세계 최초 관성모드 실증운전 성공
일부 설비 개선·최대 관성력 제공
전력산업 발전 위한 노하우 전파

지난해 9월 ‘신인천복합 가스터빈 관성모드 실증운전 시연회’ 기념 촬영 모습. 한국남부발전 제공

‘대용량 F급 가스터빈 기반 세계최초 관성모드 전환 실증운전’ 시연회 모습. 한국남부발전 제공

한국남부발전이 재생에너지 확대로 인한 전력공급 변동성 확보에 필수적 요소인 계통 유연성 자원 공급분야의 선두주자로 자리매김하고 있다.

우리나라 전력계통의 주파수 정격 유지율은 99.9% 이상으로, 세계 최고수준 품질로 유지되고 있다. 이러한 주파수 정격 유지는 석탄과 액화천연가스(LNG)로 대표되는 전통적인 화력발전이 담당하고 있다.

하지만 현재 60% 수준인 화력발전의 점유율이 태양광·풍력발전 등 재생에너지의 증가로 10년 후 30%까지 떨어져 주파수 유지가 불안정해지는 ‘안정성 이슈’가 대두되고 있다.

이처럼, 계통 유연성 자원의 확보는 재생에너지 확대 추진을 위해 필수적인 요소로 북유럽, 호주, 미국 등 해외에서는 재생에너지 확대에 따른 주파수 조정능력 부족 문제를 해결하고자 관련 보조 서비스 제도를 도입·운영하고 있다. 국내에서도 2023년 1월 발표된 ‘제10차 전력수급 기본계획’을 통해 재생에너지의 변동성에 대응할 방안으로 2027년까지 9GWs(기가와트세컨드) 유연성 자원 확보를 계획하고 있다.

다만, 정부 목표대로 유연성 자원 확보를 위해서는 동기조상기 등 별도 설비의 설치가 필요한데, 대규모 신규부지 확보와 막대한 투자비용의 문제로 자원의 적기 확보 가능여부에 대한 우려가 있어 왔다.

이에 남부발전은 세계 최초로 기존 발전설비의 운전방법 개선을 통해 계통에 유연성 자원을 공급하는 방안을 구상했다. 국내외 전문기관과 기술 협업을 기반으로 실증을 위한 설비제어·보호 시스템과 점검기준을 구축했고, 이를 통해 2023년 9월 전력거래소, 전력연구원 및 학계의 주요인사들이 참석한 가운데 신인천복합발전소에서 기존 설비를 활용해 유연성 자원 1.1GWs를 제공하는 주파수 조정기술 실증을 세계 최초로 성공했다.

남부발전이 선보인 관성모드 운전기술의 특징은 기존 발전설비인 압축기·가스터빈·발전기를 그대로 사용하면서 발전기가 유효전력을 생산하지 않고 전력계통으로부터 전력을 수전받으면서 주파수 변동에 대한 관성을 제공한다는 것이다.

지금까지의 전통적인 관성모드 운전은 발전기와 가스터빈 사이 클러치를 설치하고 가스터빈을 분리해 발전기를 단독으로 기동시키는 방식이었다. 하지만 남부발전은 가스터빈의 클러치 설치 공간이 부족한 구조적 한계를 극복하고 압축기·가스터빈·발전기를 하나의 축으로 연결해 관성모드로 운전하는 아이디어를 발굴했다.

이를 통해 호기당 1.1GWs라는 대용량의 관성을 계통에 제공하게 되었다. 이렇게 클러치 없이 F급 대용량 가스터빈을 활용한 관성모드 운전은 세계적으로도 시행한 사례가 없는 최초의 도전이었다.

2024년 현재 남부발전은 실증에 그치지 않고 중장기 로드맵을 수립해 주파수 조정기술 확대 적용을 추진하고 있으며, 이러한 실증경험의 대외공유를 통해 전력산업 전반에 혁신을 가져오기 위해 노력하고 있다.

남부발전은 경영진의 확고한 의지를 기반으로 앞으로도 유연성 자원 공급 확대를 지속적으로 추진할 예정이다.

지난 시연행사에서 남부발전 이승우 사장은 인사말을 통해 “발상의 전환을 통해 다가올 미래의 난제에 선제적으로 대응한 사례라는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 남부발전이 우리 전력산업에 불어넣을 신선한 바람을 기대해주시고 새로운 도전에 많은 응원 부탁드린다”고 말한 바 있다.

계통 유연성이 앞으로 발전시장을 유지하기 위한 중요한 키로 부상하는 만큼 유연성 자원제공의 선두주자인 남부발전의 행보에 전력시장 혁신의 귀추가 주목되고 있다.

송현수 기자 songh@busan.com