변동성·불확실성 자원 多…전력 수요 조절·관리 중요
“수요 변화 민감하게 반응하고 알맞은 전력 공급해야”
 

김윤수 광주과학기술원 에너지융합대학원 교수가 전력계통과 에너지 가격 관계에 대해 이야기하며 전력 수요를 조절, 관리하는 기술을 개발하고 이를 활용해야 한다고 전했다.

김윤수 교수는 지난 17일 마우저 주최, e4ds가 주관한 ‘마우저 파워 세미나 2023’에서 ‘저탄소 전력계통 운영 기술과 에너지 가격의 관계에 대한 이해’를 주제로 특강을 진행했다.

오늘날에는 변동성과 불확실성이 큰 자원들이 많아지고, 탄소 배출량이 비용으로 환산되어 수요량을 조절해 수급 균형을 조절해야 한다는 개념이 자리 잡았으며 이러한 변화는 수요 조절로 이익을 발생시킬 수 있는 시장과 환경을 조성하고 있다.

알맞은 수요의 전력을 공급하기 위해 전력 수요를 조절, 관리하는 기술을 개발하고 이를 활용해야 한다는 것이 김 교수의 의견이다. 

그는 전력계통의 정의부터 전기 가격이 결정되는 과정, 에너지관리시스템의 수식과 기법, AI의 활용을 설명했다. 

전기가 생산되어 소비에 이르기까지의 모든 과정을 전력계통이라고 부른다.

발전소에서 전력 생산, 송전망을 거쳐 변전소를 통해 전압이 강압된 다음 배전 계통을 통해 우리에게 전달된다.

대부분의 제품이 그렇든 전기도 수요와 공급이 만나는 지점에서 가격이 결정된다.

전력계통운영자인 한국전력거래소는 다음 날 시간대별로 수요를 예측한 뒤 시간대에 사용할 수 있는 발전기를 가격이 낮은 순서대로 쌓아 올린다. 

해당 시간에 수요를 만족시키기 위해 가동해야 하는 제일 높은 위치에 발전기의 단가를 기준으로 시간대의 전기 가격이 정해진다. 

새벽 시간에는 원자력으로 수요를 감당할 수 있으나 낮 시간에는 화력도 가동되어야 하기 때문에 전력 요금에 차이가 발생하는 것이다. 

우리나라 전력 계통에서 제일 많이 쓰이는 연료는 석탄, 원자력, LNG, 신재생, 수력 순으로 집계된다. 

석탄과 석유 등은 이산화탄소 배출이 많아 미래에는 사용할 수 없는 연료가 될 것이며 원자력은 응답시간이 늦어 실시간으로 수요를 감당하기는 쉽지 않다.
 

보급이 확대된 태양광의 발전량은 일몰 후부터는 급격히 줄어들기 때문에 해가 떠있는 시간과 진 시간의 태양광 발전의 변화 속도를 따라가는 것이 매우 중요하기 때문에 응답시간이 상대적으로 늦는 원자력도 한계가 있다는 분석이다.

김 교수는 문제 해결을 위해서는 수요의 변화에 민감하게 반응하고 알맞은 전력을 공급하기 위한 전력 수요 조절 및 관리 기술의 개발과 활용이 매우 중요하다고 전했다.

과거에는 탄소 배출에 대해 상대적으로 관심이 적었고, 수요 에너지 관리의 개념이 절약이었기에발전량을 조절해 수급 균형을 조절했다.

오늘날 탄소 배출량이 비용으로 환산되는 변화는 수요 조절로 이익을 발생시킬 수 있는 시장과 환경을 조성하고 있다.

소비자가 전기를 쓴 만큼의 금액만 지불하면 됐었던 과거와는 달리 태양열 등으로 생산한 전력을 소규모 전력중개사업자에게 판매하는 것과 같은 상황이 만들어지고 있는 것이다.

이는 에너지관리시스템의 중요성 증대로 이어지며 시스템에서 가장 중요한 부분은 모델링이라고 부르는 수식 구성이다. 

모델들을 활용하기 위해 최적화 기법을 적용해서 비용을 줄이고 수익을 크게 만들 수 있다. 
 

 

모델들을 최적화 기법으로 풀 수 있도록 만들어야 하는데 Convex한 모양의 형태로 만들어야지만 최적화 기법으로 풀 수 있다. 

Convex 하지 않은 경우에는 전역 최적해가 아닌 지역 최적해로 계산될 수 있는 단점이 있다. 

모델링이 어렵거나 불가능해 보일 때 AI를 사용하기도 한다.

전력망 안의 자세한 정보를 정확하게 알기는 쉽지 않아 축적한 데이터를 AI에 학습시켜 추정하는 방법이 한 가지 예시다.

김 교수는 “에너지 분야에서 발생하는 문제를 해결하기 위한 수학적 표현과 기법을 활용하는 것이 결국 에너지 관리 기술이자 탄소중립으로 나아가는 길”이라며 수학의 중요성을 강조하며 특강을 마무리했다.