정부의 전력수급기본계획에 따르면 신재생에너지와 천연가스(LNG) 복합화력발전소가 증가할 전망이다. 석탄화력 60기 중 수명이 30년이 넘어가는 30기(15.3GW)를 2034년까지 폐지하고, 그중 24기(12.8GW)는 복합화력발전으로 대체하면 복합화력발전 설비용량은 신규 발전소까지 포함하여 41.3 GW에서 34년에는 59.1GW까지 늘어날 전망이다. 같은 기간에 신재생 설비용량은 20.1GW에서 77. 8GW로 늘어날 전망이다. 신재생에너지 기본계획에 의하면 2034년 발전량 중 신재생에너지 비중은 25.8%(재생 22.2%, 신 3.6%)이고, 재생에너지 보급을 통한 온실가스 감축량 목표는 69백만t CO2으로 2017년 감축량 14.6백만t CO2 대비 4.7배 감축을 목표로 하고 있다.

안정적인 전력계통 운영을 위한 세부 추진 과제로 재생e 변동성 확대에 따라 계통 복원력(Resilience)이 약화되지 않도록 재생e의 예측·제어 능력을 강화하고, 유연성·관성 자원 확보가 필요하다. 국제에너지기구(IEA)는 변동성 재생에너지 비중을 15% 이상(Phase 3~6)에서 출력 예측 시스템, 유연성 자원 확대, 계통 관성 유지의 중요성 강조 등의 정책을 제언하고 있다. 변동성 재생에너지(VRE, Variable Renew able Energy) 확대로 인한 돌발적인 계통 악화 상황에도 빠르게 대응할 수 있는 유연성을 확보하기 위해 에너지저장장치(Energh Storage system, 이하 ESS), 양수, 가스터빈 등 유연성 자원을 확보하고, 실시간·보조 서비스 시장을 통해 유연성 자원이 주파수 조정·예비력 제공 등 전력계통 신뢰도 유지에 기여하는 경우 적정 가치를 보상할 수 있는 체계 구축을 마련할 예정이다. 또 예측·제어 능력, 유연성 자원 확보에도 불구하고, 불시 고장 시 대비 안정적 계통 운영에 필요한 관성 자원을 확보하고, 계통 운영자가 일정 수준 이상의 관성 자원을 확보하도록 계통 신뢰도 기준도 강화할 예정이다.

화석연료를 사용하는 발전소는 줄고, 신재생 발전은 지속적으로 증가할 것이므로 전력계통의 단기 유연성 증대 및 계통 안정도 유지를 위한 대응책이 필요하다. 2030년까지 신재생에너지 비중이 발전량 기준으로 40%까지 증가할 것으로 전망되며, 이러한 수준에서는 100% 재생에너지로만 전력을 공급하는 시간대가 발생할 수 있다. 따라서 기존의 대응 방안으로는 어려운 상황이기 때문에 새로운 대책이 필요하다.
신재생에너지는 친환경적이지만 화력발전에 비해 경제성 확보가 어려우며, 신재생의 변동성과 간헐성에 대응한 안정적인 전기 공급을 위해서는 고속의 출력변동률을 가진 복합화력발전소의 주파수 조정 운전량을 증가시키거나, 고가의 전기 ESS 등을 계통 안정화 설비로 증설하여 전력계통의 유연성을 확보한다. 복합화력발전은 온실가스 배출이 석탄화력발전의 절반 이하로 발생하고, 전력이 필요한 시기에 신속한 공급이 가능하며, 신재생에너지 공급의 급변으로 인해 전력계통이 불안정할 때 고속의 응동 특성을 이용하여 안정화시킬 수 있다.

복합화력발전소 운영 현황

복합화력발전소는 그림 1, 2와 같은 구조를 갖고 있다.1~2) 복합화력발전소의 부하 조정은 급전 출력 요구량 및 주파수 추종 운전 기능에 따라 가스터빈 연료 제어 밸브 개도를 조정하여 연료량을 제어함으로써 출력을 직접 제어하는 방식이다. 화석연료를 사용하는 발전소의 감소와 신재생 발전의 증가에 따라 전력의 공급과 수요 간 편차가 커지고, 계통 주파수가 더욱 흔들림에 따라 복합화력발전소의 변동이 잦고, 변동폭도 증가하고 있다. 연료량이 지속적으로 변동하고, 연소기는 과도 상태로 운전되며, 연료 제어 밸브 개도의 지속적인 변동은 가스터빈 배기온도, 연소기 동압 및 배기가스 오염물질(질소산화물, 황산화물 등)의 지속적인 변화와 증가를 초래하여 가스터빈 발전소의 수명 저하, 고장 증가 및 계통 불안정 등을 초래한다. 최근 복합화력발전소는 빈번한 기동 정지와 출력 증감발로 안정적인 운전보다는 부하 추종 위주의 과도 상태로 운전되고 있다. 복합화력발전소는 고온 연소에 필요한 소재 및 냉각 기술 개발을 통해서 연소가스 온도를 높이고, 효율이 높은 대용량의 가스터빈을 개발하고 있다. 가스터빈의 내부는 그림 3과 같으며, 금속의 융점을 상회하는 온도의 연소가스를 작동 유체로 사용하기 때문에 연소가스와 접하는 연소기, 터빈 동익 및 정익은 경년열화에 대한 주의가 필요하며, 발전소의 운전 조건, 환경 조건에 따라서 많은 영향을 받기 때문에 수명 관리가 필요하다.3) 이러한 고온 부품들은 고가의 유지 정비를 필요로 하며, 과도 상태 운전이 증가함에 따라 복합화력발전소 운영의 경제성을 저하시키는 요인으로 작용한다.

ESS를 연계한
하이브리드 운전제어 기술

이에 복합화력발전소 출력을 안정화시킬 수 있도록 ESS를 복합화력발전과 연계 운영하고, 빈번한 출력 변동분을 담당하는 하이브리드 발전 기술을 개발하여 문제를 해결하고자 한다. 최초 실증은 그림 1의 한국서부발전㈜ 군산복합화력발전소와 그림 4의 한전 고창전력시험센터 내 배터리 ESS를 연계하여 시험한다. 복합화력발전소가 전력계통의 변화에 신속히 대응하면서도 출력을 안정화시킬 수 있도록 ESS를 연계하여 운영하는 기술이다. 이 기술은 복합화력발전소에 국한하여 설명하고 있지만, 계통 상황에 따라 다른 형태의 발전소가 동일한 문제를 해결하고자 할 경우에도 적용이 가능하다.

복합화력발전소 출력은 여러 운전 인자들과 관련이 있으며, ESS를 연계 운영하여 복합화력발전소 출력을 안정화시키면 관련 운전 인자들을 안정화시킬 수 있어 효율, 환경오염 물질 저감, 경제성, 유지 정비 등의 측면에서 효과가 있다. 복합화력발전소 출력이 변동하면 발전소 배기가스의 질소산화물과 황산화물의 양, 연료량, 배기온도, 연소기 동압 등 다양한 운전 인자들이 그림 5~7과 같이 변한다.

또 발전소 출력이 변하고, 일정 시간이 지나면 출력과 유사한 변화를 보이면서 발생한다. 출력과 비례하여 발생하는 것을 알 수 있다. 이러한 변화는 다른 발전소 및 다른 시간대에서도 동일하게 나타난다. 출력을 안정화시키면 이러한 운전 인자들도 감소시킬 수 있다.

연료량의 변화는 연료 사용량 대비 출력의 관계에서 연비를 저하시켜 발전소 효율을 떨어뜨린다. 연소기 동압과 배기온도는 고온 부품 수명과 관련이 있는데, 고온 부품의 온도가 너무 높아 연소기 동압과 배기온도를 이용하여 간접적으로 측정한다. 연소기 동압과 배기온도의 변화는 고온 부품의 온도변화를 나타낸다. 고온 부품의 온도 변화가 심해질 경우 고온 부품의 수명이 저하되고, 고장 빈도가 증가하고 교체해야 할 경우 고가의 비용이 발생하고, 불시에 교체할 경우 고장 정지로 인해 전력 공급 및 전력계통 안정화 역할을 제대로 수행할 수 없다. 복합화력발전의 가스터빈은 매우 높은 온도와 큰 하중을 받으면서 운전되기 때문에 고온 부품[Combustor Liner, Transition Piece, Diaphragm, Bucket(Blade), Nozzle(Vane) 등]은 잦은 기동과 정지에 따른 부품의 열피로, 균열, 부식, 소손 등 다양한 형태의 손상이 발생하고 있다.

이렇듯 열악한 조건에서 운전되는 가스터빈의 부품 수명은 등가 운전 시간(EOH)으로 관리하며, 주기적인 정비 및 재생을 실시하고 있다. 그림 8과 같이 연소온도가 15℃ 증가하면 고온 부품의 고장 요소 중 하나인 크리프 파단 시간이 절반으로 줄어들어 고장이 더 빨리 발생한다. 그림 8은 GE F Type 1st Blade GTD 111 DS 재료를 대상으로 크리프 파단 시간을 계산한 결과 모재 온도가 926.6℃에서 940.5℃로 약 15℃ 상승하면, 크리프 파단 시간은 1,000시간에서 500시간으로 줄어들었다.4)

위 운전 분석 결과에서 발전소 출력 변화는 여러 운전 요소들과 직결되고, 출력을 안정화시키면 이러한 운전 요소들도 안정화시킬 수 있음을 알 수 있다. ESS를 복합화력발전소와 연계하여 운전하면 그림 9와 같이 출력을 안정화시킬 수 있다. 그림에서 GT #1이 ESS를 연계 운전하지 않을 때 발전소 출력, GFP가 ESS의 출력, GT#1-GFP가 ESS를 연계 운전할 때 발전소 출력이다. ESS를 GFP 출력을 발생하도록 하여 발전소 전체 출력의 변동분을 담당하게 함으로써 GT#1-GFP와 같이 출력을 안정화시킨다.
ESS를 위와 같이 운전하기 위해서는 다음과 같은 알고리즘이 필요하다. ESS 운전은 크게 두 가지 기능을 한다. 첫 번째는 복합화력발전 AGC 하이브리드 운전이다. 두 번째는 복합화력발전 GF 하이브리드 운전이다. AGC는 자동발전제어 운전으로 전력계통 전체 전력의 공급과 수요를 유지하는 역할을 하기 위하여 전력거래소에서 각 발전소에 요구하는 전력 증감발 운전이다. GF는 전력계통 주파수 변동 시 발전기가 자신의 속도를 유지하기 위해 전력을 즉시 증감발할 때 응동하면서 발생하는 출력 운전이다. AGC, GF 운전 시 복합화력발전소는 다양한 구성 설비의 응동으로 인해 출력 증감발 시 응동 지연이 발생한다.

AGC와 GF 응동 요구량인 전력 요구 신호는 계단 응답으로 출력을 요구한다. 실제 발전소는 계단 응답이 불가하므로 전력 요구 신호와 같이 출력을 변화시키고자 자체 요구량을 생성한다. 그러나 출력을 위해서는 발전기 출력과 같이 더 많은 출력과 오버슛 및 언더슛 운전을 해야 한다. 이러한 더 많은 출력과 오버슛 및 언더슛 운전과 응동 지연은 발전소 자체의 고장과 전력계통의 불안정을 가져온다.

발전소는 고온 부품을 포함한 다양한 설비를 유지해야 하는 온도, 유량, 압력 등의 운전 범위 내에서 운전되어야 하나, 이러한 변화는 운전 범위를 벗어나거나 잦은 증감으로 인한 고장을 유발한다. 따라서 AGC, GF 하이브리드 운전은 그림 10, 11과 같이 기존의 AGC, GF 운전과 예측제어 운전을 비율적으로 운영하여 오버슛, 언더슛과 응동 지연을 해결하고, 더욱 신속 정확한 응동을 수행할 수 있다. 

위와 같이 ESS를 연계하여 하이브리드 운전을 하면 그림 12와 같이 복합발전소 운전을 안정화시킬 수 있다. GT1 Target은 AGC Target으로 전력거래소에서 발전소에 요구하는 전력 요구량이다. 그런데 실제 발전기 출력인 GT#1은 청색과 같이 전력 요구량에 비해 출력 변화가 더 크고 빈번하다. 여러 가지 인자들에 의해 발전기 출력이 청색과 같이 변하는 것을 예측하여 황색의 GFP와 같이 ESS가 출력을 내면 실제 발전기는 녹색 GT#1-GFP와 같이 안정된 출력을 낼 수 있다.

하이브리드 발전을 위해서 ESS를 반드시 발전소 내에 설치할 필요는 없다. ESS가 발전소의 AGC, GF 하이브리드 운전을 같이 해주면 전력계통 어디에 연계해도 상관은 없다. 다만 발전소의 AGC, GF 운전을 위해서는 통신 또는 신호선 연계가 필요하므로 근거리에 설치하여(상호 필요한 신호를 송수신하여) 운전하는 것이 효과적이며, 신호 송수신의 제약으로 오버슛, 언더슛 및 응동 지연을 제거하고 안정화하는데 차이가 발생할 수 있다. 또한 주파수 측정 계측기의 측정 속도 및 정확도에 따라 효과에 차이가 발생할 수 있다. 발전소 내에 설치할 경우는 전력거래소의 AGC Target을 발전소가 받아 ESS에 분담하고, ESS는 예측제어 값과 함께 응동하고, 발전소가 전력계통에 연계하는 송전단에는 발전소와 ESS의 출력이 동시에 송전되도록 한다. ESS가 발전소 부지 밖에 전력계통에 연계되더라도 ESS가 하이브리드 운전하는 대상 발전소의 AGC, GF 운전을 대신하여 전력계통에 해당 출력을 증감발하면 발전소는 전력계통에 나머지 출력만 응동해 주고, 안정된 출력을 유지할 수 있다.

 

 맺음말

신재생 발전설비의 증가 및 환경오염과 기후변화 등 당면한 문제를 해결하기 위한 전력계통의 변화는 기존 발전설비인 원자력, 석탄화력발전, 복합화력발전 등에 운영 및 유지보수 측면에서 여러 가지 변화를 가져오고 있다. 전력 수요의 급변으로 인한 전력 공급의 어려움, 발전소의 신속한 전력 공급량의 증가, 발전소의 잦은 기동 정지 및 출력 증감발로 인한 운전 및 유지 정비의 어려움과 고장 증가 등을 초래하고 있다. 이러한 변화에 대응하기 위해 발전소의 보다 빠른 속응성을 확보하면서도 안정적으로 운영하는 기술과 전력 수요를 예측해서 대응하는 기술 개발 등을 진행하고 있다.

성공적인 기술 개발과 전력계통의 안정적인 운영을 위해서는 이를 뒷받침하기 위한 인프라를 구축해야 하며 ESS 기술, 운전 제어, 계측 제어, 모의, 통신 등의 관련 기술을 동시에 발전시켜 확보해 나가야 할 것이다. 본 기술 개발과 지속적인 관련 기술의 발전을 통해 향후 국내외 ESS 산업을 포함한 전력 산업이 보다 안정적으로 운영되고 활성화되며, 큰 변화를 겪고 있는 전력계통을 보다 안정적으로 운영할 수가 있다.

<참고문헌>

1) 한국서부발전㈜ 홈페이지 iwest.co.kr
2) 동두천드림파워㈜ 홈페이지 iddp.co.kr
3) Businesskorea, “Doosan Enerbility Ushers in New Era of Domestic Gas Turbine Engine Production”, Industries, 2023.8.8
4) EPRI Gas Turbine Superalloy Material Property Handbook for Blades, Page 17-12

gplim16@kepco.co.kr