2024년 개기일식이 전력계통 운영에 미치는 영향
지난 4월 8일, 미국 텍사스 주부터 메인 주까지 걸쳐 개기일식의 영향으로 약 6.5GW의 용량에 달하는 태양광 발전 시설에 태양광이 완전히 가려질 것으로 예측됐다. 부분적으로 영향을 받을 태양광 발전 시설을 더하면 미국 내 약 84.8GW의 태양광 발전 용량이 영향을 받을 것으로 보인다.
일식이 진행되는 동안 전력계통을 운영함에 있어서 주의해야 할 것은 유틸리티 스케일 태양광 발전 용량의 감소로 인한 전력공급의 감소뿐만 아니라 수용가나 상업 고객들이 설치해 사용하고있는 1MW 이하의 용량의 태양광 발전 설비들의 발전 용량 감소로 인한 전력 수요의 증가도 고려해야 한다는 것이다. 이러한 소규모 태양광 발전 설비들은 ISO와 같은 계통 운영 단체가 추적 관리하지 않는 설비들이므로 계통 운영 단체의 입장에서는 소규모 태양광 발전 설비들의 감소된 발전 용량은 전력 수요의 증가로 나타날 것이다.
ERCOT 태양광 발전 현황
ERCOT의 발전 설비 믹스는 2023년 상당한 변화를 겪었다. 특히 재생에너지 관련해서 변화가 컸다. 2023년 그동안 꾸준하던 풍력 발전 설비 증설이 주춤한 반면 태양광 발전 설비의 증설이 급증했다. 2022~2023년 겨울 동안의 시간당 평균 태양광 발전량은 1.9GWh였고, 2023~2024년 겨울에는 3.3GWh로 증가했다. 동일 기간 동안 시간당 평균 풍력 발전량은 13.8GWh에서 약간 감소해 13.2GWh로 나타났다. 2022년 여름에는 시간당 평균 태양광 발전량이 3.6GWh였고, 2023년 여름에는 5.1GWh로 증가했다. 동일 기간 동안 시간당 평균 풍력 발전량은 11.2GWh로 변동이 없었다.
아래의 그림을 살펴보면 2023년 태양광 발전 용량의 증가와 2024년과 2025년 2년 동안 태양광 발전과 에너지 저장 설비의 용량 증가가 눈에 띈다. 2023년 텍사스에 설치된 태양광 발전 용량은 약16GW였으며 발전 설비 개발자들은 2024년과 2025년에 대략 24GW의 태양광 전력 용량을 추가할 계획이다. 같은 기간 동안 추가되는 풍력발전 용량은 3GW에 불과하다. 또한 개발자들은 2025년까지 13GW의 배터리 저장 용량을 추가할 계획이다. 참고로 EIA의 지난 2월 발간한 월간 발전 설비 보고서에 따르면 미국 내에는 총 152개의 운전 중이거나 곧 운전 가능한 양수 발전 설비들이 있고, 이러한 발전 설비들은 총 18개의 주에 분포하고 있다. 하지만 텍사스에는 양수 발전 설비가 존재하지 않는다.
개기일식동안 ERCOT 계통운영
지난 4월 8일 발생한 일식은 발생 이전에 이미 알려져 있던 현상이므로 미국 내 전력 회사 및 계통 운영자들은 감소될 태양광 발전 용량에 대해 대비하고 있었다. ERCOT 역시 다가올 일식에대비해 계통 운영 계획을 미리 세웠다. 아래 그림은 일식 발생 이전 ERCOT에서 예측한 일식 발생 시 태양광 발전량의 변화와 일식 진행 경로를 보여주고 있다. 다음은 일식에 대비한 ERCOT의 계통 운영 활동을 순서대로 나열한 것이다.
다음은 일식에 대비한 ERCOT의 계통 운영 활동을 순서대로 나열한 것이다.
• 일식 11일 전(2024년 3월 28일) 모든 시장 참여자들에게 4월 8일 일식에 대해서 1차 운영 공지를 발송했다.
• 일식 10일 전(2024년 3월 29일) 태양광 예측 벤더들에게 4월 8일 예측치를 입수, 검토했다.
• 일식 7일 전(2024년 4월 1일) 선택한 태양광 예측값을 검토하고 날씨와 발생가능한 순부하 증감을 모니터했다.
• 일식 4일 전(2024년 4월 4일) 모든 시장 참여자들에게 4월 8일 일식에 대해서 2차 운영 공지를 발송했다.
• 일식 2일 전(2024년 4월 6일) 다음날인 일요일의 하루 전 시장을 열기 전에 선택한 태양광 예측값과 일식 발생 시간의 보조 서비스 요구량(Ancillary Service Requirement)을 검토하고 변경이 필요한지를 평가했다.
• 일식 1일 전(2024년 4월 7일) 하루 전 시장이 청산된 후 Daily Reliability Unit Commitment(DRUD)이 시작되기 전에 일식 발생 시 충분한 용량 마진이 있는지와 태양광 발전 예측값의 선택을 바꾸어야 할 지와 DRUC이 종료된 후 RUC 결과와 일식 발생 시간동안의 용량 마진을 검토했다.
• 일식 당일(2024년 4월 8일) 일식이 시작되기 2시간 전인 오전 10시에 태양광 예측의 성능과 Generation To Be Despatched(GTBD)를 검토했다.
ERCOT의 5분 간격 발전 데이터는 중부 표준시(CT) 12시 20분부터 태양광 발전이 감소하기 시작했다는 것을 보여준다. 일식은 텍사스에서 CT 오후 3시 7분에 끝났다. U.S. Energy Information Administration(EIA)의 시간별 전력계통 모니터에 따르면, ERCOT은 일식 동안 약 8.9GW의 태양광 발전 용량을 잃은 것으로 나타났다.
일식에 영향을 받은 나머지 주들과 마찬가지로 ERCOT에서 손실된 태양광 발전의 대부분은 천연가스 발전을 통해 보충됐으며 4월 8일에 손실된 태양광 발전의 약 80%를 대체했다. EIA의 시간별 전력계통 모니터에 따르면, 천연가스 발전설비들은 일식이 발생한 1 p.m. CT와 2 p.m. CT 사이에 추가로 6.2GW를 발전해 손실된 태양광 발전을 대체했다. 석탄 발전과 주로 에너지 저장 설비로 구성된 기타 타입 발전 설비는 각각 추가로 0.8GW를 생산해 태양광 발전 손실을 보완했다.
ERCOT은 지난 4월 8일 일식 발생 당일 다음과 같은 전력 시장 운영을 통해 일식 발생 시 태양광 발전량의 감소를 원활히 대체했다.
• 11:31:22 AM
일식 동안 램핑이 빠른 발전 설비가 가용하도록 램핑이 느린 발전 설비들을 급전에 수동으로 사전 투입했다.
• 12:46:06 PM
2,433.7MW의 Non-Spin Reserve 보조 서비스 용량을 계통 급전에 투입했다.
• 1:39:18 PM
램핑이 느린 발전 설비의 급전 수동 배치를 취소했다.
• 1:42:09 PM
934.5MW의 Non-Spin Reserve 보조 서비스 용량을 계통 급전에 투입했다.
• 1:48:40 PM
모든 Non-Spin 급전이 취소됐다.
4월 8일 Non-Spin Service의 요구량이 일식 발생 시간에 맞춰 증가했다.
시사점
최근 미국에서 발생된 개기일식은 하나의 자연현상에 불과하지만, 개기일식 영향을 크게 받는 태양광 발전의 재생에너지 비중이 급격히 확대되고 있는 상황에서 안정적 전력공급을 목표로 하는 전력당국자에게 주는 시사점은 매우 크다. 미국 사례에서 보는 바와 같이 개기일식 기간 동안, 지역별 태양광 발전 변화에 의한 감소량 계산, 중앙관제센터에서 계측되지 않는 소규모 태양광 발전 감소에 의한 전력수요 증가에 대한 모델링 등의 개기일식에 의한 태양광 발전 영향에 관한 계량적 체계를 갖추고 있어야 미래 발생할 유사 경우에 대비가 가능할 것으로 보인다. 또한 계통운영 측면에서 개기일식 기간 동안 태양광 발전 감소를 충당할 수 있는 유연성 확보를 염두에 두고 충분한 발전기 출력 증감발(ramp rate) 특성을 갖춘 예비력 공급 수단을 확보할 수 있어야 할 것이다.
이정호 한국전기연구원 연구위원, 정만호 Sempra Energy Principal Risk Analyst [email protected]
