1. 서 론

온실가스로 인한 기후 변화 위기에 대응하기 위한 세계적인 노력이 지속적으로 진행되고 있는 상황에서, 대한민국은 자발적 국가 온실가스 감축 목표(NDC, Nationally Determined Contributions)를 파리 협정에 따라 제시하면서 2018년 대비 탄소 배출량을 2030년까지 40% 감축하는 것을 목표로 제시하였다^[1]. 특히, 발전 부문에서 배출하는 탄소는 44.4% 감소인 149.9백만 톤까지 감축하는 것을 목표로 삼고, 이것을 구체화하기 위해 9·10차 전력수급기본계획을 수립하였다^[2][3]. 전력 공급 부문에서의 온실가스 감축을 위한 정책 대안은 원자력 발전의 유지·확대, 신재생에너지의 확대, 암모니아-석탄 혼소, 천연가스-수소 혼소 발전의 도입, 석탄에서 천연가스로의 발전 연료 변경(fuel switching) 등으로 요약된다.

본 연구에서는 위에서 열거된 정책 대안들의 비중 변화가 발전원가와 탄소 배출량에 미치는 효과를 편리하게 계산하고, 직관적으로 이해할 수 있도록 지원하는 정책 시뮬레이터를 제작하고 가상의 정책 시나리오에 대한 경제적·환경적 영향 평가 실험을 수행하였다. 특히, 본 연구에서 제작된 시뮬레이터는 탄소세뿐만 아니라 석탄에서 천연가스로의 연료 변경에 따른 메탄의 추가 누설 가능성이 온실가스 배출에 미치는 영향을 가늠하기 위한 메탄 누설 비율, 석탄 연소로 인한 건강 피해 비용 등을 파라미터로 고려할 수 있게 제작되었으며, 10차 전력수급기본계획뿐만 아니라 9차 계획도 실험하여 비교할 수 있도록 설계되었다. 또한, 신재생에너지 도입의 크기와 배터리 저장 장치(ESS, Energy Storage System)의 운용, 실험 주기에 관한 변수들도 변경하여 실험이 가능하다.

입력파라미터들의 변경으로 생성된 특정 정책 시나리오에 대한 시뮬레이션을 진행하고 나면 발전원별 탄소 배출량을 얻을 수 있어 탄소 배출량 저감을 위해서 필요한 설비와 용량을 추정할 수 있으며, 발전소 가동률 출력을 활용하면 발전원별 발전소의 과소, 과대 건설 여부를 파악할 수 있다. 본 연구에서 제작한 시뮬레이터는 HY-PSS-LCS(Hanyang Power Supply Simulator for Low Carbon Strategy)로 명명했으며, 2030년 저탄소 발전 정책에 대한 비교 ^[4], 배터리 저장 장치(ESS)의 경제적 활용^[5][6] 등의 연구에 활용하였다. 본 연구에서는 ^[7]에 간단하게 소개된 제작 초기 시뮬레이터를 확장하고 추가된 내용을 자세히 설명하고, 활용 예로써 연료비용의 변화에 따른 발전믹스, 발전단가, 온실가스배출량을 비교한 결과를 분석한다.

2030년 저탄소 전력 공급에 대한 국내 관련 중 대표적인 것으로 한국환경연구원의 보고서 ^[8]에서는 8차 전력수급기본계획을 기준으로 NDC 2030을 달성하기 위해 탄소세의 수준을 제시하고 있다. 이 보고서는 NDC 2030 목표를 달성하기 위해서는 탄소세 $4만원/{t CO}2$에서 $5만원/{t CO}2$사이의 탄소 가격이 요구되며 $7만원/{t CO}2$까지 부과될 때 배출권 가격 형성에 결정적인 영향을 미칠 것으로 평가했다. 하지만, 이 결과들은 발전 부분의 투입 연료가격이나 신재생에너지 확장 정책, 원전 복구 정책 등의 변화에 영향을 받으므로 본 연구 같이 쉽게 사용가능한 시뮬레이터의 개발이 필요하다.

기타 국내 관련 연구는 참고문헌 ^[4]의 표 8와 9에 잘 정리되어 있으며, ^[4]에서는 9, 10차 전력수급기본계획을 기준으로 NDC 2030을 달성하면서 발전 비용을 최소화하는 여러 가지 시나리오들을 함께 제시하였다. 이 논문에서는 10차 전력수급기본계획의 시나리오에서 탄소 배출 목표 달성을 위해 $10.4만원/{t CO}2$이 필요함을 주장했다. 또한, 10차 전력수급기본계획에서는 2배의 신재생 설비를 설치하게 되면 탄소세 없이 NDC 2030 탄소 배출 목표를 달성할 수 있었다. 그리고, 신재생 추가 설치 없이 $13만원/{t CO}2$의 탄소세를 부과하는 것과 암모니아·석탄 혼소를 20% 하는 것이 전력 생산 단가는 거의 같지만, 오히려 탄소세 $13만원/{t CO}2$ 부과 시나리오에서 탄소 배출량 4%를 더 줄일 수 있다고 주장하였다. 이 논문은 연료비용의 변화에 따른 영향을 살펴보기 위해 과거의 평균연료가격과 최근 연료가격 등 2세트의 연료가격을 사용하고 있다. 하지만, 보다 다양한 연료가격의 조합이 NDC달성 시나리오에 미치는 영향을 실험해볼 필요가 있다.

국외 관련 연구들은 참고문헌 ^[9]에 체계적으로 정리되어 있으며, 본 연구에서 부분부하(partial load)시의 벌금비용(penalty cost)등은 참고문헌 ^[10]을 참조하였다. ^[10]에서는 미국 서부의 전력공급망을 대상으로 태양광 발전과 배터리 저장 장치의 설비 규모에 따른 시나리오를 분석하고 있다. 이 논문에서는 배터리 저장 장치는 태양광 발전 설비의 25%보다 적은 용량을 가지는 것이 최적의 비율이라고 제시하였다.

본 논문의 나머지 구성은 2장과 3장에서는 전력 비용과 탄소 배출량을 계산하기 위한 시스템 모형과 이를 구성하기 위해 사용한 제약식과 변수를 설명한다. 4장에서는 개발된 시뮬레이터 HY-PSS-LCS의 사용 방법을 서술하고, 5장은 HY-PSS-LCS를 활용하여 연료 가격의 변화가 있을 때 2030년 저탄소 전력공급게획 시뮬레이션의 실행 결과를 분석한다. 마지막으로 6장에서는 본 연구에 대한 요약과 결론, 앞으로의 연구 방향을 제시한다.

2. 시스템 모형

본 연구에서 사용된 발전기 기동정지·급전 모형은 2019년 기준 대한민국에 설치된 모든 발전소를 포함하고, 추가로 9·10차 전력수급기본계획에 따라 2030년의 발전소 설치, 폐지 계획을 포함하여 2030년의 전력 공급을 모형화하였다^[2][3].

3. 제약식과 사용 변수 설명

식 (7)-(25)는 발전기 기동정지 계획(UC) 문제를 혼합 정수 계획법 방식으로 풀기 위해서 ^[4]를 참조하여 설계된 수식이다. HY-PSS-LCS에서는 해당 수식을 일 단위로 풀어서 하루 동안의 발전기 기동정지 계획을 결정한다.

식 (7)은 목적함수로 발전소 기동에 들어가는 비용, 고정 비용, 출력에 따라 변동하는 비용 3가지에 추가로 순동 예비력(SR)을 만족시키지 못하거나, 전력 수요를 만족시키지 못했을 때 발생하는 페널티를 통해서 정전이 발생할 때의 페널티를 부여했다.

식 (8)는 전력 수요를 만족하기 위해서 정의된 식으로 발전소에서 발전된 발전량과 배터리 저장장치(ESS)에서 충전량의 합이 전력 수요보다 커야 한다. 해당 제약식을 통해서 총발전량이 항상 전력 수요보다 크거나 같음을 유지할 수 있다.

식 (9)-(14)의 식은 발전 제약이다. 필요한 상황에서 원하는 만큼 발전하는 것이 아닌 제약 조건에 따라서 발전량을 결정하게 된다. 식 (9), (11)은 최소 발전량에 대한 제약식이다. 해당 제약식을 통해서 발전기를 동작하는 상황이 발생하면 항상 해당 값보다는 크게 발전해야 한다. 식 (10), (12)는 최대 발전량에 대한 제약이다. 발전기의 정격 출력을 넘지 않는 발전을 할 수 있도록 하기 위한 제약이다. 식 (13)은 발전소 기동·정지에 대한 제약이다. 식 (14)는 발전소의 발전 상태가 저효율 모드, 고효율 모드 두 가지 모드 중 어떤 모드로 발전하고 있는 지를 결정하기 위한 제약이다.

식 (15)-(16)은 순동 예비력(SR)과 순시 예비력(QR)에 대한 제약이다. 식 (15)는 순동 예비력 제약으로 발전소에서 생산한 순동 예비력의 총합이 항상 목표 순동 예비력보다 커야 한다. 식(16)은 가동 중이지 않은 발전량이 항상 순시 예비력보다 커야 한다는 제약이다. 해당 제약 때문에 모든 발전소를 전부 동작하는 일은 발생하지 않는다.

식 (17)-(19)은 발전소의 변화에 대한 제약이다. 식 (17)을 통해서 한 시간 동안 발전소가 최대로 예비력을 변화시키는 양에 대한 제약이 있다. 식 (18)식은 발전소의 출력 상승량을 제한하기 위한 제약이다. 해당 제약을 통해서 발전소가 켜지는 경우 출력 변화량을 계산하는 대신 최소 출력만큼 초기에 할당하도록 하고 그게 아니라면 $RU(g)$만큼의 출력을 변화시킨다. 식 (19)은 발전소의 출력을 줄이는 경우 감소량을 제한하기 위한 제약이다. 해당 제약에 의해서 발전소의 출력이 줄어드는데 상한이 존재한다.

식 (20)-(21)는 발전소의 최소 동작시간과 최소 정지 시간에 대한 제약이다. 발전소를 한번 가동하도록 결정하게 되면 발전소별로 정해진 시간만큼은 가동해야 한다. 반대로 가동 중인 발전소를 가동 중지를 결정하게 되면 항상 일정 시간 동안 발전소를 가동 정지해야 한다.

식 (22)-(25)는 배터리 저장장치(ESS)에 대한 제약이다. 식 (22)는 배터리 저장 장치에 저장된 전력에 대해서 매시간 일정량의 전력 누출이 일어나게 되는 것을 제약으로 표현했다. 식 (23)은 배터리 저장 장치에 저장된 총저장량이 배터리 저장 장치의 용량을 넘지 않도록 하는 제약이다. 식 (24), (25)는 배터리 저장 장치의 최대 출력 제한을 넘지 않도록 하기 위한 제약이다. 해당 제약으로 인해서 한 시간에 배터리 저장 장치에 저장된 모든 전력이 충전되거나 방전되지 않는다.

식 (26)은 배터리 저장 장치(ESS)에 24시에 저장해야 할 저장량을 설정하는 옵션이다. 해당 변수를 통해서 24시에 0이 아닌 다른 값을 저장하도록 하면 24시의 저장 목표를 달성하기 위해서 이전 시간에 추가적인 발전을 진행하게 된다.

4. 시뮬레이터 입출력

그림 3은 HY-PSS-LCS시뮬레이터를 실행할 때의 시작 화면이다. HY-PSS-LCS상에서는 10차 전력수급기본계획을 따르는 데이터에 2020~2022년 평균 연료 가격 정보가 기본값(default)으로 입력되어 있다. 위 시작 페이지에서 허용되는 입력값을 실험하고자 하는 정책들의 값으로 적절하게 변경하고 나서 RUN 버튼을 누르게 되면 시뮬레이션이 생성되고 실행된다. 시작화면은 도구상자와 입력 화면으로 구성되어 있다.

5. 연료단가의 변화가 미치는 영향 실험

지금까지 HY-PSS-LCS를 통해서 원하는 발전기 기동정지 계획(UC) 프로젝트를 생성하고 분석하는 기능에 대해서 알아보았다. 본 장에서는 HY-PSS-LCS를 이용해서 2030년도의 계획된 전력 수요와 발전소 건설 계획을 고려할 때 비용 최적화된 발전 시나리오에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 발전기 용량 및 성능에 대한 주요 기술 파라미터는 참고문헌 ^[4]와 그 연구에소 인용된 데이타를 주로 사용했으며, 고장 및 유지보수계획은 발전기별 최대출력을 2019년 기준의 용량 계수(capacity factor)로 조정하여 맞추는 방법으로 반영하였다. 전력거래소에서 발표한 2021년 12월부터 2023년 11월까지의 평균 연료 단가를 이용하고, 여기에 추가로 발전 비용 상승 시나리오에 대해서 시뮬레이션을 진행했다.^[18] 수소 가격은 현재는 전력 생산에 사용하지 않아서 현재의 가격이 아닌 2030년의 예상 수소 가격으로 103.243[천원/Gcal]를 적용했다.^[19] 10차 전력수급기본계획을 따르는 시나리오를 선택했으며 GWP 100의 시나리오를 가정하였다. 또한, 암모니아-석탄 혼소 20%, LNG-수소 혼소 50%를 가정했으며 배터리 저장 장치(ESS)의 사이즈는 19.2GWh,　배터리 저장 장치의 컨버터 사이즈는 3.8GW를 가정했다. 본 시나리오에서는 “Health Damage Multiplier”를 0으로 두어 이산화황, 질산화 황에 의한 비용 상승을 고려하지 않았다. 탄소세 $4만원/{t CO}_{2}$을 적용했으며, “RE-Spinning Reserve”는 5%로 두었고, “ESS State”는 0%로 두어 24시에 필수로 배터리 저장 장치(ESS)에 전력을 저장하지 않도록 했다. 각 연료 가격에 대해 연료 가격을 1.5배 2배인 경우에 대해서 실험을 진행하고 해당 결과를 분석하였다.

표 14는 연료 비용에서 석탄, 유류, LNG, 우라늄, 수소 가격을 각각 1.5배와 2배를 한 실험 결과 발전원별 발전량에 대한 결과표이다. 석탄 가격을 상승시키는 시나리오에서는 LCOE를 10~15% 증가시키면서 탄소 배출량을 20~48% 감소시킨다. 기존의 석탄 발전량이 감소하고 이것이 LNG 발전으로 대체된다. 이것은 발전에서 발생하는 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 유류 비용을 증가시키는 모든 시나리오는 큰 차이가 없고, 발전단가가 소폭 상승하는 데서 그친다. LNG 비용 증가 시나리오에서는 LNG 발전량을 10% 감소 시키지만 LNG 발전이 첨두 발전으로 동작하기 때문에 발전량을 52TWh 이하로는 줄어들지 않고 탄소 배출량과 LCOE 모두 증가된다. 우라늄 발전은 발전 기본 단가가 저렴해서 발전 비용을 상승시킨다고 해도 LCOE만 소폭 상승했고, 탄소 배출량은 거의 그대로 유지되었다. 수소 발전단가를 증가시키는 시나리오에서는 LCOE는 거의 증가하지 않았지만 탄소 배출량만 큰 폭으로 증가했다. 이것은 LNG 발전에서 LNG-수소 혼소 발전과 LNG 발전 중 대부분의 발전이 혼소가 아닌 발전으로 전환되었기 때문이다. 무탄소 발전을 활용하는 발전 대신 혼소가 아닌 LNG 발전으로 전환되면서 탄소 배출량이 증가하게 된 것이다. 해당 실험 결과로 볼 때, 탄소 배출량을 지속적으로 감축하기 위해서는 석탄을 활용한 발전을 LNG 발전으로 바꾸는 것이 도움이 된다. 또한, 석탄과 달리 LNG 발전의 경우 비용이 증가하더라도 다른 연료로 대체가 불가능한 연료이기 때문에 안정적인 발전을 위해서는 LNG 연료가 중요하다는 것을 알 수 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 저탄소 발전을 위한 발전기 기동정지 계획(UC) 전용 시뮬레이터를 개발하고 이를 상세히 활용하는 방법에 관해서 기술하고 있다. 발전기 기동정지 계획(UC) 문제를 풀기 위해서 전력수급기본계획에 기반한 370여 개의 발전소를 모델링하여 쉽게 사용할 수 있도록 하는 HY-PSS-LCS 시뮬레이터를 개발했다. HY-PSS-LCS는 사용자가 시뮬레이션에 필요한 발전기 기동정지 계획 모델을 모르더라도 입력값을 원하는 대로 설정하면 그에 맞는 시뮬레이션을 자동으로 생성하여 실행하고, 실행 결과를 분석하여 출력하는 기능을 가지고 있어서 발전기 기동정지 계획 모형의 쉬운 사용을 가능하게 한다.

본 논문에서 고안된 HY-PSS-LCS를 활용하여 연료 가격 상승 시나리오에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결과 2년간의 평균 연료 가격을 적용했을 때의 총 전력 생산 단가는 125원/KWh가 되고 탄소 배출량은 $140.86{Mt CO}_{2}$가 된다. 만약 석탄 연료의 비용이 1.5배로 증가하게 되면 석탄 발전의 일부가 LNG 발전으로 대체되어 탄소 배출량을 20% 줄일 수 있다. 이에 반해 LNG 연료 비용은 증가하더라도 첨두 발전으로 동작하기 때문에 LNG 발전을 줄일 수 있는 데에는 하한이 존재하여 LNG는 대체 불가능한 종류의 자원이라고 볼 수 있다.

본 연구는 전력망을 통한 송전 제약과 주파주 제약을 고려하지 않았다. 송전 제약은 발전소에서 생산된 전력을 수요가 있는 곳으로 보낼 때 발생하는 제약을 의미한다. 발전소에서 특정 지역의 수요를 충족할 수 없게 되면 발전소의 스케줄링이 바뀔 것으로 기대된다. 또한, 주파수 제약은 일정한 주파수를 유지하기 위해 발전소 동작이 일부 변경되어야 한다. 특히, 신재생 발전량이 크게 늘어나면 일정한 주파수를 유지하는데 더 많은 손실이 발생하게 되지만 본 연구에서는 고려되지 않았다. 따라서, 향후 송전 제약과 주파수 제약을 고려하는 방향으로 모델을 개선하게 된다면 활용도가 더 높은 시뮬레이터가 될 것으로 기대된다.

본 논문에서 개발된 시뮬레이터는 전송로 제약을 추가한 후 공개할 예정이며, 발전 부문 온실가스 감축에 대해 다양한 파라미터들을 실험하는 것에 관해 관심이 있는 누구나 활용할 수 있을 것이다.