| 정책네트워크 넥스트 브릿지(Next Bridge)는 지식경제, 기후, 디지털, 민주화 이후 민주주의 등 전환의 시대를 직면하여 비전과 정책과제를 연구하는 포스트 386 세대(90년대 대학을 다닌 사람에서 90년대생 청년) 중심의 연구자·정책 전문가의 네트워크다. 넥스트 브릿지는 주권자인 국민들이 사회 지향과 정책과제에 대한 이해가 높아야 산업화와 민주화 이후 한국의 민주주의와 사회발전이 가능하다는 데 뜻을 모았다. 정책담론을 위한 대중적인 소통을 희망하며 다양한 분야의 정책 전문가들이 자기 분야의 정책과제를 가지고 매주 정책 칼럼을 연재한다.[편집자말] |
현재 세계에서 가장 큰 이슈 중 하나는 기후 변화일 것이다. '기후변화에 관한 정부 간 협의체'(IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change)는 2100년까지 지구 평균온도 상승 폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하고 2050년경에는 탄소중립을 달성하는 것을 목표로 제시했다.
이에 세계의 많은 나라들은 탄소중립을 목표로 계획을 발표해 왔으며 한국 역시 2020년에 '2050 탄소중립 선언'과 '2050 탄소중립 추진 전략'을 발표했다.
탄소중립을 위해서는 고탄소 산업구조의 혁신, 미래 모빌리티로의 전환 등도 중요하지만 가장 중요한 부분은 신재생 에너지로의 에너지 전환일 것이다. 필자는 신재생 에너지 전환을 위한 실질적이고 현실적인 전략과 정책 수립을 위해 몇 차례에 걸쳐 칼럼을 기고할 것이다. 오늘은 첫 번째 주제로 대안으로 제시되고 있는 풍력발전에 대해서 살펴보고자 한다.
풍력 발전(설치 장소에 따라 육상풍력 발전과 해상풍력 발전으로 구분)은 에너지 전환에서 매우 중요한 의제가 되고 있다. 제주도나 강원도 등을 여행한 사람이라면 이를 눈으로 직감했을 것이다.
우리나라의 해상풍력 발전은 한국남부발전이 운영하는 제주도의 성산풍력과 한경풍력, 민간이 주도하는 제주도 탐라해상풍력과 전라북도 고창 지역의 서남해해상풍력이 있고, 강원도, 제주도, 전라남도와 경상북도를 중심으로 약 70여 개사가 육상풍력 발전에 참여하고 있다.
풍력은 에너지 전환뿐만 아니라 미래 먹거리 산업과도 연결된다. 풍력 발전에 대한 세계 각국의 지속적인 투자 확대로 급속한 성장세가 지속될 것이기 때문이다. 즉 미래산업과 연결하여 풍력발전은 한국을 넘어 세계를 시장으로 하고 있기에 중요하다. 우리나라는 이미 두산중공업, 한진산업, 효성과 유니슨 등 여러 대기업과 한국전기연구원, 서울대, 카이스트 등이 풍력 발전 사업과 연구에 참여하고 있다.
그러나 문제는 한국에서 풍력발전이 주공급원이 될 수 있는가를 잘 따져봐야 한다는 점이다. 탄소중립과 탈원전을 향한 구체적이고 현실적인 대안 전략과 경로를 수립해야 하기 때문이다. 단도직입적으로 풍력은 한국의 주공급원이 될 수 있는가?
▲ 두산중공업이 전라남도 영광군 백수읍 국가풍력실증센터에 설치한 8MW 해상풍력발전기 전경 ⓒ 두산중공업
바람 세기와 발전 변동성
풍력 발전에 적합한 지역은 평균 풍속이 초속 10~13미터 정도가 되는 곳이어야 한다는 것이 일반적이다. 초속 10~13미터 정도 풍속이란 인간이 육안으로 인지하는 정도로 표현한다면 "큰 나뭇가지가 흔들린다. 전선이 울리는 소리가 들린다. 우산을 쓰기가 어렵다" 수준의 바람이다(보퍼트 등급 기준).
연간 평균 풍속이 이 정도면 일 년 중 어느 계절에는 이보다 강한 바람으로 사람들이 걷기가 어려울 정도가 되는 것이 보통이다. 그리고 그런 정도 바람이 있는 지역은 대체로 거주 환경으로 적합하지 않다. 가령 영국 스코틀랜드의 북쪽 지역(하일랜드라고 부른다)이 바로 그런 곳인데, 살기가 어려워 인구 밀도는 높지 않다.
그러나 다행히도 풍속이 이보다 낮을 경우라도 풍력 발전기 허브 센터의 위치를 100미터 이상 높이거나 발전기 날개의 길이를 대형화하는 경우에는 발전 효율을 높일 수 있다. 지상에서 더 높이 올라갈수록 대체로 풍속은 높아지기 때문이고, 날개의 반경이 커지면 변속 기어를 사용하여 발전기 회전수를 높일 수가 있기 때문이다. 설치 높이가 높아지는 경우 비용이 증가하지만 기술적으로 극복 못할 수준은 아니다. 따라서 기상청의 표준 기상데이터만 보고 풍력 발전이 가능한 지역이 거의 없다고 우려할 필요는 없다.
그러나 그렇게 기술적으로 극복하려고 한다고 해도 여러 가지 고려사항은 생긴다. 그 지역의 어느 지점에서 측정된 평균 풍속이란 기간 동안의 평균 풍속이라는 의미이지 지역 내 모든 지점에서 풍속이 같다는 의미는 아니다. 주변 지형과 그 외 여러 조건에 따라 어느 한 지점의 풍속이 달라질 수 있다.
같은 부지에 설치된 풍력 발전기라도 그 부지 내 위치와 주변 풍력 발전기에 서로 영향을 받게 된다. 풍력 발전 단지 내의 발전기들 중에는 고장이나 유지 관리를 위해 운영이 중단되는 경우도 생기게 될 것이다. 즉, 풍력 발전량의 변동성은 풍속의 변동성보다도 더 크게 요동치게 되는 것이다.
그 요동이 얼마나 불안정한 것인지를 보여주는 것이 아래 그래프다. 이 그래프는 남호주의 혼스데일에 위치한 풍력 발전 단지 내의 발전기별 발전상황을 나타낸 것이다.
▲ 남호수 혼스데일 풍력 발전소의 1월 중(하계) 시간대별 발전기별 용량 계수(검은색 선이 평균 용량계수를 나타냄).
ⓒ Andrew Miskelly
그래프에서 말하는 용량 계수(Capacity factor)란 터바인의 설치 용량 대비 실제 운영되어 발전한 양의 비를 나타낸다. 풍속변화에 따라 용량 계수가 달라지는 데 평균적으로 35%라면 1GW 풍력 발전 단지에서는 시간당 350 MWh가 발전하게 된다는 의미이다. 발전 가능용량 대비 실제 발전량이니 연료를 투입하여 공급량을 제어하는 석탄(58%), 원자력(74%)보다는 비율이 낮다.
용량 계수와 활용 계수
한편, 그렇게 해서 출력된 전기량 대비 수요 측에서 실제 사용되는 양의 비율을 나타내는 활용 계수(Utilisation factor)를 본다면 석탄이나 원자력 등 대형 발전소의 경우도 그 효율성이 그다지 큰 편은 아니다. 왜냐하면 연료에서 추출할 에너지의 60% 이상은 전기 에너지로 변환되지 못하고 버려지게 되기 때문이다. 그래서 전통적으로 발전회사는 복합 발전, 열병합 시설 연계, 수요 관리 서비스 등을 통해 효율을 높이고자 하였다.
풍력 발전의 경우 활용 계수를 높이기 위해 전기 저장 시설을 요구하게 되나 전기 저장 시설은 공급 잉여량과 부족량의 균형이 맞아야 한다. 충방전의 양은 수요의 변동성과 공급의 변동성을 함께 반영해야 하므로 그 용량을 정하는 것은 간단하지 않으며 리스크를 제거하기 위해서는 보수적으로 가장 큰 공급량과 부족량을 비교하고 그중에서 더 큰 것을 설치 용량으로 정해야 할 것이다.
현재까지의 2차 전지 기술의 수준을 볼 때 투자 경제성을 확보하기 어렵기 때문에 이 공급의 변동성을 보조하는 것은 가스 발전이 맡는 경우가 많다. 말하자면, 기대보다 풍력 발전의 효용이 떨어지는 날엔 가스를 때워야 한다는 의미다. 가스 발전은 전기의 잉여/부족 균형과 상관없이 풍력 발전량이 적을 경우 실시간으로 가스 연소를 통해 전기를 생산 공급할 수 있는 유연성이 높은 전력공급 장치이다.
주연보다 더 많이 등장하는 조연
문제는 이 과정에서 '배보다 배꼽이 더 커지는' 효과가 발생했다는 것이다. 주인공(풍력 발전)을 빛내기 위해 출연을 하게 된 이 보조 출연자(가스 발전)는 기대보다 더 중요한 역할을 하게 되었다.
영국은 1997년 노동당 집권 이후부터 저탄소 경제 정책을 추진하여 풍력 및 태양광 발전을 확대 보급하였다. 그 결과로 드디어 석탄 발전을 거의 폐쇄하고 발전 산업에서 탄소배출을 획기적으로 감축하는 효과를 거두었다.
그런데 그 결과의 내용을 살펴보면 반전이 있는 걸 발견하게 된다. 석탄 발전을 대체한 것이 풍력과 태양광이라고 말을 할 수 없는 수준으로 가스 발전의 기여가 컸던 것이다. 실제로 바람이 없는 날 가스 발전량을 보면 영국 발전 산업의 주력 발전원이 무엇인지 알 수 있다.
아래는 무더위로 바람 자원이 실종된 2022년 7월 23일 영국의 각 발전원 발전량 실시간 현황을 나타낸 그래프이다. 태양이 뜨기 전 아침의 전력 발전 상황을 보면 가스 발전이 13.5GW일 때 풍력 발전은 3.5kW이었다.
▲ 영국 전력 발전 현황 (2022년 7월 23일 오전 9시 30분 현재 런던 표준 시간) ⓒ .energydashboard.co.uk
2021년 여름에도 풍력 자원이 예년보다 낮아 가스 발전 운전 시간이 늘었고 그 결과로 영국의 가스 비축량이 낮아져 겨울에 가스 가격이 연초 대비 8배가 올랐다. 가스에 대한 의존은 재생에너지 보급 확산을 추진한 유럽 국가들에도 나타났는데 그 결과는 단순히 에너지 수급 문제를 넘어 국가 안보를 위협하는 사태로 발전하게 됐다. 현재 가스관을 막아 에너지를 무기화하고 있는 러시아에 유럽 국가들이 전전긍긍하는 이유가 바로 그것이다.
지구 온난화와 풍속
그렇다면 과연 이 문제가 향후의 기술발전에 따라 해결될 수 있는 문제인지를 따져보기 위해 원론으로 돌아가 보자. 바람은 두 지역의 온도 차에 따른 대기의 압력 차이로 인해 발생하는 자연현상이다. 만약 온도 차가 크지 않게 된다면 바람의 양은 그만큼 줄어들게 된다.
여기서 문제는 인류가 당면한 문제, 지구 온난화다. 지구 온난화 현상이 풍력 자원에 어떠한 영향을 줄 것인지에 대해선 아직 연구자들의 논란이 분분하나, IPCC는 온난화로 인해 유럽의 풍속은 10% 정도 감소될 것이라는 예측 보고서를 낸 바 있다.
작년 여름 유럽은 이 '바람 가뭄(Wind droughts)'을 경험한 바 있다. 풍력으로 온실가스를 감축하기 이전에, 온실가스로 인한 지구 온난화로 풍자원이 감축하는 현상이 먼저 찾아온 것이다. 이처럼 원래도 존재했던 풍력 발전의 변동성에 풍력 자원의 감소 가능성이 겹치면 이 전력 공급원의 불확실성은 더 커지게 된다. 믿고 오래오래 사용할 수 있는 기술일지 생각을 한번 더 하게 된다.
제어하는 기기와 제어 당하는 기기
에너지 엔지니어링의 기본 원칙은 필요한 만큼만 공급하는 기술이다. 건물의 냉난방 기기는 중앙 공조에서 실별 개별 냉난방으로 변화해 왔으며, 수요 예측을 통한 스마트 제어를 통해 에너지 자원의 낭비를 방지하게 된다.
요점은 인간의 욕망에 따라 에너지 사용을 통제하는 것이 현재의 시스템이란 것이다. 가령 자동차의 기어 장치, 에어컨 등의 인버터는 필요한 시간에 필요한 만큼 에너지를 공급하기 위한 기술이다. 이처럼 에너지 시스템은 인간에 의해 통제되는 대상이었다.
반면에 풍력 발전은 인간이 통제를 당하는 시스템이다. 자연의 구속에서 해방된 인류가 바람이 없으면 에너지를 못 만들고 사회적 안녕이 깨지며 급기야 전쟁을 벌이는 사태로 빠지게도 된다. 이 에너지 시스템을 통제하기 위해서 바람의 정확한 예측과 그 공급 프로파일에 대응하는 수요의 정확한 예측이 동시에 이루어져야 한다.
그런데 수요의 정확한 예측은 개인의 욕망을 통제하지 않는 환경에서는 거의 불가능에 가깝다. 바람의 방향과 속도가 변하는 상황에 대비하여 전기 소비 수요를 실시간으로 예측하고 에너지 수급을 제어할 수 있는 기술은 자연과 인간 세계의 움직임을 관장하는 프로그램(?)의 알고리즘을 알기 전까지는 불가능한 일이다.
예측 제어가 불가능하다면 사회의 권력자는 수요를 통제시키려 할 것이다. 풍력 발전이 가능할 때 활동을 하라고 한다거나 지구를 위해 전등을 끄라고 하며 기후위기 '민방위' 훈련을 하려고 할 것이다.
반민주성과 반주체성
한국의 풍자원의 분포를 보고 최적의 입지 조건을 갖춘 지역을 굳이 꼽으라면 제주도, 남해안 해상, 강원도 태백산맥 정도가 된다. 영남 지역의 해상 풍력 발전에는 울산, 포항 등의 공업 지역과 부·울·경 등 에너지 수요처가 있다.
한편, 호남 지역 해상의 풍력 발전에는 그 생산된 전기량을 사용할 수요처가 충분하지 않아 사업성을 위해 전기를 수도권으로 배송시키게 될 것이다. 호남에서 생산된 변동성이 높은 전기를 수도권으로 운송하는 일은 현재 전력망으로는 불가능하다. 전력 수급이 예측 불가해서 전력을 안전하게 나누기 위해서는 특별한 전력망 제어 인프라가 필요하게 된다. 그것이 지난 대선 이재명 후보 캠프에서 공약으로 내세운 '에너지 고속도로'이다.
에너지 고속도로의 혜택은 누가 보는가? 전력 생산자와 수도권 소비자들은 'RE100' 같은 탄소제로형 해외 시장 공급망에 참여가 가능해지며 정부의 탄소중립형 각종 규제로부터 부담을 줄일 수 있다. 도시의 에너지 소비자들이 자동차와 냉난방기를 전기 기기로 모두 교체만 한다면 탄소 감축을 위한 추가 노력을 할 필요가 없기 때문이다.
풍력 발전 지역의 주민들은 전력 판매 수익을 공유하여 재생에너지 연금 수입을 얻을 수도 있을 것이다. 그러나 안정된 연금 수입을 위해 자신의 땅 혹은 바다에 설치되어 운영되는 거대한 기계들로 인해 잃게 되는 삶의 터전과 미래의 잠재적 가치들이 그들과 그들의 자손들에게 타협 가능한 일일까?
대형 풍력 발전소는 그 규모와 전문적 운영 기술의 요구로 인해 일반 사람들이 일자리를 얻어 일하는 데에는 제한적이다. 월 200만 원의 연금 수입 이외에 참여할 수 있는 일이 없을 때 그 지역은 건강한 산업 전환을 통한 지역 경제 발전을 도모하기 어려울 것이다. 수도권의 소비자들을 위한 지역의 희생은 탄소중립이라는 새로운 전환의 시기에도 계속 되는 셈이다.
만약 제대로 그 희생의 대가를 받겠다면 전기 요금은 지역의 재생에너지 발전 비용을 반영하여 책정되도록 하고 지역에는 에너지 신산업 공급 생태계 일원으로의 역할과 책임을 부여해야 할 것이다. 그 지역의 역량을 키우고 탄소중립 전력 생태계의 역할과 책임을 지우는 데에는 대형화 된 발전소는 적합하지 않다.
민주주의는 개인의 주체성 옹호를 통해 유지된다. 지금 재생에너지를 맹목적으로 옹호하는 논의 지형을 본다면, 지구를 지키기 위한 수단이 탄소감축이며 탄소감축은 자연의 에너지에 의존하는 것이 유일한 방안이라 믿으며 그 믿음이 종교화되었다. 종교화된 신념은 인간을 구속하게 한다.
▲ 거창 감악산 풍력단지 상공. 2021.12.29 ⓒ 거창군청 김정중
기종의 문제가 아니라 사이즈의 문제
기후위기 대응을 위한 탄소중립의 효과적 방안은 각 지역의 자연환경 조건, 사람들의 사회적 역량, 문화적 정체성에 따라 선택되어야 한다. 그 선택의 첫발은 기종의 선택이 아니라 사이즈 선택에서 시작해야 한다.
에너지 시스템은 통제 가능한 시스템이던 자연형 재생에너지 시스템이 대형화가 되는 경우 구조적으로 반민주적인 것으로 변하기 쉽다. 나의 요구에 반응하는 공급 시스템, 내 마을에서 내가 운영할 수 있는 시스템은 에너지 복지와 안보 면에서 리스크가 적다.
결론적으로 풍력 발전, 아니 대규모 풍력 발전소가 전력 공급 체계의 차세대 주력 공급원으로 자격이 있는지 의문이다. 이는 한국만이 아니라 전 세계적인 차원에서 살펴봐도 마찬가지다. 특히나 작금의 유럽의 환경 정책 선진국들에서 보이는 혼돈의 상황을 보면 그 의심은 더욱 깊어진다.
개인의 자유와 정체성을 존중받을 수 있는 새로운 에너지 생태계의 설계가 우선 되어야 한다. 그것은 전력 거래의 자유화, 지역 한계 비용(LMP)을 고려한 전기 요금 체계, 소형 열병합 시스템 보급 확대, 마을 에너지 시스템 자산화 등의 정책 수단 연구로 구체화해 나갈 수 있을 것이다.
* 필자 소개: 김재민 박사는 제로탄소 에너지 컨설팅 전문기업 ㈜이젠파트너스 대표, 기초지자체 탄소중립 지원 사업을 하는 비영리 법인인 ㈔지역경제녹색얼라이언스 공동대표를 맡고 있다. 1998년부터 2020년까지 영국 스트라스클라이드대학(University of Strathclyde)에서 수석연구원으로 재직하였고 한국 해양대학 초빙 교수를 역임하였다. ICT를 활용한 건물 및 도시의 에너지 시뮬레이션 및 모델링 분야를 연구하였다.
사회의 탄소중립 구현에 보다 현실적인 접근을 하는 것을 선호하고 시장 기반의 지속가능한 친환경 사업 모델을 개발하고 있다. 현재 탄소중립 에너지 교육과 컨설팅 사업에 집중하고 있고 마을 단위에서 시민을 탄소중립매니저로 양성하는데 관심을 가지고 협업할 전문기업과 시군구의 주무관들과 접촉을 하는 것에 많은 시간을 할애하고 있다. '로컬에서의 성공이 글로벌 성공이다'라는 모토를 가지고 있다.