충청남도의 전력공급 여건 변화와 전기차 수요자원 활용가능성 연구
연구책임자
김지효 연구부교수
01연구 개요
배경 및 필요성
- 충청남도는 2023년 기준 국내 석탄화력 발전설비의 46.4%인 18.2 GW가 입지한 대표적인 전력공급 지역인 반면, 전력수요는 전국의 약 9.0%에 불과함.
- 같은 해 충청남도의 발전량은 지역 내 소비량의 2.14배에 달했으며, 약 56,357 GWh의 전력을 다른 지역으로 공급하는 순공급자 역할을 수행.
- 제11차 전력수급기본계획에 따른 노후 석탄화력 폐지로 충청남도의 석탄발전 설비는 2038년 7.2 GW로 감소할 전망이며, 도내 입지가 확정된 신규·대체 발전설비도 약 3.7 GW에 그쳐 전력공급의 규모와 시간대별 구조가 크게 변화할 가능성이 높음.
- 태양광·풍력 확대는 낮 시간대 초과공급과 저녁·야간 시간대의 피크발전 의존을 심화시키는 반면, 전기차 충전수요는 충전시각을 조정할 수 있는 분산형 수요자원으로서, 잉여전력 흡수와 피크부하 완화에 활용 가능.
연구 목적
- 석탄발전 폐지와 재생에너지 확대에 따른 2038년 충청남도의 시간대별 전력수급 불균형을 전망하고, 전기차 충전시간 이동을 통해 과소공급과 초과공급을 얼마나 완화할 수 있는지 정량화.
- 전기차 충전 유연성을 활용함으로써 회피 가능한 피크발전 운영비용과 에너지저장장치(ESS) 투자비용을 정량화하고, 이를 토대로 전기차 수요자원의 물리적 잠재량과 경제적 가치를 종합적으로 평가.
분석 범위
- 기준연도는 2023년, 전망연도는 2038년이며, 전력공급 및 수요를 연간 8,760개 시간대로 구분하여 분석.
- 전기차 충전을 하루 안에서 통합적으로 조정할 수 있다는 조건에서 확보 가능한 기술적 상한을 산정.
02분석자료 및 방법
자료 구축
- 2023년 충청남도 전체 시간별 발전실적, 2017~2023년 전국 발전원별 시간별 발전패턴, 2023년 충청남도 발전원별 연간 발전량을 결합해 발전원별 시간 프로파일을 구축.
- 전력수요는 충청남도의 시간별 운영자료를 활용하고, 전기차 충전수요는 한전 운영 충전기의 충전 시작·종료시각, 충전시간 및 충전량 자료를 시간 단위로 분해한 후 월별 충전전력 판매실적에 맞게 보정.
- 2023년 충청남도 등록 전기차 24,130대를 기준으로 차량당 충전 프로파일을 산출하고 이를 2038년 전기차 보급 전망에 맞게 확대.
충전 유연성 산정
- 전력공급은 조정이 제한적인 경직공급과 가동·정지 및 출력 조절이 용이한 유연공급으로, 전력수요는 전기차 충전수요를 제외한 경직수요와 전기차 충전수요인 유연수요로 구분하고, 시간별 공급·수요의 상대적 크기에 따라 6개 전력수급 구간을 설정.
- 과소공급 또는 피크발전 의존 시간대에서 감축 가능한 충전량을 수요감축 잠재량으로, 경직공급이 수요를 상회하는 초과공급 시간대에서 증대 가능한 충전량을 수요증대 잠재량으로 정의.
- 충전수요의 시간대 간 이전은 일일 총 충전량을 변화시키지 않으므로, 일별 이전 가능한 충전량은 해당 일의 수요감축 잠재량과 수요증대 잠재량 중 작은 값으로 산정하고, 이를 기간별로 평균함.
경제성 평가 및 주요 가정
- 피크발전 회피비용은 2025년 시간별 계통한계가격(SMP)을 적용하고, ESS 투자 회피비용은 NREL의 2024년 전망치를 적용.
- 지역 간 전력거래와 기타 유연성 자원은 외생적으로 고정하고 전기차 충전만 하루 내에서 이동한다고 가정. 소비자 참여 제약, V2G 방전, 날짜 간 이동, 발전기 기동·정지 및 내생적 급전·전력흐름은 고려하지 않음.
032038년 충청남도 전력수급 전망
전력수요 전망
- 충청남도의 전력수요는 2023년 46.1 TWh에서 2038년 51.7 TWh로 증가하고, 비전기차 수요는 46.0 TWh에서 50.4 TWh로 확대될 전망임.
- 전기차 충전수요는 0.1 TWh에서 1.3 TWh로 확대되어 전체 전력수요의 2.5%를 차지하며, 이는 충청남도의 전기차가 24,130대에서 70만 대 이상으로 증가하는 수준에 해당함.
확정설비 시나리오(Committed Supply, CS)
- 충청남도 내 건설이 확정된 발전설비만 반영할 경우 설비용량은 2023년 26,342 MW에서 2038년 19,056 MW로 27.7% 감소하고, 연간 발전량은 105.9 TWh에서 50.8 TWh로 52.0% 감소.
- 2038년 설비용량은 석탄 7,196 MW, LNG 6,620 MW, 태양광 3,497 MW, 풍력 999 MW로 구성.
확장설비 시나리오(Augmented Supply, AS)
- 입지가 정해지지 않은 LNG 대체설비가 충청남도에 건설되고 국가 태양광·풍력 목표의 일부가 추가 배분된다고 가정.
- 2038년 설비용량은 30,031 MW로 2023년보다 14.0% 증가하지만, 석탄발전 감소로 연간 발전량은 66.6 TWh로 37.1% 감소. LNG는 10,170 MW, 태양광은 10,130 MW, 풍력은 1,791 MW까지 확대.
시간대별 전력수급 변화
- 경직공급이 총수요를 초과하는 시간은 확정설비 시나리오에서 연간 290시간(3.3%)에 그치나, 확장설비 시나리오에서는 3,155시간(36.0%)으로 크게 증가.
- 확정설비 시나리오에서는 감축한 충전수요를 재배치할 초과공급 시간이 제한적인 반면, 확장설비 시나리오에서는 낮 시간대 초과공급과 저녁·야간의 유연공급 의존이 병존하는 구조가 나타남.
04전기차 충전 유연성 및 경제적 가치
일평균 충전 유연성
- 확정설비 시나리오의 수요감축 잠재량은 평균 3,421.1 MWh/일이지만, 수요증대 잠재량이 220.8 MWh/일에 불과하여 실제 이동 가능한 충전량은 124.1 MWh/일로 제한됨. 계절별로는 봄·가을 90.8 MWh/일, 여름 205.9 MWh/일, 겨울 103.9 MWh/일로 나타남.
- 확장설비 시나리오에서는 수요증대 잠재량이 13,808.8 MWh/일까지 확대되고, 수요감축 잠재량 2,056.8 MWh/일이 제약조건으로 작용. 실제 이동 가능한 충전량은 평균 1,986.0 MWh/일이며, 봄·가을 1,945.2 MWh/일, 여름 1,690.3 MWh/일, 겨울 2,264.7 MWh/일로 나타남.
연간 충전이동 효과
- 연간 이동 가능한 충전량은 확정설비 시나리오 45.3 GWh, 확장설비 시나리오 724.9 GWh로 나타남.
- 미활용 수요감축 잠재량은 확정설비 시나리오에서 1,203.4 GWh로 전체 수요감축 잠재량의 96.4%에 달하나, 확장설비 시나리오에서는 25.9 GWh, 3.4%로 감소.
- 확장설비 시나리오에서는 저녁·야간 충전이 감소하고 태양광 발전이 집중되는 오전 10시~오후 4시 충전이 증가. 다만 충전 이동 후에도 4,315.3 GWh의 초과공급 흡수 필요량이 남아 전기차만으로 모든 잉여전력을 흡수하기는 어려움.
피크발전 및 ESS 회피효과
- 확정설비 시나리오에서는 피크발전이 평균 5.2 MW, 최대 214.3 MW 감소하고, 연간 피크발전비용은 약 370만 달러 절감. ESS 회피용량은 0 MW.
- 확장설비 시나리오에서는 피크발전이 평균 82.7 MW, 최대 333.1 MW 감소하여 운영비용 약 5,510만 달러 절감. ESS 회피용량은 187.4 MW로 약 3억 2,240만 달러의 설비투자비를 회피함.
05시사점 및 결론
- 전기차 충전 유연성은 전력 초과공급 시간대의 잉여전력을 흡수하고 피크발전과 ESS 투자를 줄이는 수요자원으로 활용 가능함. 따라서 전기차·충전기 보급, 재생에너지 입지 및 지역 전력계획을 연계할 필요가 있음.
- 지역별·시간대별 요금, DR 보상 및 자동 충전제어를 마련하되, 전기차만으로 모든 초과공급을 흡수할 수 없으므로 ESS 및 다른 유연성 자원과 병행하여 활용해야 함.
- 본 분석은 모든 충전수요가 하루 안에서 제약 없이 이동한다는 기술적 상한을 제시한 것으로, 실제 적용을 위해서는 차량 접속시간, 참여율, 가격반응, V2G 및 지역 간 전력거래를 반영한 추가 검증이 필요.