[재생 가능 에너지 도입 확대와 스마트그리드] 태양광발전의 대량 도입과 기술 과제

게재월 | 2014 - 01 조회144948 추천0

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태양 방사 에너지를 태양전지를 이용해 직류 전력으로 변환한 다음, 이를 파워컨디셔너를 이용해 교류로 변환하는 태양광 발전 시스템(PV)은 지구온난화 문제의 해결책으로 기대를 모아 왔다. 특히 동일본 대지진이나 그로 인한 원자력발전소 사고 이후에는 클린 에너지로서 PV에 거는 기대가 한층 높아졌다. 이 글에서는 PV를 대량 도입할 경우의 기술 과제에 대해 에너지 취득면, 전력시스템에 미치는 영향 두 가지 측면에서 검토한다.


태양 방사 에너지를 태양전지를 이용해 직류 전력으로 변환한 다음, 이를 파워컨디셔너를 이용해 교류로 변환하는 태양광 발전 시스템(이하 PV, 그림 1 참조)은, 지구온난화 문제에 대한 대응 등의 면에서 최근 기대를 모으고 있다.


▲그림 1. 태양광발전 시스템의 개요


특히 동일본 대지진과 원자력발전소 사고 이후에는 클린 에너지로서 PV에 거는 기대가 한층 높아졌다.
태양 방사는 에너지 밀도는 낮지만 양적으로는 방대하다. 에너지 기본계획(2010년)에 따른 PV의 도입 전망을 그림 2에 나타냈는데, 여기서는 PV 용량(최대 도입 케이스)에 대해 2030년에 5,300만kW라는 높은 목표치를 설정했다.
그러나 에너지원으로서 PV를 보면 태양의 방사 에너지 밀도가 낮기 때문에 대량의 에너지를 얻으려면 설비 사이즈가 커지는 데다 발전 비용이 다른 에너지원에 비해 비싸다는 문제가 있다.
PV 5,300만kW는 일본의 연간 최대 전력 수요(10개사 합계, 2010년) 1억8천kW의 약 3분의 1에 해당하며 2009년 말 도입량 263만kW의 약 20배에 달한다.
이처럼 대량의 PV가 도입될 경우, 전력시스템의 계획·운용·제어 전반에 영향을 미칠 것으로 예상된다.


그림 2. 태양광발전의 발전 용량 추이

 

‌‌에너지 취득 면에서 본 과제

 

뛰어난 발전 기술은 일반적으로 대량의 에너지를 환경에 미치는 영향이 크지 않으면서도  저렴한 비용으로 안정적으로 공급할 수 있는 기술이다.
환경면에서 봤을 때, PV는 일반 가옥에 설치가 가능하며 발전 시에는 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 뛰어난 성능을 갖는다.
한편 저렴한 에너지를 안정적이면서도 대량으로 공급한다는 면에서는 과제도 있다.
이 글에서는 이 과제에 대해 설비 이용률, 설치 적지, 발전 비용 등 3가지 시점에서 검토한다. 


(1) 설비 이용률
PV에 대해서는 설비 용량[kW]에 착안해 논의가 이루어지는 경우가 많은데, 에너지 취득이라는 관점에서는 발전 전력량[kWh]이 중요하다.
때문에 주택용 PV에 대해서는 양자의 관계를 표현하는 지표인 연간 설비 이용률을 평가한 예를 그림 3에 나타낸다.
그림을 보면 PV에는 홋카이도에서 오키나와에 이르는 전국 각지에서 거의 동일한 설비 이용률을 보이고 있다.
즉 비교적 설치 장소에 구애받지 않는다는 장점이 있다.


그림 3. 주택용 PV의 연간 설비 이용률 예


한편 연간 설비 이용률 자체는 10%를 조금 넘는 정도인데, 이는 풍력발전보다도 낮고 화력발전 등의 효용성(availability)을 크게 밑돈다.
PV의 설비 이용률은 당연히 각지의 일조 조건에 좌우되지만, 다음 요인도 크게 영향을 미친다.
① 태양전지 어레이의 방위각이나 경사각 : 그림 4에 나타내는 바와 같이 남향에 위도 정도의 경사각을 갖는 경사면에 설치했을 경우, 설비 이용률은 최대가 된다.
한편 예를 들어 북향으로 설치한 경우나 수직면에 설치한 경우에는 설비 이용률이 현저히 떨어진다.
② 장애물에 의한 태양전지 어레이의 그림자 : 태양전지 어레이는 태양전지 셀을 직병렬로 접속하고 있기 때문에 일부 셀이 음지가 됐을 경우, 어레이 내에서 셀 특성이 불균일해져 전지 출력이 저하된다.
저하 정도는 음지가 된 셀의 배치와 어레이 상에서의 셀의 직병렬 접속 상황에 따라 다르지만 그림자가 어레이 면적에서 차지하는 비율 이상인 경우가 많다. 
③ 적설 : 태양전지 어레이 면 위에 눈이 쌓이면 발전이 불가능하기 때문에 적설지에서는 어레이에 눈이 쌓이지 않도록 조치를 해야 한다.


그림 4. PV의 방위각, 경사각과 연간 설비 이용률 시산 예(도쿄)
주)방위각은 남이 0°, 북이 180°
 일사 데이터는 NEDO MONSOLA-1에 따른다.
 PV의 시스템 출력 계수는 0.8로 가정


(2) 설치 적지
일본의 일사 강도는 한낮에도 최대 1kW/m2 정도에 지나지 않는다는 사실을 생각하면 대량의 에너지를 취득하기 위해서는 태양전지를 매우 넓은 면적에 설치해야 한다.
그리고 햇볕이 잘 드는 경사면에 설치해야 하는데 대체로 남향이 바람직하다.
PV를 통해 에너지를 얼마나 얻을 수 있을지는 결국 이와 같은 조건을 만족시킨 지점에 실제로 태양전지를 얼마나 설치할 수 있는가에 달려 있다.
PV의 설치 장소로 우선 생각할 수 있는 것이 주택 지붕인데, 일본에서는 2010년 시점에서 약 80%의 PV가 주택 지붕에 설치되어 있다.
다만 기축 주택에 설치할 경우에는 지붕 강도 등이 문제가 되기 때문에 도입 가능한 가옥은 전체 가옥의 절반 정도가 될 것이라는 추정이다.
또한 에너지원으로 생각할 경우, 위와 같이 태양전지 어레이에 생기는 그림자나 적설 등의 문제가 적고, 방위각·경사각 면에서도 뛰어난 일반 가옥의 지붕에 설치하는 것이 가장 좋다.
최근 MW급의 용량을 갖는 대규모 태양광발전 설비(소위 메가솔라, 이하 대규모 PV)도 급증하고 있다. 이 설비를 설치하려면 넓은 터가 필요하다.
이와 더불어 위에 설명한 것처럼 PV의 설비 이용률도 낮기 때문에 현 시점에서는 PV의 발전 비용은 다른 전원에 비해 높다(그림 5(a) 참조).


그림 5. PV의 발전 비용 예


대규모 PV의 발전 비용의 내역의 예를 그림 5(b)에 나타냈는데, 가대, 케이블, 공사비 비율이 전체의 36%에 달해 태양전지 모듈 가격에 이어 두 번째를 차지하고 있다.
태양전지에 대해서는 중국 업체의 참여로 태양전지 모듈의 가격 저하가 지적되고 있는 동시에 양산 효과나 기술 혁신을 통해 발전 비용을 저감될 것으로 기대되고 있다.
이 점을 생각하면 PV의 발전 비용을 줄이기 위해서는 이와 더불어 가대, 케이블, 공사비 등의 비용 저감이 반드시 필요하다.
이를 위해서는 풍압 하중 등의 하중의 정확한 평가를 바탕으로 한 가대 설계, PV의 설치 공사나 전기 공사 개선 등 착실한 노력이 필요할 것으로 보인다. 주택용 PV에 대해서도 공사비의 저감은 중요한 과제다.  

 

‌‌전력시스템에 대한 연계 면에서 본 과제

 

전력시스템은 수요자에게 규정된 전압, 주파수로 파형 변형이 없는 전력을 송신해야 하는데, 순시에 정밀하게 수요와 발전의 균형을 맞춰야 하는 데다 낙뢰 등에 따른 전기적 과도형상에 대한 정확한 대응이 필요한 등 다른 대규모 시스템에서는 볼 수 없는 특징이 있다.
한편 PV는 전력시스템의 관점에서는 다음과 같이 재래형 전원과 다른 특성을 가지고 있다.
① 배후 임피던스가 큰 ‘약한’ 계통에 접속(연계)되는 일이 많다. 예를 들어 주택용 PV는 저압(100V, 200V)에 연계된다.
② PV의 발전 출력은 햇볕이라는 변동이 큰 기상 현상에 유래하기 때문에 큰 출력 변동이 따른다. 또 출력을 정확하게 예측하는 것이 쉽지 않다.
③ 재래형 전원과 다른 발전기를 이용하고 있다. 즉 재래형 전원에서는 동기 발전기를 이용하는 데 반해 PV의 경우에는 파워컨디셔너(인버터)에 의해 직류 전력을 교류 전력으로 변환한다.
따라서 대량의 PV를 전력시스템에 연계하기 위해서는 그 영향을 고려해야 한다.


(1) 전력시스템에 미치는 영향의 개요
PV를 대량으로 도입할 경우의 전력시스템에 미치는 영향은 표 1과 같이 연계점 주변에 미치는 영향과 계통 전체에 미치는 영향으로 크게 나눌 수 있다.


표 1. 태양광발전의 전력시스템에 대한 영향 개요


연계점 주변에 미치는 영향은 다시 전압이나 고조파 등 전력품질에 관한 과제, 낙뢰 등에 따른 전력시스템 측의 사고에 대한 보호 등으로 세분할 수 있다.
이들 과제에 대한 대응에 대해서는 ‘전기설비기술 기준·해석’, ‘전력품질에 관한 계통 연계 기술 요건 가이드라인’에 전반적인 규정이 있고, 일본 전기기술규격위원회의 국민 규격 ‘계통 연계 규정’에 상세하게 설명돼 있다.
다만 PV가 대량으로 도입될 경우에 대한 대응에 대해서는 기술적 과제가 남아 있다.
한편 전력시스템 전체에 미치는 영향으로는, 수급 균형의 유지, 안정성 유지 등의 과제가 있다.
일부에 미치는 영향은 PV의 도입량이 적은 경우에서도 나타나지만, 시스템 전체에 미치는 영향은 도입량이 늘었을 경우에 나타나는 경향이 있다. 때문에 시스템 전체에 미치는 영향에 대해서는 향후 기술적인 해명이 필요한 부분도 많다.
아래에 전력시스템에 미치는 대표적인 영향으로, 연계점 주변에서의 전력품질에 대한 영향인 전압 변동, 전력시스템 전체에 대한 영향인 수급 균형에 미치는 영향과 안정성에 대한 영향을 예로 들어 설명한다.

 

‌‌개별 영향

 

(1) 전압 변동에 대한 영향
PV에서의 역조류(PV 설비에서 배전선 측으로의 조류)에 의해 배전선의 전압이 영향을 받을 경우(그림 6 참조)를 예로 들어 설명한다.


그림 6. PV의 역조류에 의한 배전선 전압 변동 이미지


전기사업법 시행 규칙에 따르면 표준 전압 100V의 저압 수요자에 대해서는 전압을 101±6V로 유지해야 하기 때문에 배전 계통에서는 변전소의 송출 전압 조정, 주상 변압기의 탭 값 변동을 통해 수요자의 전압을 관리하고 있다.
그러나 PV에서의 역조류에 의해 전압 상승이 발생하는 데다가  발전 출력(전압 상승)이 날씨에 좌우된다는 점을 생각하면, 종래형의 전압 관리 방법만으로는 대응이 불가능한 경우가 있을 것이다.
이에 대한 대책으로는 현행 규정에서 요구하고 있는 PV 출력(무효전력, 유효전력)의 연계점 전압에 따른 제어와 함께, 연계량이 늘어났을 경우에는 정지형 무효전력 보상장치(SVC) 등 새로운 제어장치를 설치할 필요가 있다.


(2) 수급 밸런스에 미치는 영향
전력시스템에서는 순시에 수요와 공급 균형을 맞춰야 한다.
그러나 전력 수요는 하루, 주간, 연간 단위로도 큰 변동이 있기 때문에 주야로 크게 변동하는 전력 수요에 대해 화력발전 등의 부하 조정을 통해 수급 균형을 유지하고 있다.
한편 PV는 기상 변화에 따른 출력 변동이 커 정확한 출력 예측이 쉽지 않다. 때문에 PV의 도입량이 늘어나면 수급 균형에 새로운 불확실성이 더해지게 된다.
이 영향을 파악하기 위해서는 PV의 출력 변동 특성을 이해하는 것이 중요하다.
그림 7에 일사량의 관측 데이터를 바탕으로 간토 지방의 춘계 PV 출력 변동을 측정한 결과를 나타냈는데, 이 그림을 보면 하루에도 PV 출력이 크게 다르다는 사실을 알 수 있다.


그림 7. 광역에 분포한 PV의 출력 변동 상정 예  주)지방 자치체의 일사량 관측 데이터를 토대로 작성한 간토 지방의 상정 결과


PV 출력의 변동에 따른 수급 균형상의 과제로는 다음을 들 수 있다.
① 태양광발전의 출력이 불확실한 경우에 대비해 백업 전원이 필요하다.
② 경부하 시간대에 PV 출력이 클 경우, 다른 전원의 출력을 가능한 범위로 좁혀도 발전 출력이 수요를 웃돌아 잉여전력이 생길 가능성이 있다. 
③ 화력발전의 분담 부하에 대응이 어려운 큰 출력 변동이 나타날 가능성이 있다.
이들 과제에 기존 전원만으로 대응이 곤란할 경우에는 축전지를 이용하는 등의 대책을 생각할 수 있다. 또 화력 등의 효율적인 운용을 위해 고정밀도의 PV 출력 예측 방법을 개발할 필요가 있다.

 

(3) 전력시스템의 안정성에 미치는 영향
전력시스템에서는 낙뢰 등의 사고가 자주 발생하기 때문에 사고가 발생하더라도 전력시스템의 안정성을 유지하는 것이 공급 신뢰도 유지를 위해 매우 중요하다.
한편 인버터를 이용하고 있는 PV는, 전력시스템의 안정성이라는 관점에서는 그림 8과 같이 회전체에 관성 에너지가 보유되지 않는다는 점 등에서 동기 발전기를 이용하고 있는 재래형 전원과 다른 특성을 갖는다.
PV가 대량으로 도입될 경우, 화력발전기가 정지되는 등 대규모 집중 전원의 운전 상황에 변화가 생길 수 있는데, 그렇게 되면 전력시스템의 특성(예를 들어 전압 유지 능력의 저하)에 변화가 생길 것으로 예상된다.
PV의 대량 도입이 전력시스템의 안정성에 미치는 영향에 대해서는 전력시스템이 혼란스러울 때 파워컨디셔너의 거동에 불명확한 점이 많기 때문에 앞으로 해명해야 할 부분이 많다.


그림 8. PV가 전력시스템 안정성에 미치는 영향(이미지)

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스마트그리드의 관점에서

 

스마트그리드는 각 나라마다 자국의 사정을 반영하고 있어 나라별로 그리는 이미지가 아주 다양하다. 하지만, 전기기술과 ICT 기술을 융합해 재생 에너지를 대량 도입하고 전력의 신뢰도나 품질 향상, 전기의 효율적 이용을 도모한다는 점은 각국의 공통된 사항이다.
또 전기요금의 설정이나 인센티브 지불에 따라 수요자 측이 전력 소비 패턴을 변화시키는 디맨드·리스폰스 등 수요 측의 방책의 활용을 기획하고 있다는 점에서도 공통점이 있다.
PV의 대량 도입 관점에서는 스마트그리드에서 종종 거론되는 디맨드 리스폰스나 축전지 등은 위에 설명한 수급 균형에 대한 영향을 완화하는 방법 중 하나로 보인다.
다만 표 1의 모든 과제를 극복하기 위해서는 이와 더불어 전력 시스템의 안정성 등에 대한 배려, PV 자체의 특성 개선도 필요할 것으로 보인다.  

장래의 에너지원으로 큰 기대를 모으고 있는 PV는 전력시스템은 지금보다 더 큰 역할을 담당하게 될 것으로 보이는데 PV의 대량 도입 시에는 유의점이나 개선이 필요한 점도 많다.
PV를 에너지원으로 봤을 때, 우선 발전 전력량을 크게 하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 장애물에 의해 그림자가 생기지 않도록 하는 등 설치 조건이 양호한 장소에 설치해야 한다.
또 경제성을 높이기 위해서는 태양전지 모듈이나 파워컨디셔너의 비용 저감과 더불어 가대나 공사비 저감에 대한 꾸준한 노력이 필요할 것으로 보인다.
한편 PV는 재래형 전원과 특성이 크게 다르기 때문에 대량으로 도입될 경우에는 전력시스템에 미치는 영향도 중요하다.
이에 대한 대책으로는 PV를 ‘보통 전원’으로 하는 기술이 중요한데, 즉 PV에 대해 정확한 출력 예측 방법을 개발하고 여기에 전력시스템의 혼란 등으로 정지하지 않도록 하는 로버스트성을 갖춘 출력 제어도 (어느 정도) 가능한 전원이 되도록 하는 기술이 중요할 것으로 보인다.
그러나 화력발전 등 다른 전원에 대한 부담이 늘어날 경우도 예상되기 때문에 전력시스템 측의 대책, 예를 들면 화력발전의 최저 부하 저감, 변화 속도 증대 등의 유연성 향상과 함께 스마트그리드 기술로 채택되는 경우가 많은 수요 사이드의 제어 기술 등도 유효해질 가능성이 있다.


나나하라 토시야(七原 俊也)
일반재단법인 전력중앙연구소 시스템기슬연구소 연구 참사

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