에너지기후정책연구소 연구지원사업 지정주제(ECPIRF-201701) 최종보고서

○ 연구자: 권필석

○ 배경 및 취지

에너지 시스템에 대한 미래 계획은 꽤 오랜 시간을 두고 선행되어야 한다. 그 이유는 에너지 인프라 건설이 건설기간이 길기 때문에 미리 수요를 예측하고 그에 따라 공급설비를 대비해 놓지 않는다면 미래의 어느 시점에 더 큰 경제적손실을 가져올 수 있기 때문이다. 또한 에너지 인프라는 그 수명이 길기 때문에 잘 못된 계획의 결과로 엄청난 매몰비용이 발생한다. 이러한 계획 실패를 줄이고자 에너지 시스템 모델을 통한 시나리오 분석을 통해 미래에너지시스템을 계획한다.

지구 온난화 대책의 일환으로 21세기 들어 전세계 각국에서 에너지 시스템에 큰 전환이 일어나고 있다. 온실가스를 발생시키는 화석연료 사용을 피하고 온실가스 배출이 없는 재생에너지로의 전환이 이뤄지고 있다. 화석연료에서 재생에너지로의 전환은 시스템에서의 여러가지의 변화를 수반한다. 그 변화 중에서 가장 본질적인 변화는 화석연료와 달리 재생에너지는 그 출력이 간헐적이고 그 출력을 인간이 조절할 수 없다는 점이다. 따라서 공급부문에서 변동성과 불확실성이 심해질 것이다. 모델이 현실의 반영이라면 에너지 시스템에서의 이러한 변화에 따라 에너지 모델도 변화하여야 한다. 이러한 에너지시스템에서 일어날 변화를 담을 수 있는 모델이 필요한 시점이다.

한국은 재생에너지로의 전환이 다른 선진국들에 비해 늦춰졌다. 재생에너지 확대를 골자로 한 정부의 3020계획 발표됨으로써 이제 한국에서도 에너지 전환에 대한 논의가 활발해 지고 있다. 에너지 전환 논의에 빠져서는 안되는 것이 에너지시스템모델에 대한 주제라고 생각한다.

이 보고서는 크게 두 부분으로 나누어져 있다. 첫째 부분은 에너지 시스템 모델에 대한 전반적인 이야기를 할 것이다. 에너지 시스템 모델링의 정의와 목적 그리고 에너지시스템 모델들의 종류를 구분해보겠다. 또한 지금까지 발표된 에너지시스템 모델 개발의 트렌드를 살펴본다. 둘째로 한국의 재생에너지 변동성을 고려할 수 있는 예시 모델에 대해 소개한다. 소개할 예시 모델은 누구나 무료로 사용할 수 있도록 무료소프트웨어를 사용하여 작성되었다. 모델의 코드와 3020계획을 모사할 수 있는 입력데이터를 공개한다. 또한 모델의 이해를 돕고자 예시모형의 구조 및 이론에 대해 간략하게 설명한다.

○ 예시모델 및 향후 발전 계획

예시모형을 구현하기 위해서 필요한 프로그램들의 설치에 대한 설명과 모델 작동법, 그리고 간략한 모델설명과 함께 마지막에 모델에서 사용된 주요 공식과 그 공식을 그 공식에 해당하는 코드를 같이 보여줌으로써 향후 모델을 수정시 참고자료로 사용될 수 있을 것이다. 모델 관련된 파일은 github 사이트에 올려 놓았다.

이 예시모델을 사용하여 답하고자 한 가장 중요한 질문은 “재생에너지가 확대되었을 때 전력망의 전력 수급에 어떤 문제가 생기는가?” 이다. 이 중요한 질문을 시작으로 파생되는 질문은 다음과 같을 것이다. “전력이 넘치는 시간이 생기면 어떻게 이 전력을 낭비하지 않고 사용할 것인가?” 혹은 “재생에너지원에서 전력이 생산되지 않는 시간대에 어떤 방식의 전원을 사용해야 온실가스배출을 최소화할 것인가?”

두 질문 중 첫번째 질문에 답하기 위해서는 우리는 전력망의 유연성을 어떻게 확보할 것인가에 대한 고민을 해야 한다. 전력망 유연성 확보를 위해 두가지 전략이 있다. 하나는 다른 지역 혹은 국가와 송전망연계를 통해 전력 교환을 통하는 것이다. 물론 이 전략은 멀리 떨어진 국가의 수요와 재생에너지 공급 패턴이 상이하기 때문에 그 패턴의 차이만큼 전력거래를 한다면 전력망의 유연성을 확보하는 측면에서는 어느 정도 효과가 있다고 생각한다. 하지만 우리나라의 경우에는 정치적인 문제와 육지 국경을 맞닿은 나라가 사실상 존재하지 않기 때문에 이 전략의 실현가능성에 대해 긍정적으로만 접근하기는 어렵다. 전력망 유연성 확보의 두번째 전략은 부문간 결합이다. 다시 말해 수송부문의 전력화를 통한 전력과 수송부문의 결합 그리고 전열장치와 열저장을 이용한 열부문과 전력부문의 결합을 통해 전력망 유연성을 확보할 수 있다. 각 국가 마다 위의 두가지 전략을 각 국가의 처한 상황에 따라 혼합하여 사용할 것이다.

이 예시모델의 발전방향은 위 두가지 전략을 모사할 수 있는 기능을 가져야한다. 우리나라의 지정학적 특성을 감안한다면 부문별 통합에 집중해야 할 것이다. 이 모델은 향후 개발의 방향을 난방과 수송부문을 아우르는 부문별 통합이 가능하도록 발전해야 한다. 전기자동차 충전 패턴과 전력망과의 관계라던지, 히트펌프와 전기보일러 등의 전열기구와 열저장탱크의 사용을 통해 열부문과 결합하는 방안 등 새로운 기능에 대해 연구하여야 한다. 이 연구과정에서 가장 큰 애로점은 아마도 에너지관련 국내 데이터의 부족이라고 생각한다. 또한 앞서 밝혔듯이 이 모델은 송전망제약을 고려하지 않은 모델인데 앞으로 전력데이터가 일반에 공개된다면 이 모델에서 송전망 제약조건을 모사하는 것은 어렵지 않다.

○ 목차

I. 서론 

II. 에너지시스템모델의 정의, 구분, 트렌드 

1. 에너지시스템모델 

2. 에너지시스템모델의 구분 
2.1. 최적화 (optimization) 모형과 시뮬레이션 모형 
2.2. Aggregation level(군집화 수준) 
2.3. 시간세밀도(time slice)/시간해상도(time resolution) 
2.4. 경로(Trajectory) 혹은 순간묘사적(snapshot) 모델 
2.5. 사용목적에 따른 분류 
2.6. 투자최적화, 운영최적화, 시뮬레이션, 투자운영최적화 

3. 에너지시스템모델 개발의 트렌드 

4. 에너지시스템모델에 대한 조건 

5. 한국에너지시스템 모델 

5.1. 예시모델의 개요 
5.2. 예시모델에 사용된 가정과 한계 
5.3. 모델의 향후 발전 계획 

APPENDIX 

1. 모형에 필요한 프로그램 설치하기 
1.1. 오픈소스 최적화 솔버 (opensource optimization solver) 설치 
1.2. Python 과 anaconda 설치하기 

2. 예시모델 실행과 결과보기 
2.1. 모델링에 필요한 파일 
2.2.  모델 프로그램 실행 

3. 모델의 공식과 코드설명