2.1 태양광 및 풍력발전기의 이용률을 통한 발전량 예측

태양광 발전량은 아침부터 증가하기 시작하여 12~14시 사이에 최대치를 기록하고, 이후 서서히 감소하다가 태양이 사라진 저녁부터 발전량이 없는 주기적인 형태를 나타낸다. 풍력 발전량은 태양광 발전설비처럼 주기적인 발전 특성을 나타내지 않고, 바람의 방향과 세기에 따라 발전량이 달라진다. 태양광 발전설비가 큰 경우, 낮에 태양광 이외 발전원이 공급하는 전력량이 감소하게 되어 전력 시스템에 영향을 미친다. 풍력 발전설비도 마찬가지로 바람의 세기와 방향에 따라 발전량이 변동하는 특성이 있어서 바람이 불다가 갑자기 멈추면 발전량도 동시에 감소하는 현상이 발생해 전력 시스템에 영향을 미친다. 따라서 태양광 및 풍력 발전설비의 간헐적인 특성을 반영하기 위해서는 시간대별 이용률 특성을 파악하는 것이 중요하다^[10].

태양광 발전기의 이용률은 21년 제주도 법정동별 태양광 발전설비의 시간대별 발전량 데이터를 활용하였으며, 시간대별 발전량과 발전설비 용량 값을 통해 이용률을 도출하였다. 육상풍력 발전설비의 시간대별 이용률은 제주 전체기준 풍력 발전설비의 발전량 데이터를 활용하였다. 현재 제주도 내에 운영되고 있는 해상풍력 발전설비는 탐라 해상풍력(30MW)이 유일하다. 해상풍력의 연평균 이용률을 도출하기 위해 탐라 해상풍력의 21년 발전량 데이터를 통해 해상풍력 이용률을 도출하였다.

2.2 필수운전(Must-run) 발전기 및 HVDC 운전 특성

재생에너지 확대를 목적으로 일반 발전기의 출력을 조정하는 방법이 있지만, 일반 발전기를 일정 수준 이상으로 정지하면 계통의 관성 감소, 간헐성 및 변동성 대응 자원 부족 등의 신뢰도 확보가 어려운 상황에 이를 수 있다^[12]. 따라서 석탄, LNG 등 일반 발전기를 일정 수준 이상으로 운전하는 필수운전(Must-run) 발전기를 전력 수요량에 따라 적용하여 전력 계통의 신뢰도를 유지해야 한다.

표 2는 필수운전(Must-run) 발전기의 참여 현황을 나타낸다^[11]. Worst Case를 산정하기 위해 필수운전(Must-run) 발전기는 최소 운전을 가정하여 출력제한을 최대로 수용한다고 가정하였다. 발전기의 최소 운전 대수는 전력 수요량이 500MW 이하 시 제주T/P#2, 제주T/P#3, 남제주T/P#1, 남제주T/P#2 순서로 4대 투입하였다. 전력 수요량이 500MW초과 600MW 이하 시 제주복합#1을 추가로 투입, 600MW 초과 900MW 이하 시 제주복합#2을 추가로 투입, 900MW 초과 시 한림복합CC 발전기를 추가로 투입하였다^[12]. 전력 수요량은 10차 전력수급기본계획의 2030년 제주도 목표 수요 7,548GWh를 따른다고 가정하였다.

HVDC#1의 공급능력은 150MW, HVDC#2의 공급능력은 250MW이며 신설될 예정인 전압형 HVDC#3는 200MW의 공급능력을 가지고 있다. HVDC#1, #2는 순시 운전이 불가능하여 출력제한 계산 시 HVDC #1, #2는 각각 120MW, 240MW의 최대 역송을 가정하여 Worst Case를 모의하였으며, HVDC #3는 상황에 따라 순시 운전을 하도록 하였다.

표 3은 분석된 2030년 태양광, 풍력 발전량 및 출력제한 전력량을 나타낸다. 태양광 발전량 1,822GWh, 육상풍력 발전량 607GWh, 해상풍력 발전량 5,421GWh가 발생하였다. 출력제한 전력량은 총 2,049GWh가 발생했으며 출력제한 전력량의 79%는 해상풍력으로부터 발생하였다. 출력제한은 최대 88시간 연속으로 발생하였다. 태양광 발전 증가 및 전력수요 감소에 따른 영향으로 출력제한이 가장 많이 발생한 달은 3월로 분석되었다.

표 4는 Worst Case의 시간대별 출력제한 전력량 및 ESS 충전량을 나타낸다. 여기서 Worst Case는 앞서 분석된 3월의 출력제한 전력량이 가장 많은 하루를 의미하며, Worst Case를 기준으로 출력제한 상황을 분석하였다. ESS 용량은 10차 전력수급기본계획에 명시된 30년 설비 예정 용량인 640MWh (160MW*4h)을 적용하였으며, 충전 시간은 출력제한 전력량이 가장 많은 시간대에 충전하도록 하였다^[12].

그림 2는 Worst Case의 발전량, 출력제한 전력량 및 HVDC 운전 특성을 나타낸다. HVDC#1, #2는 최대 용량으로 역송 운전, HVDC#3은 계통 상황에 따라 순시 운전을 적용하였다. 모든 연계선이 최대로 역송 및 ESS를 투입하여도 출력제한 전력량은 24.85GWh가 발생해 제주계통에서 수용할 수 없는 상황으로 분석되었다. 이에 따라 다음 장에서는 2030년 섹터커플링 수요자원 추정을 통해 발생하는 출력제한 전력량을 섹터커플링 자원으로 소비하는 방식을 적용하여 분석하였다. 또한 기저 전력과 같은 특성을 갖는 P2H와 P2G는 고정 참여자원으로 보고 P2M은 전력시장에 따른 변동성 참여자원으로 봄으로써 P2M 참여 비율 증가 시 출력제한 상황을 분석하였다.

그림 2. 2030년 Worst Case 발전 상황

Fig. 2. Worst Case status in 2030

3.1 P2H 수요자원 추정

P2H 수요자원 용량을 산정하기 위해서 소규모 주택에 적합한 5RT 히트펌프 보일러를 기준으로 분석하였다. 제주도는 CFI2030 정책에 따라 2030년까지 히트펌프 보일러 7,122대(누적) 보급을 목표로 하고 있다^[10]. 5RT 히트펌프 보일러의 정격 소비전력 5.4kW와 보급 예정인 히트펌프 보일러 7,122대를 곱하여 연간 P2H 자원추정량 38MW를 산출하였다. 가정용 히트펌프의 연간 수요 패턴은 그림 3과 같이 냉방부하에 비해 난방부하가 많은 것으로 확인되었다. 이때 P2H 수요자원은 Worst Case인 3월의 난방부하 수요패턴을 적용하였으며, 심야전력 요금에 따라 밤 10시부터 다음 날 아침 8시까지 일정하게 난방을 사용한다고 가정하였다^[13]. 산정된 P2H 수요 추정량은 24.8MW로 분석되었다. 결과는 표 5에 나타내었다.

그림 3. 가정용 히트펌프 부하 패턴

Fig. 3. Household heat pump load pattern

3.2 P2M　수요자원 추정

제4차 전기차 중장기 종합계획에서는 거주지와 직장을 중심으로 완속 충전기를 대대적으로 확충하는 계획을 제시하였으며, 향후 2030년 누적 전기차 완속 충전기는 357,171대로 전망하였다^[9]. 2030년 보급 예정인 완속 충전기 1대당 7kW로 가정하여 P2M 자원추정량을 분석하였다. P2M 수요패턴을 추정하기 위해서 제주특별자치도와 환경부(한국환경공단)에서 운영하는 전기차 충전기의 충전 이력 데이터를 사용하였다. 데이터는 2022년도의 월/시간별 충전 시간, 충전 횟수 및 충전량을 포함하고 있으며, 2030년 충전 패턴을 구하기 위해 2022년 대비 2030년의 완속 충전기 증가 대수를 곱하여 수요패턴을 추정하였다. 그림 4는 2030년 월, 시간, 일별 완속 충전 패턴을 나타낸다. Worst Case인 3월의 자원추정량은 2,205MW로 분석되었으며, 결과는 표 5에 나타내었다.

그림 4. 2030년 월/시간별 완속 충전량

Fig. 4. Month/Time defined charging quantity in 2030

3.3 P2G 수요자원 추정

P2G 자원추정량은 수전해 수소 활용 연료전지 발전사업을 바탕으로 분석하였다. 제주도는 도내 계통 운영의 안정성 등을 고려하여 30년까지 누적 100MW급 그린수소 생산기술을 완료하여 P2G 자원을 생산할 계획이다^[8]. P2G는 기저 전력과 같이 높은 고정 참여 비율을 가지며, 출력제한 발생 구간에 100% 투입된다고 가정하여 Worst Case를 모의하였다.

표 5는 Worst Case에 섹터커플링 자원추정량 및 수요패턴을 적용한 후의 시간대별 출력제한 전력량을 나타낸다. 출력제한 전력량의 일부분은 P2X를 통해 해소할 수 있지만, 여전히 낮 구간에 평균 출력제한은 시간별 1.3GWh가 발생하였다. 이는 낮에 활발히 발전하는 태양광의 영향도 있지만, 해상풍력 발전기의 이용률이 시간대별 1에 가깝게 운전되어 발생한 것으로 분석되었다.

표 6은 P2H, P2G는 고정형 참여자원으로 보고, P2M은 변동성 참여자원으로 본 후 참여 비율에 따른 출력제한 전력량을 분석한 결과를 나타낸다. 여기서 고정형 참여자원이란 Worst Case인 3월의 수요 패턴에서 기저 전력과 같이 높은 참여비율을 가지는 P2H와 P2G를 의미한다. 변동성 참여자원이란 출력제한 발생 시간대에 전력시장에 따라 수요 특성이 변할 수 있는 P2M을 의미한다. 예를 들어 완속 충전기의 경우 장시간 주차가 가능할 때 주로 사용되기 때문에 비활동 시간이나 충전요금이 저렴한 심야시간대에 충전 비율이 높게 나타나지만, 출력제한이 주로 발생하는 낮 구간에 전기요금을 저렴하게 이용할 수 있으면 완속 충전기의 수요량이 증가할 수 있다. 재생에너지 발전량이 높은 낮 시간대에 P2M 평균 참여 비율은 10%대이며, 참여 비율을 최대 83.7%까지 늘린다면 출력제한을 완화할 수 있는 것으로 분석되었다. 이는 출력제한이 발생했을 때 플러스 DR과 같은 수요관리 서비스 제도를 이용하여 P2M 자원을 활용할 수 있다면 출력제한을 완화할 수 있음을 나타낸다.