특별기획 - 슈퍼그리드 개요 및 전망
‘슈퍼그리드’는 경제적 이익 극대화 및 공급신뢰도 향상을 위하여 넓은 지역(대륙간) 혹은 서로 다른 국가 간에 전력계통을 연결함으로써 전력을 상호 융통하는 에너지 수송 네트워크로 정의할 수 있다.
슈퍼그리드가 구성되면 연료비 차에 의한 경제적 전원 확보로 전력구입비 절감이 가능하고 국가 간 경제적인 전원의 공동 활용으로 전체 연계계통 운전비용 절감이 가능하다.
또한 상호 간 전원설비 공유를 통한 설비/공급 예비력 추가확보가 가능하고 해외전원 개발을 통한 경제성 및 전원입지난 해소가 가능하다.
마지막으로 시간대별로 전력 수요가 급증하는 데 따른 부작용을 줄일 수 있다.
슈퍼그리드(Super Grid) 개요
전력망으로부터의 효율적이고 신뢰성 있는 전력 공급은 산업 발전과 경제 성장에 매우 중요한 요소이다.
이런 산업화 추세와 전 세계적으로 증가하는 전력수요는 양적으로나 질적으로 높은 수준의 전기 서비스를 요구한다.
따라서, 선진국을 중심으로 많은 국가에서 노후화된 전력 인프라의 교체 및 재정비 작업을 통해 비용을 절감하고, 기존의 생산 설비를 그대로 가지고 산업 생산력을 유지하기 위한 노력이 행해지고 있다.
또한, 에너지 고갈 위기와 지구온난화 등의 환경위기에 따른 대안으로 신재생에너지원의 계통 연계가 늘어가고 있으나 신재생에너지원을 포함한 대부분의 발전시설이 대규모 수용가로부터 멀리 떨어진 곳에 위치하여 장거리 전력전송을 위한 송배전 인프라 구축 수요가 늘어가고 있다.
이러한 필요성에 의해 고효율, 저비용으로 장거리 전력전송이 가능한 슈퍼그리드가 대두되었다.
‘슈퍼그리드’는 경제적 이익 극대화 및 공급신뢰도 향상을 위하여 넓은 지역(대륙간) 혹은 서로 다른 국가 간에 전력계통을 연결함으로써 전력을 상호 융통하는 에너지 수송 네트워크로 정의할 수 있다.
또 다른 용어로는 메가 그리드(Mega Grid)라고 지칭하기도 한다.01
슈퍼그리드 사업은 경제적 이해 및 에너지 안보 측면에서 주변국과 정치, 경제, 사회적으로 매우 밀접하게 관련되어 있다.
이들 사업은 국가 간 협력 사업이면서, 동시에 대규모 투자를 필요로 하는 대형 사업이므로 국가 간 계통연계사업의 실질적 추진에 앞서 국가의 이익을 최대한 확보하기 위한 정책적 결정과 사전 연구가 필요하다.
또한 슈퍼그리드 구성 시 전력거래 계약조건에 따라 국가와 전력회사의 이익에 미치는 영향이 막대하고, 미래의 온실기후협약에 따른 환경 영향 등을 고려하기 위하여 경제적, 환경적, 제도적 검토가 필요하다.
기술적으로도 서로 다른 기술 기준(Standard)과 계통 운영상에 일어날 수 있는 문제들에 대한 해결책이 필요하고, 이에 따라 능동적 제어가 가능하고 상호 계통영향을 최소화할 수 있는 연계 방식인 초고압직류송전시스템(HVDC)의 설치/운영 사례가 많다.
국내의 경우 HVDC 기술이 현재 초기 개발 중이나 글로벌 트렌드가 멀티레벨 전압형 HVDC 등으로 바뀌는 추세에 있고 기타 미래 핵심 기술에 대한 검토와 확보가 필요한 상황이다.
이 밖에도 국가별로 서로 다른 법률 체계나 국가 에너지 안보, 재원조달 방안 역시 고려가 필요하다.02
슈퍼그리드 현황
현재 진행 중인 대표적인 슈퍼그리드로는 북유럽의 Nordic-EU Super Grid를 비롯하여 남유럽-북아프리카의 Sud EU-Magherb Super Grid, 남아프리카의 Grand Inga Project, 북아메리카의 계통 연계 등이 있다.03
북유럽 슈퍼그리드는 서유럽의 신재생에너지원 발전을 이용한 그리드로 영국, 독일의 해상풍력발전과 노르웨이의 수력발전, 독일 북부의 육상풍력발전으로부터 에너지를 공급받아 유럽지역 전력시장에 에너지를 공급한다.
1단계의 용량은 25~30GW 정도이고 최종적으로 약 500GW를 목표로 하는 슈퍼그리드이다.
남유럽-마그레브 슈퍼그리드는 사하라 사막의 태양열, 태양광 발전을 통해 에너지를 공급받고 2050년까지 470GW의 용량을 목표로 진행 중이다.
그랜드 잉가 프로젝트는 콩고의 수력발전자원(Inga댐)으로부터 전력을 공급받아 북으로는 이집트 카이로, 남으로는 남아공 요하네스버그까지 전력을 공급한다.
용량은 100GW정도로 이는 아프리카 전체 전력수요의 3배를 차지한다.
북아메리카 계통 연계는 NPCC(Northeast Power Coordinating Council), ECAR(East Central Area Reliability Coordination Agreement), MAPP(Mid-Continent Area Power Pool) 등으로 이루어져있다.
세계 최대의 전력계통 규모를 지니고 있으며 현재 약 830GW를 생산하고, 230,000km의 장거리 송전이 가능하다.
동북아 지역의 국가 간 계통연계는 6개국(한국, 북한, 러시아, 중국, 일본, 몽고)을 대상으로 1990년대 초부터 기본전략수립 연구가 진행되었다.
1990년대 중반 이전은 동북아 전력협력이 최초로 대두되는 시기로, “러시아-일본”, “러시아-중국” 계통 연계가 논의되었다.
1990년대 후반부터는 러시아의 적극적인 연구와 더불어 “남한-북한-러시아” 연계망이 급속도로 대두되었고, 2005년 이후 동북아 및 남북한 전력협력이 본격적으로 논의되었다.
이와 함께 “핵폐기를 전제로 한 직접송전방식의 200만kW 지원(안)”이 발표되었고, 개성공단에 154kV 송전선로와 평화변전소가 건설되면서 10만kW가 공급되었다.
그리고 현재, 동시베리아 및 극동지역 전원 개발에 따른 수요처 확보 관점, 한국/북한 국내 전력 수요에 대한 전원확보 관점과 더불어 후쿠시마 원전사고 이후 “한국-일본” 전력망 연계에 있어서도 적극적인 움직임과 함께 최근에는 한국-러시아 간의 전력 계통 연계 사업이 실질적으로 추진되며 이슈화 되고 있다.
슈퍼그리드 당위성
슈퍼그리드가 구성되면 연료비 차에 의한 경제적 전원 확보로 전력구입비 절감이 가능하고 국가 간 경제적인 전원의 공동 활용으로 전체 연계계통 운전비용 절감이 가능하다.
또한 상호 간 전원설비 공유를 통한 설비/공급 예비력 추가확보 가능하고 해외전원 개발을 통한 경제성 및 전원입지난 해소가 가능하다.
마지막으로 시간대별로 전력 수요가 급증하는 데 따른 부작용을 줄일 수 있다.
전력 수요가 가장 많은 피크타임이 시차를 두고 발생해 공급이 부족한 나라에 전기를 공급해 줄 수 있는 것이다.
추가적 당위성은 다음과 같다.04
첫째, 송배전 산업 기술의 향상과 전력망 업그레이드이다.
송배전 산업의 기술적 향상은 전기를 원거리 발전지역으로부터 도심 지역의 집중 부하단으로 효율적이고 값싸게 전송하는 것을 가능케 하였다.
HVDC, 컨버터 스테이션 기술의 향상은 장거리, 고용량, 저손실의 전력 송전을 가능케 하였으며 장거리 송전에서의 DC 사용과 소규모 지역 배전망에서의 AC 변환을 쉽게 만들었다.
통합된 AC/DC 망은 상이한 전송 설비를 지닌 다른 지역 간의 연계가 가능하게 해준다.
그리고 현재 많은 나라의 송배전망은 노후 되었다.
또한 수요가 증가해 설비용량을 앞지름에 따라 많은 나라와 지역들은 송전 시스템을 업그레이드 하려고 하고 있다.
이런 업그레이드 또한 슈퍼그리드의 구축을 가능하게 해준다.
둘째, CO2 배출 감소에 있다. 오늘날 CO2 배출을 줄이는 것은 큰 이슈이다.
그 이유는 환경 문제에 대한 관심 고조되었기 때문이다.
오바마 미국 대통령은 2030년에 CO2 배출을 2005년 수준 대비 42% 줄일 것이라 하였고, 영국의 기후 변화 법률(2008)은 2050년 온실가스 배출을 1992년 수준 대비 80% 줄이도록 목표를 정하였다.
EU는 온실 가스 배출을 2020년까지 1990년 대비 20.0% 줄일 것을 목표로 하고 있다.
또한 중국은 에너지 1 단위 생산에 사용되는 CO2의 양인 탄소강도(carbon intensity)를 줄이기로 하였다.
이러한 다양한 CO2 배출 감소 정책들의 도입을 위해서는 보다 많은 신재생에너지원을 계통에 연계시켜야 하며 대규모의 송배전 인프라로 바뀌어야 한다.
현재 유럽의 신재생 에너지원 계통 연계 수준은 매우 높은 수준은 아니기 때문에 현재 시스템만으로 관리가 가능하다.
그러나 목표치인 20%의 신재생 에너지원 계통 연계 시에는 현재의 인프라만으로는 변동성이 많은 신재생에너지원의 연계가 효과적으로 이루어 질 수 없으며 송전시스템 및 제어시스템에 대한 보다 적절한 변화가 요구된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 슈퍼그리드가 필요하다.
슈퍼그리드 시장과 국내 기업 활성화 전략
현재 슈퍼그리드 구성에 사용되는 핵심기술인 고전압직류송전 (HVDC, High Voltage Direct Current) 기술은 전력계통에 직렬로 연결되는 고 신뢰도가 요구되는 기술 설비로, 현재 HVDC 시장은 ABB, Siemens, Alstom 등 소수 업체가 과점하고 있는 실정이다.
이에 따라 과점 업체들 내에서만 정보가 공유됨으로써 시장 전망, 프로젝트 규모, 계약 금액 등의 기초적인 시장 정보가 매우 제한적이다.
또한 대규모 송전설비 개발 및 건설 프로젝트는 변환기기 및 송전선 제작, 설치 등 막대한 비용의 안정적 조달이 관건이다.
하지만, 현재 세계적인 추세는 계통의 초고압직류송전시스템 투입이 늘어나고 있으며, 해당 시장 예측치는 변환소 기준으로만 2020년 기준 2조 5,080억원, 세계 시장은 71조 1,902억원에 달할 것으로 예측된다.
시장 성장률은 국내 1,400%, 세계 시장 200%로 예측하고 있다.05
슈퍼그리드 시장성장 촉진요인으로는 해상풍력발전 등 신재생 발전 수요와 국가 간 연계의 필요성 증대, 송전선로 손실감소 및 전송 능력 증대 요구 증가, 국내 레퍼런스 확보 및 정부 차원에서의 지원 확대 등이 있다.
슈퍼그리드 사업은 현재 프로젝트 파이낸싱을 포함하는 종합 솔루션 사업으로 진화 중이다.
현재 국내에서는 2017년 이전 관련 기술 개발 완료를 통한 2020년 HVDC 사업의 국산화 계획에 있다.
이를 위한 실증, 설계, 시험 및 인증 등의 설비 도입을 위해서 정부 차원의 지원이 필요하다는 것이 산업계의 중론이다.
하지만 기업체가 단독으로 개발을 수행하기에는 규모가 커 정부 및 산학연 협력에 의한 사업개발 및 효율적인 아웃소싱이 중요하다.
또한 국가지원에 의한 국산화로 기술 확보 및 신뢰성 검증 등의 난이도 극복이 필요한 상황이다.
해당 기술을 개발한 이후에도 세계 시장은 현재 선진업체들의 과점으로 인해 후발주자 진입이 어려운 상황으로 일정기간 자국시장 보호방안이 필요하다.
부가적으로 차세대 기술로 대두되는 멀티레벨 전압형 HVDC 기술 등은 국내 기업과 선진사 간의 기술격차가 5년 이하로 시장 신규진입 가능성이 보다 높게 판단된다.06
결론
슈퍼그리드는 각기 다른 계통 특징을 통해서 경제적 이득을 얻을 수 있다.
대표적인 예로 슈퍼그리드를 통해 전력이 부족한 영국, 독일, 미국, 중국 등의 국가들은 자원이 풍부한 캐나다, 스웨덴, 러시아와 같은 전력수출 국가에서 원활하게 전력공급을 받을 수 있다.
인접 국가 간의 전력계통 연계는 전력 수급의 신뢰성을 증가시킨다.
기후변화에 대한 관심이 높아짐에 따라 탄소 배출이 없는 태양광, 풍력 발전 등 신재생에너지원의 증가하고 있다.
하지만 대부분의 신재생 에너지원은 출력 변동이 심하고 예측이 힘들어 출력 변동을 낮출 수 있는 조치가 필요하다.
슈퍼그리드는 발전설비를 공유할 수 있기 때문에 예비력의 추가 확보가 가능해진다.
따라서 슈퍼그리드는 계통의 규모를 크게 하면서 전력 수급의 신뢰성을 증가 시키고 예비력의 추가 확보가 가능해져 신재생에너지의 수용률을 높일 수 있다.
뿐만 아니라 슈퍼그리드는 슈퍼그리드는 국가 간 대규모 협력 사업이므로 각 국가 간의 사회적 교류를 활성화 시키는 매개체의 역할을 기대할 수 있다.
전력 계통의 연계를 통하여 각국의 정치적 긴장감을 완화 시킬 수 있고, 양국의 전력회사의 새로운 성장 동력을 창출할 수 있다.
사업화 측면의 경우, 슈퍼그리드에 대한 경험 축적을 통해 타 국가의 계통 연계 사업 참여가 가능하다.
전력 수요의 증가로 인해 전 세계적으로 슈퍼그리드 시장은 꾸준히 증가 할 것으로 예상된다.
또 개발도상국에서는 인구증가, 산업화 등으로 에너지 수요가 급격히 증가하고 있고 일부 선진국의 경우 대부분의 송배전망이 노후화되어 송전 시스템을 업그레이드하기 위한 프로젝트가 수행 중이다.
이 또한 슈퍼그리드 시장 확대에 기여하고 있다.
이런 세계적 수요에 맞는 선진 기술을 보유한다면 세계 시장에서 주도적인 역할도 가능할 것으로 예상된다.
01 vision gain, The Super Grids Market 2012-2022
02 김경식, 동북아 전력계통연계 고려사항, 전기저널 2003.
03 송배전설비연구회 슈퍼그리드 워크샵, ‘글로벌 슈퍼그리드 현황 및 미래’ 발표자료
04 vision gain, The Super Grids Market 2012-2022
05 Global Data, High-Voltage Direct Current (HVDC) Converter Stations - Global Market Size, Average Pricing, Equipment Market Share and Competitive Landscape Analysis to 2020
06 Super Grid 기술기획 TF, 기반구축 수요 발표자료
07 vision gain, The Super Grids Market 2012-2022
08 한국전기연구원, ‘동북아 국가간 계통연계 기술개발 예비타당성 연구’ 최종보고서