4월 말 스페인 대규모 정전의 원인은 태양광 발전?

재생에너지가 전력망을 바꾸고 있다. 최근 스페인에서 일어난 대규모 정전 사태를 계기로 어떻게 하면 전력망을 안정적으로 유지할 수 있을지 고민해봤다.

스페인 전역에서 지난 4월 28일 월요일 정오 무렵에 대규모 정전이 발생했다. 이번 정전 사태는 포르투갈과 프랑스 일부 지역까지 확산하며 항공편 결항, 통신망 마비, 상점 휴업 등 광범위한 피해를 초래했다. 피해 인구는 수천만 명에 달하는 것으로 전해졌다.

일주일이 지나서도 당국은 정확한 원인을 파악하지 못했다. 다만 크리스 라이트(Chris Wright) 미국 에너지부 장관을 포함한 일부 인사들은 정전 발생 직전 전체 전력 생산의 약 70%가 풍력과 태양광이었다는 점에서 재생에너지가 일정 부분 관련이 있었을 가능성을 제기했다. 반면 스페인 정부 관계자 등은 원인을 단정 짓기에는 이르다고 선을 그었다.

공식 보고서가 나오기까지는 몇 주가 걸리겠지만, 지금까지 확인된 사실도 일부 있다. 전체 상황을 파악하기에 앞서 여기에는 미래 전력망 운영에 시사점을 주는 몇 가지 교훈이 있다.

우선 이번 사태에 대해 스페인 전력망 운영사인 레드 엘렉트리카(Red Eléctrica)가 밝힌 정황은 다음과 같다:

• 오후 12시 30분을 조금 넘긴 시점에 전력 생산에 차질이 생겼다. 이는 발전소가 갑자기 멈췄거나 송전 설비에 문제가 생겼기 때문일지 모른다.
• 대략 1초 뒤 전력망에서 또 다른 전력 생산원이 끊겼다.
• 그로부터 몇 초 뒤 전력망의 불안정으로 인해 스페인과 프랑스 남서부를 잇는 주요 연계선이 끊겼다.
• 이러한 직후에 스페인 전역의 전력 생산이 거의 모두 중단됐다.

현재 제기되는 가설 중 하나는 전력망 주파수가 정상 범위에서 벗어나면서 이번 사태가 발생했다는 것이다. 모든 전력망은 고유의 기준 주파수를 가지고 있는데, 유럽의 표준 주파수는 50헤르츠로, 이는 전류 흐름 방향이 1초에 50번 바뀌는 것을 의미한다. 이 주파수는 전력망 전반에 걸쳐 일정하게 유지돼야 시스템이 원활하게 작동한다.

정전이 주파수 문제와 관련됐을 가능성을 시사하는 징후도 있다. 일부 전문가들은 정전 직전 전력망 주파수에 비정상적인 변화가 있었다고 지적했다.

일반적으로 주파수가 불안정해지거나 발전소 한 곳이 멈추는 정도의 문제는 전력망이 자체적으로 안정화할 수 있다. 하지만 이러한 자기 안정 기능의 일부는 전통적인 발전 방식의 구조에 기반해 작동하는 것이었다.

석탄이나 천연가스 같은 연료를 사용하는 발전소에는 대형 회전 발전기가 있다. 전력망에 일시적인 문제가 생겨 균형이 흔들려도, 이런 물리적 장비는 관성이 있어 수 초간 계속 회전하며 에너지를 공급한다. 이때 다른 전력원이 반응해 부족분을 메우게 된다. (이 설명은 개념은 단순화한 것으로 더 자세한 내용은 미국 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 보고서를 참고하길 바람)

반면 태양광 발전에는 관성을 갖는 구조가 없다. 이들은 변환장치(inverter)를 통해 생산된 전기를 전력망에 맞는 주파수로 바꾼다. 일반적으로 전력망 주파수가 떨어지면 인버터 역시 그 주파수에 맞춰 따라가며 출력을 조절하는 ‘그리드 팔로잉(grid-following)’ 형태다.

이번 스페인 정전 사태는 전력망에 관성이 없는 전력원이 다수 연결된 상태에서 발생한 사소한 문제가 전체로 확산했을 가능성이 있다는 지적이 나오고 있다.

여기서 몇 가지 중요한 의문이 아직 풀리지 않고 있다. 예컨대 문제가 발생한 순서에 관해서, 발전량이 감소할 때 풍력과 태양광 발전소가 먼저 멈췄는지, 아니면 모든 발전소가 동시에 정지했는지 아직 밝혀지지 않았다.

풍력과 태양광이 정전의 근본적인 원인에 일조했는지와 관계없이 환경 연구단체인 브레이크스루 인스티튜트(Breakthrough Institute)의 세이버 왕(Seaver Wang) 기후 담당은 “풍력과 태양광이 다른 전력원처럼 전력망 안정성에 기여하지 않는다”고 지적했다. 그는 “재생에너지가 문제의 원인이 아니었더라도 전력망을 안정화할 능력을 강화하는 것이 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

이는 재생에너지 기반의 전력망이 반드시 실패할 것이라는 뜻은 아니다. 왕은 최근 발표에서 이번 정전 사태에 대해 “풍력과 태양광을 대규모로 사용하는 전력 시스템이 필연적으로 이런 결과를 초래하는 것은 아니다”라고 분석했다.

한 가지 해결책은 전력망에 관성을 제공할 수 있는 장비를 추가하는 것이다. 원자력과 수력 발전이 그 예가 될 수 있다. 왕은 “2027년부터 스페인의 원자력 발전소를 폐쇄하려는 계획을 철회하는 것이 도움이 될 것이다”라고 말했다. 또 다른 방법으로는 물리적 관성을 줄 수 있는 거대 장치를 건설하거나, 주파수를 적극적으로 조절하고 일종의 합성 관성을 만들어주는 ‘그리드 포밍(grid-forming)’ 변환장치를 사용할 수 있다.

하지만 관성이 전부는 아니다. 문제가 발생했을 때 재빨리 대처할 수 있도록 전력망에 배터리를 대량으로 설치하는 방법도 있다. 특히 스페인은 텍사스나 캘리포니아와 같은 재생에너지가 많이 보급된 지역에 비해 전력망의 저장 용량이 훨씬 적기 때문에 이 방법이 효과적일 수 있다.

궁극적으로 여기서 얻을 수 있는 중요한 교훈은 전력망이 발전함에 따라 이를 안정적이고 신뢰할 수 있게 유지하는 방법도 함께 발전해야 한다는 것이다.

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