 및 가능성으로 이어진다.
설문 조사 응답자들에게 성공적으로 속도, 품질, 안정성 및 비용 사이에서 균형을 이룰 수 있는 성공적인 에너지 전환의 가장 강력한 원동력이 될 것으로 기대하는 것이 무엇인지 물었다.
스마트 그리드, 신에너지법, 자동화, 새로운 규제, 라이센스/허가 개혁 등이 가장 높은 선택이었다. 이는 본질적으로 기술과 거버넌스에 대한 우선순위를 반영하며, 이를 입증하고 있다. 이 두 가지 기본 축이 어떻게 함께 변화를 조정하고 지원해야 하는지에 대해 설명하고자 한다.

거버넌스와 혁신이 공존해야 함
규제 당국은 이 두 가지 축 모두가 서로를 압도하지 않도록 노력하고 있습니다. “우리는 공정한 경쟁의 장이 마련되기를 원합니다. 좋은 솔루션을 개발하는 회사들은 시장에 진입하여 기존 기업들과 공정하게 경쟁할 수 있어야 합니다. 기존 대기업들이 너무 많은 지배력을 보유하고 있기 때문에 새로운 혁신이 원천적으로 봉쇄되는 시나리오를 원하지 않을 것입니다. 과제는 의도하지 않은 부정적인 영향을 끼치지 않고 그러한 장벽을 찾아 제거하는 것입니다.”라고 Ofgem의 Florence Silver는 말했다.
이러한 장벽을 제거하는 것은 기존 기업과 새로운 시장 참여자들 간의 협력 및 국경 간 협력에 달려 있다. 이러한 일이 이미 유럽 내에서 어느 정도 일어나고 있고 미국에서도 변화가 시작되고 있지만, 협업과 공유 혁신이 가져올 수 있는 진정한 이점을 실현하기 위해서는 더 많은 노력이 필요하다.

유연성 문제
미래의 전력 시스템은 신중하게 균형을 유지해야 한다.
재생 에너지의 변동성을 관리하기 위한 수요 및 공급. 이를 유연성(flex)이라고 한다. 이러한 유연성 요구를 제공하는 주요 솔루션은 발전 관리, 수요측 관리, 그리드 커플링 및 에너지 스토리지 등 4가지이다. 각 솔루션은 에너지 스토리지를 포함하여 서로 다른 시점과 시간대에서 수행해야 할 역할을 가지고 있다.
DNV 조사에 따르면 향후 5년간 에너지 저장 용량이 가장 빠르게 증가할 것으로 예상되는 우선순위는 건물 에너지 저장 용량이다. 이는 에너지 저장이 미래의 전력 시스템을 구축하는 데 있어 가장 큰 문제들을 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문이다.
가장 빠르게 증가하는 에너지 저장 용량은 유틸리티 규모의 단기 배터리 저장이다. 현재 리튬 이온 배터리가 최고의 기술 선택이며 이 배터리들은 몇 가지 중요한 역할을 할 것이다. 배터리를 송배전 그리드에 통합하는 것은 몇 가지 간단한 이점이 있다. 세계 은행의 John Irving은 “배터리의 장점은 어디서든 1,000 마일 떨어진 곳에 위치할 필요가 없다는 것입니다.”라고 말했다. “부하가 어디에 있든 도시 한가운데에 위치할 수 있습니다. 사실, 최고의 저장 시스템에는 네트워크 전체에 흩어져 있는 수 많은 더 작은 배터리가 있어야 합니다.”
배터리는 미래 전력망의 가장 큰 과제 중 일부를 관리하는 데도 중요한 역할을 할 것이다.
Statkraft의 그리드 관리자 Guy Nicholson은 “시스템에 많은 배터리 스토리지가 있어 주파수 응답을 제공하는 것이 더 쉬워질 것입니다.”라고 말했다. “이와 비슷하게, 현재 시스템이 필요로 하는 예비 전력(예찰 오류 또는 발전기/인터커넥터 트립의 경우)은 주차된 모든 EV를 포함하여 미래에는 훨씬 더 많은 스토리지로 쉽게 관리될 것입니다. 따라서 화석 발전소에서 별도의 예비 전력이 필요하지 않게 될 것입니다.”

더욱 스마트해진 송전
많은 국가들에서 계획 허가와 대중의 반대에 관한 문제들은 송전선을 건설하는 것을 극도로 어렵게 만들고 있다. 동시에, 풍력과 태양 에너지를 모으기에 가장 좋은 장소들은 종종 수요 센터들로부터 멀리 떨어져 있는데, 이는 새로운 발전소들이 연결될 수 없거나, 이러한 새로운 부하들이 기존의 송전선들 위로 옮겨져야 한다는 것을 의미한다.
가상 전송선로는 SATA (Storage as a Transmission Asset) 프로젝트의 한 예이다. 이 경우 배터리는 규제 목적의 전송 자산으로 취급되어 공익 사업자가 인센티브에 접근하고 투자 수익률을 보장받을 수 있다. Volts 팟캐스트의 표현에 따르면 “일부 스토리지를 법적, 재정적, 운영적으로 전송 시스템의 일부처럼 취급할 수 있습니다.”
응답자의 약 58%는 향후 1년 내에 배터리 스토리지 시스템 통합에 대한 투자를 늘릴 것으로 예상한다. 이를 통해 상업용 태양광 통합(49%)과 전기차 인프라(49%)가 상위 3개 분야에 포함되는 등 투자를 다소 늘릴 수 있는 가장 인기 있는 분야가 되었다. 물론 세 가지 모두 스토리지와 연결되어 있으며, 2050년까지 전체 그리드 연결 전력의 12%를 공급할 것으로 예상되는 새로운 에너지 믹스에서 솔라플러스 스토리지가 주요 역할을 할 것으로 예상된다. 그리고 Vehicle2Grid 개발에서 전기차 인프라의 역할도 담당한다.

새로운 시장의 역동성을 위한 솔루션
또한, 대규모 배터리 저장 시설을 민간, 비 유틸리티 기업이 소유하는 새로운 과제들도 있다. 이러한 사업체들은 에너지 시장에서의 거래를 통해 이익을 얻을 수 있으며, 이는 연결된 그리드 전반에 걸쳐 가치 있는 시장 효율성을 창출할 수 있다. “그러나 이것은 네덜란드에서 다음 번 혼잡 문제의 근원이 될 것입니다.”라고 Alliander의 Daan Schut는 말합니다. “유럽 에너지 시장의 상황이 옳다면, 200MW 또는 300MW 배터리 중 1개, 2개, 또는 그 이상이 갑자기 그리드에 유입되어 부하 문제가 발생할 수 있기 때문입니다. 우리는 현재 배터리가 그리드의 부하를 증가시키는 것보다 더 많이 줄이도록 보장하는 데 도움이 될 수 있는 규정과 관세에 대해 작업하고 있습니다.”
전력망에서 일어나고 있는 모든 변화와 마찬가지로 시스템의 물리적, 운영적, 디지털, 시장 및 규제 계층에서 상당한 변화가 필요하다. Strategen의 Mark Paterson은 “에너지 저장과 같은 특정 기술에 막대한 양을 투자할 수 있지만 물리적 및 규제적으로 일부 중요한 시스템 문제를 해결하지 않았기 때문에 전체 사회적 가치를 실현하는 데 실패합니다.”라고 말했다. “고도로 중앙 집중화된 화석 연료 기반 시스템에서 분명하게 나타나지 않았던 이러한 숨겨진 구조적 문제는 이제 전력 시스템의 모든 부분에서 에너지 저장의 ‘가치 스택’이 완전히 해제되는 것을 막습니다.”

국가간 슈퍼그리드
HVDC 슈퍼그리드는 빠르게 부상하고 있는 또 다른 에너지 전환을 가능하게 하는 요소이다. 예를 들어, 호주에서는 Sun Cable이 싱가포르 전력 수요의 최대 15%를 충족시킬 5,000km 송전 시스템에 연결할 “세계 최대 규모의 태양광 발전소 및 배터리 저장 시설”을 개발하고 있다. HVDC 슈퍼그리드의 장점은 국경 간 에너지 무역과 관련된 주요 과제 중 하나를 옆으로 비켜간다는 것이다. “슈퍼그리드는 HVDC를 사용하기 때문에 국가 간 그리드 동기화에 대해 걱정할 필요가 없습니다.”라고 World Bank의 John Irving은 말했다. “양쪽 끝에는 제어 가능성이 높은 인버터가 있어 보안 버퍼를 제공합니다. 예를 들어, 범아랍 지역의 경우 사우디아라비아 시스템은 60Hz인 반면, 인접한 다른 국가들은 모두 50Hz에서 작동합니다. 서로 정렬할 수 있는 방법은 없지만, 여전히 HVDC와 상호 연결할 수 있습니다. 슈퍼그리드는 아래의 HVAC 시스템 위에 놓여질 HVDC 백본과 같습니다.”

데이터 가시성(Visibility) 및 보다 스마트한 사용
업계는 당연히 물리적 인프라에 대한 투자와 관련 문제에 초점을 맞추고 있다. 디지털 기술을 활용하는 것은 종종 부차적인 고려 사항이지만, 훨씬 더 많은 관심과 투자를 받아야 한다.
“예를 들어, 데이터와 소프트웨어를 더 잘 활용하여 데이터와 소프트웨어가 나타나는 위치를 식별함으로써 기술적 손실을 줄일 수 있습니다. 유럽에서 발생하는 기술적 손실을 1%포인트 줄이는 것은 발전소 10기를 절약하는 것과 같습니다. 소프트웨어를 사용하여 안전 한계를 보다 역동적으로 관리함으로써 기존 인프라로부터 훨씬 더 많은 것을 얻을 수 있다는 것을 알게 되어 인프라 투자의 필요성을 줄일 수 있습니다. 그리드를 보다 지능적으로 관리함으로써 운영 중단을 피할 수 있습니다. 구리와 콘크리트 없이도 서비스 품질을 높일 수 있습니다.”라고 Siemens의 CEO인 Sabine Erlinghagen은 말합니다.
Ofgem의 Florence Silver는 “스마트한 사람들에게 필요한 데이터를 제공하면 영리하고 흥미로운 솔루션을 설계할 수 있을 것이라고 믿습니다.”라고 말했다.
프로슈머 시스템과 소규모 스토리지가 성숙해감에 따라, 지역 최적화에도 엄청난 잠재력을 발휘하여 지역 내에서 수요와 생산을 최대한 일치시켜 더 넓은 그리드 자산에 대한 부하를 줄일 수 있을 것이다. 이 또한 자동으로 유통망 운영을 최적화하는 소프트웨어에 의존하게 될 것이다.
그러나 이와 같은 소프트웨어 솔루션은 많은 것을 필요로 한다.
현재 존재하는 것보다 더 큰 가시성과 데이터 공유가 필요하다. Florence Silver는 “사람들은 그리드를 위한 유연한 솔루션과 혁신을 설계하기 위해 네트워크의 가시성이 필요합니다.”라고 말합니다. “고객은 어떤 자산이 어떤 방식으로 연결되어 있는지 알아야 합니다. 고객은 자신만의 사용 사례를 설계하고 테스트해야 합니다. 정보에 입각한 결정을 내려야 합니다. 이는 운영자들이 상호 운용 가능한 표준화된 데이터를 공유하도록 보장하기 위해 공통 정보 모델에 의존합니다.”
Sabine Erlinghagen도 상호 운용성과 데이터 교환 프로토콜 표준화의 중요성을 강조한다. “상호 운용성은 데이터 중심 혁신의 성공에 중요하지만, 운영자가 한 벤더에 머물지 않고 여러 벤더의 모듈을 추가하고 API를 통해 자체 사용자 정의 및 인터페이스를 만들 수 있도록 개방적이어야 합니다. 이를 통해 DSO와 TSO는 훨씬 더 빠르게 혁신할 수 있는 자유를 얻을 수 있습니다.”

3. 결론: 더 빠른 진화
2022년 지정학적·경제적 혼란에도 불구하고 응답자의 74%는 에너지 전환이 가속화됐거나 (45%), 둔화되지 않았다고(29%) 생각했다.
전 세계 대부분의 지역에서 변화 속도가 시급히 증가할 필요가 있고, 10년 이상 에너지 전환이 전개됨에 따라 지속적인 발전이 필요하고, 전력산업은 지속적인 진화의 시대에 있다.
에너지 전환이 업계가 변화를 환영해야 하는 유일한 이유는 아니지만, 전 세계의 전력망이 노후화되어 있으며, 에너지 전환은 인프라가 더 악화되기 전에 업그레이드, 교체 및 확장을 제공하는 데 도움이 될 것이다.
금융 기관들은 에너지 전환을 이행하는 프로젝트, 자산 및 조직에 대한 자금 지원에 점점 더 전념하고 있다. 청정 에너지 투자는 20202년 이후 매년 12%씩 성장하여 2015년 파리 협정 이후 5년 동안 매년 2%씩 증가했다.
필요한 투자의 규모와 범위가 방대하다는 것은 여전히 충분하지 않다는 것을 의미하지만, 자금 지원은 분명히 증가하고 있으며, 상당 부분이 재생 에너지 및 그리드로 흘러가고 있다.