에너지 혁신기술 키우려면 전력시장 시스템부터 바꾸자

[2020 쟁점 분석] (17) 탄소중립시대를 위한 전력산업

문재인 대통령은 지난 10월 28일 국회 시정연설에서 “2050년 탄소중립을 목표로 나아가겠다”고 선언하였다. 탄소중립은 온실가스 배출량과 제거량을 더했을 때 온실가스 순 배출량이 0인 상태를 의미한다. 우리나라가 ‘넷제로’를 선언한 것은 처음이다.

2050년 탄소중립 목표를 달성하려면 무엇보다도 전력, 냉·난방, 수송, 산업 등 전 부문에서 뼈를 깎는 배출량 감축 과정이 수반된다. 우리나라는 지난 수십 년간 빠른 경제성장의 속도에 맞춰 배출량을 늘려 왔는데, 증가 추세 완화를 넘어 하향 추세로 단번에 전환시켜야 한다. 다른 해외 주요 국가들이 탄소 배출량을 줄이는 국가적 작업을 2000년대 초반부터 서서히 진행해 왔던 것에 비교하면 뒤늦게 이 대열에 합류한 우리나라가 짊어져야 할 경제적, 사회적 부담은 만만치 않다.

하지만 2050년 탄소중립 목표를 철회하거나 완화하는 것은 현명한 생각이 아니다. 애플을 비롯한 글로벌 대기업들도 자신들에게 부품을 납품하는 국내 기업들에 100% 재생에너지로 만든 상품을 요구하고 유럽연합(EU)은 온실가스 배출량이 많은 국가에서 생산된 상품에 탄소국경세를 부과하는 탄소국경조정 메커니즘의 도입을 준비 중이다. 우리에게 선택지는 정면 돌파밖에 없다. 다만 온실가스 주요 배출원인 한국의 전력산업은 이 난국을 정면 돌파할 기술 수준과 역량을 갖췄는가 질문해야 한다. ●2050년의 전력계통은 어떤 모습일까

온실가스를 전혀 배출하지 않으면서 안정적으로 운영될 수 있는 미래의 전력계통을 현재의 기술을 기반으로 상상하기는 어렵다. 따라서 2050년의 온실가스 배출량을 0으로 만든다는 목표를 두고 거꾸로 계획을 세워 나가는 방식(Back-casting)의 접근이 더 합리적이다. 원자력발전은 현재의 설계수명대로만 존속한다고 가정하면 2050년 대략 10% 수준의 발전량은 잔존 원자력발전으로 충당한다. 한편 태양광과 풍력, 바이오를 합한 재생에너지의 발전 비중은 60% 이상 될 것으로 생각해 볼 수 있다.

그렇다면 나머지 30% 이내의 발전량은 어떻게 구성해야 할까. 우리나라보다 앞서서 재생에너지를 늘려 왔던 아일랜드는 현재의 기술 수준으로 전력계통의 안정성을 위해 재생에너지의 실시간 발전 비중을 약 65% 이하로 유지하는 것이 바람직하다고 규정하고 있다. 그리고 터빈의 회전을 통해 교류(AC) 전기를 생산하는 전통적인 전원들을 상시 일정 수준 이상 유지하고 있다. 따라서 상당 기간 액화천연가스(LNG) 기반의 발전이 담당하게 될 것이다. LNG 발전은 재생에너지가 기상조건으로 인해 발전하지 않을 때의 예비(Back-up) 발전원 역할도 동시에 수행하게 된다.

그럼 LNG 발전으로 발생하는 온실가스 발생량은 전력계통의 안정적인 운영을 위해서는 불가피한가? 현재의 기술 수준으로는 대안을 찾기가 쉽지 않다. 탄소 포집 및 활용(CCUS) 기술도 활용될 수 있지만, 국가 전력량의 30%에 달하는 LNG 발전에서 발생하는 모든 탄소배출량을 포집하는 것은 현실적으로 쉽지 않으며 저장할 공간을 확보하는 것은 더욱 곤란한 문제다. 다른 대안은 LNG 발전에 점차 수소를 섞어 혼합 연소하는 비중을 늘려 가는 것이다. 이런 방식으로 온실가스 배출량을 줄여 가다가 최종적으로 100% 수소로 발전하는 방식으로 전환하는 것이다. 일본, 독일 등의 전통적인 중공업 강국들이 해당 기술들에 지속적인 투자를 하고 원천기술을 확보하고 있는 것을 고려하면, 우리도 탈탄소화를 위한 기술적 방안들을 확보하는 데 적극 투자를 해야 한다. ●발전원 구성에서 저장 구성으로의 전환

‘전력수급기본계획’은 15년간의 발전원 구성(Generation Mix)에 대한 정부의 법정계획이다. 최근 원자력발전과 신재생에너지의 용량이 정책적으로 결정되는 경향이고, 석탄발전은 감축하는 방향으로 정책이 진행되고 있다. 이러다 보니 전력수급기본계획의 무게감은 점점 약해지고 재생에너지의 잠재량 분석과 입지에 대한 계획, 또 이들의 연계를 위한 송배전망 계획의 중요성이 점점 커진다. 여기에 지금껏 고려되지 않았던 저장 구성(Storage Mix)의 개념도 점차 그 중요성을 더해 갈 것으로 보인다.

지금 제주도는 우리가 겪을 전력계통의 미래를 단적으로 보여 주고 있다. 풍력과 태양광 비중이 높아지면서 전력계통의 안정성을 유지하는 것이 어려워지고 있다. 전력망 유지를 위해 재생에너지로 발전량을 인위적으로 제약하고 있다. 이러한 문제는 재생에너지 잉여전력들을 전기차에 저장하고, 열로 변환하고, 수소의 형태로 장기 저장함으로써 일부 해결될 수 있지만 어떤 방식의 저장수단을, 얼마만큼 확보하는 것이 가장 경제적인지에 대한 계획과 로드맵은 전혀 수립돼 있지 않은 상태이다.

전국적으로도 전력수요가 높지 않은 날의 경우 출력조절이 어려운 원자력발전이 일정 수준을 유지하고 계통의 안정 운영을 위해 화력발전이 활용될 경우 2030년대 이후부터는 낮 시간대에 일부 재생에너지 발전량을 제한하거나 저장해야 하는 상황이 종종 발생할 것으로 분석되고 있다. 이에 대비하기 위해서는 전력수요가 적지만 재생에너지 발전량이 많아 잉여전력이 많이 발생하는 봄, 가을에 전력을 저장해서 여름, 겨울에 사용할 수 있도록 하는 장주기 저장수단과 재생에너지의 출력 변동성과 불확실성을 관리하기 위한 단주기 저장수단의 적절한 조합이 필요하다. 양수발전, 배터리 저장, 열 저장, 수소 저장 등 다양한 저력 저장 수단들의 최적조합을 찾는 것이 미래 전력체계의 핵심과제이다.

●시장을 통한 가격신호의 중요성

미래에 각종 저장장치들을 잘 설치했다고 하더라도 이를 경제적으로 운영하기 위해서는 이에 걸맞은 가격 및 시장체계가 필요하다. 잉여전력이 발생해 가격이 낮아지면 저장장치를 충전하고 전력이 부족해 높은 가격이 형성되면 저장장치를 방전하기 위해서다.

2020년 현재에도 미국 캘리포니아나 유럽의 전력시장에서는 재생에너지의 출력을 제어하는 시간대에는 전력도매시장에서 마이너스(-)의 가격이 형성된다. 전력을 생산하려면 오히려 돈을 지불해야 하는 것이다. 출력을 자유롭게 줄이기 어려운 원자력발전이나 석탄발전과 같이 제어능력이 없는 구형 재생에너지 발전원들은 출력을 줄였을 때 발생하는 손해보다 출력을 유지하면서 마이너의 가격을 지불하는 것이 더 유리한 경우 돈을 내면서 발전량을 유지한다. 시장참여자들의 자연스러운 의사결정이다. 같은 시간대에 수요 측 시장참여자들은 돈을 받으면서 일부 수요의 시간대를 이동시켜 전력을 추가로 소비한다.

특히 에너지저장장치들은 이런 시장 환경에서는 마이너스 가격이 발생하면 돈을 받으면서 충전하고, 다시 정상 시장가격에서 돈을 받고 방전을 하는 비즈니스 모델을 구현할 수 있어 비싼 설치비를 상쇄하는 충분한 경제성을 확보한다. 재생에너지 비중이 높은 국가들은 도매시장에서 형성되는 마이너스 가격을 활용해 소매시장에서 소비자들에게 매력적인 요금제를 제공하려고 다양한 판매사업자들이 경쟁적으로 유연하고 동적인 요금제를 개발해 고객의 편익을 증대시키고 있다.

반면 우리나라는 합리적인 가격신호와 시장체계에 대한 정비 없이 정부가 인위적으로 결정한 운영방식을 준수해 정부가 정한 수준의 인센티브로 배터리 에너지저장장치에 대한 보조금을 지급해 왔다. 그 결과 배터리 3개 회사는 글로벌 기업으로 도약했고 누적 설치용량은 세계 최고 수준을 기록하지만, 정작 배터리 에너지저장장치는 전력산업에는 하나도 도움이 되지 못하고 화재 발생 위험만 높은 골칫덩이가 되고 있다. 혁신기술이 들어오려면 잘 설계된 시장에서 가격신호가 먼저 작동해야 한다는 교훈을 값비싼 수업료를 치르며 배우고 있다.

●타 부문과의 연계를 통한 탈탄소화 전략

수송, 냉난방 부문에서 발생하는 배출량은 전력 부문에서 발생하는 재생에너지 잉여전력으로 일부 탈탄소화를 달성할 수 있다. 수송 분야에서는 차츰 내연기관차들이 전기차와 수소차로 완전히 대체될 것이다. 전기차의 확산은 이미 전력 분야의 수요 전망에 포함되고 있으니, 수송 부문의 완전한 탈탄소화를 위해서는 수소 생산 과정의 탈탄소화가 추가적으로 필요하다. 전력 부문에서 발생한 재생에너지 잉여전력을 일부 활용해 생산한 그린수소와 해외에서 조달한 그린수소를 활용해 이를 해결할 수 있다. 재생에너지 잉여전력은 전극보일러나 히트펌프를 통해 냉난방의 탈탄소화에도 활용될 수 있다. 부족한 물량은 그린수소를 기반으로 동작하는 수소연료전지의 열·전기 동시 생산을 통해 충당할 수 있다.

이런 이종(異種) 에너지원 간 연계를 섹터커플링(Sector Coupling)이라 부르는데 이는 전력계통뿐 아니라 모든 에너지원을 공급하는 전체 인프라를 통합적으로 운용할 수 있어야만 구현할 수 있다. 이제 우리가 탄소중립을 위해 다뤄야 할 대상은 도매전력시장 가격, 소매전기요금뿐 아니라 열 요금, 가스 가격, 수소 가격 등 다수의 가격신호가 동시다발적으로 영향을 미치는 복잡한 통합에너지시스템이다.

●전력산업 공공성이 기술혁신을 유도할까

앞서 언급한 통합에너지시스템을 정부가 정해 주는 인위적인 가격체계에서 운영할 수 있을까? 각 부문 간 바람직한 상호작용을 일으키기 위한 수많은 에너지 요금을 소수의 관료와 전문가들이 어떻게 하나하나 결정할 수 있을지 필자의 사고 수준으로는 상상이 되지 않는다. 복잡한 시스템이 정상적으로 작동하려면 시장을 통한 자연스러운 가격신호를 바탕으로 시장 참여자들의 자유의지가 모여 각 에너지 부문 간 융합이 일어나야 한다.

또 이 복잡한 시스템을 구성하기 위해 필요한 다양한 혁신 기술들이 독점 형태의 공기업을 통해 비용·효율적으로 구현되고 상용화될 수 있을까? 독점적 지위는 시장 참여자의 비용 절감 유인과 기술혁신 유인을 떨어뜨린다. 정부가 독점기업의 적정 투자보수율을 유지해 주고 기술 경쟁을 할 대상이 없는 상황에서는 굳이 도전적인 의사결정을 할 동기가 생기지 않는 것이다.

물론 국가의 기반을 담당하는 전력산업의 공공성은 보호돼야 할 중요한 가치이다. 하지만 공공성이 추구하는 국민편익 증대와 소비자보호는 독점 공기업 유지를 통해서만 달성된다는 좁은 개념에서 벗어나자. 탄소중립을 위해 필요한 막대한 사회적 비용을 최소화하고 기술혁신을 통해 소비자 편익을 증대시키며 관련된 신산업의 발굴을 통해 국가의 새로운 성장 동력을 찾아내는 것도 전력산업의 공공성이 포함하고 있는 광의의 가치들이다. 해외 선진국의 많은 사례들은 역량 있고 정치에 독립적인 에너지규제기관의 존재와 정보의 투명성, 다수의 시장 참여자들을 통한 경쟁원리를 바탕으로 협의의 공공성을 보존하면서도 광의의 공공성까지 달성할 수 있음을 충분히 보여 주고 있다.

충남대 전기공학과 교수

■김승완

서울대 전기공학과에서 박사학위를 받고 2018년 9월부터 충남대 전기공학과 조교수는 재직 중이다. 연구 분야는 전력경제와 에너지정책이고 현재 한국에너지공단 비상임이사, 대통령 직속 국가기후환경회의 전문위원, 국무총리실 산하 수소경제위원회 위원