2015년 파리협정 채결로 세계적인 온실가스 저감 노력이 강화되고 구체화되면서 에너지 부문, 특히 발전 부문에서의 대대적인 발전믹스변화가 요구되고 있다. 이는 전 세계 탄소배출량 중 약 1/3 가량이 전력 부문에서 발생하기 때문이다. 따라서 우리나라가 파리협정에서 약속한 2030년 BAU 대비 37% 감축을 달성하기 위해서는 대대적인 발전믹스 변화가 불가피한 실정이다.
세계적으로 이러한 저탄소 발전믹스로의 변화는 풍력과 태양광을 중심으로 한 신재생에너지가 담당하고 있다. 2000~2014년 기간 동안 원자력발전시설은 20GW가 늘어나는 데 그친 반면, 풍력과 태양광은 각각 355GW, 179GW가 증가했고, 이 속도는 더 가속화되고 있는 추세이다. 원자력 발전은 온실가스배출 저감과 높은 경제성이라는 뚜렷한 장점이 있지만, 객관적으로 산정되지 못하는 사회적 갈등비용, 잠재적 위험비용, 폐기물처리비용, 폐로 비용 등을 고려했을 때도 과연 비용효율적인 발전원인지에 대한 이견이 대두되고 있으며, 이런 이유로 인해 2000년 이후로 미비한 증가를 보이고 있다. 반면 신재생에너지는 세계적으로 온실가스 저감에 대해 가장 이견이 없고 적극적인 방안으로써 풍력과 태양광이 주요 발전믹스 원 중 하나로 부상했으며, 발전부문에서 신재생에너지의 비율증가는 점점 강화되고 있다.
반면 세계적인 추세와 달리 우리나라의 신재생에너지 보급 실적과 목표는 선진국 수준과 비교해 많이 뒤처지는실정이다. ‘제7차 전력수급계획’에 따르면 2029년까지 풍력은 8.1GW, 태양광은 16.6GW 수준으로 보급할 것으로 나타나는데, 이는 2029년 총 전력 발전 설비 “제7차 전력수급계획”상에 발표된 2029년 총 필요 발전 설비 : 136,533MW, 대비 각각 5.9%, 12.2%으로 선진국들과 비교 시 매우 미진한 수준이라 할 수 있다.
현재의 낮은 신재생에너지 보급 목표를 높이려는 노력과 함께, 신재생에너지가 높은 수준으로 보급이 되었을 때 전력시스템의 안정성(Reliability)을 해치지 않으면서 안정적으로 관리, 운용 할 수 있는지에 대한 고민도 본격적으로 필요한 시점이다. 풍력과 태양광과 같은 신재생에너지원은 변동성 재생에너지(Variable Renewable Energy)로 우리가 필요할 때 필요한 만큼 만들어 쓸 수가 없고, 높은 변동성과 불확실성을 가지기 때문에 전력시스템의 신뢰성과 안정성을 저하시킬 수 있다. 그렇기 때문에 발전 부문에서 점점 높아지는 변동성 재생에너지가 전력시스템 전반에 미치는 영향을 선제적으로 분석하고, 체계적으로 운용할 수 있는 방안을 강구하는 것은 변동성 재생에너지의 본격적인 보급에 앞서 꼭 선행되어야 하는 연구이다.
하지만 국내에는 아직 변동성 재생에너지의 불확실성(stochastic characteristics)을 고려해서 전력시스템에 미치는 영향을 종합적으로 분석을 할 수 있는 모형이 미비한 실정이다. 기존의 WASP이나 M-Core와 같은 모형들은 장기적인 전력 수급관점(long-term capacity planning)에서 재생에너지를 결정론적(deterministic) 정보로 처리해서 전력시스템 분석에 중점을 두고 있는 반면, 미시적인 전력시스템 운용관점(short-term operation planning)에서 변동성 재생에너지의 불확실성을 고려하여 전력시스템의 안정성 및 경제성에 대한 종합적인 분석을 할 수 있는 보편화된 모형이 국내에는 아직 없다.
본 연구에서는 변동성 재생에너지의 사실적인 전력시스템 영향 분석이 가능한 Multi-Period Super Optimal Power Flow(MPSOPF)라는 모형을 이용하여 국내 전력시스템에서 2029년 수준의 풍력과 태양광이 보급됐을 경우 전력시스템의 안정성과 경제성에 어떤 영향을 미치는지에 대해서 분석하였다. 이 모형은 미국의 지역별 전력시스템 운영기관인 ISO(Independent System Operator)들이 미시적인 전력운용계획을 세울 때 사용하는 안전도제약 최적조류모형(Security-Constraint Optimal Power Flow)의 일종으로 변동성 재생에너지의 불확실성을 반영할 수 있고, 최근 Smart Grid 요소들인 ESS, 전기차 등도 함께 분석할 수 있도록 보다 진화된 모형이다.
본 연구에서는 MPSOPF 모형을 기반으로 하여 한국 전력시스템 모형을 구축하고, 변동성 재생에너지의 대표원인 풍력과 태양광이 한국 전력시스템에 얼마나 큰 안정성 저하를 야기하는지, 이를 해결하기 위해서는 어떤 비용이 발생하는지, ESS를 이용해서 이 변동성 재생에너지의 안정성 저하 문제를 해결하는 것은 어떤 경제적 합리성을 가지는지 등에 대한 영향을 종합적으로 분석 하였다.