1. 서 론

온실가스 배출을 줄이고 에너지 안보를 높이기 위해 유럽 연합 집행 위원회는 2050년까지 가변 재생 에너지(VREs, Variable Renewable Energy Sources)의 구축을 촉진하고 있다. 전력망의 안정성 확보 및 원활한 수요 충족을 위해 양수발전(PSH, Pumped Storage Hydropower)은 현재 대규모 저장을 위한 최선의 방법이다^[1]. 즉, PSH는 대규모 신재생 에너지의 보급이 확대됨에 따라 간헐성 보완과 함께 석탄 발전소 퇴출에 따른 대체전원으로 전력 계통에서 중요한 역할을 한다.

또한, PSH는 WESS (Water Energy Storage System) 라고 불리며 압축공기저장, 수소 연료전지 및 BESS 등 다양한 에너지 저장 기술 중에서 대용량으로 속응성과 경제성이 좋은 ESS(Energy Storage System)이다^{[2, 3]}. 이에 송전망 건설 회피와 전력 계통의 주파수 변동 안정성 등에서 PSH의 생태계 조성을 위하여, 로드맵에 따라 주기기 및 보조기기 등의 핵심 설비 국산화에 역점을 두고 관련 연구가 활발히 수행되고 있다^{[4, 5]}.

한편, 제10차 전력수급기본계획에 따르면, 장주기 유연성 자원으로 1.75GW의 PSH 백업 설비를 통해 VREs 변동성 대응과 출력제어 완화 등의 목적으로 확정되었다^[6].

그런데, 우리나라는 비수도권에서 수도권 지역으로 전력을 송전하기 위해서는 7개 수도권 융통선로(Metropolitan Tie Lines)가 있는데, 이때 수도권 지역의 융통선로에 송전 제약 및 송전 혼잡(Transmission Congestion)이 발생하고 있는 실정이다. 이에 따라 대용량 VREs에 따른 송전 혼잡 최소화와 송전망 건설 최소화 등을 위해서는 부하가 많은 수요지에 발전소 건설을 연계하면 송전망으로 인한 문제점이 완화할 수 있다^[7]. 그리고 전력 ESS의 적용으로 신규 송전망 건설을 지연시킬 수 있으며, 효율적이고 경제적인 미래의 전력 계통을 안정화될 것으로 보고되었다^[8].

국내 PSP의 경제성 분석으로는, 에너지 저장의 영향 및 경제적 타당성 분석에서는 비용 편익 분석의 경우, 할인율은 5.5%로 적용하였고, 시나리오에 따라 0.16-1.56으로 분석되었다^[9]. 또한, 시스템 다이나믹스 모형을 이용한 경제성 분석을 통해, 4MW이하 소형 발전기의 경우, 단지 규모와 무관하게 수익성 확보가 좋지 않았으며 6MW 대용량 발전기를 설치하더라도 단지 규모가 192MW 이상의 대규모 단지가 아니라면 수익성 확보가 어렵다고 한다^[10]. 수소 가스 터빈에 대한 경제성 분석에서, 비용항목은 총사업비, 운영비, 수소 가격으로 분류하였고, 전력공급 편익 SMP(System Marginal Price)는 118..494원/kWh, 온실가스 감축 편익 15.27원/kWh, 대기오염 저감 편익 전체 5.42원/kWh를 적용하여 분석한 결과, 가스 터빈의 경우 편익 비용 비율은 0.4-0.56% 수준으로 경제성을 확보되지 못한 것으로 나타났다^[11]. 양수 발전용 다목적 댐 개발의 타당성 확보를 위한 사업 모델 연구에서는 매년 양수 비용이 전력 비용보다 높아 경제성이 확보되지 않았다^[12]. VREs의 침투를 고려한 한국 전력 계통에서의 PSH의 기여도 및 경제적 타당성 분석에서는 건설 및 유지비용과 양수 동력으로 지급되는 비용이 약 9조원 발생됨에 따라 가변속의 경우 1조2천억원의 손실이 발생되었고, 고정속의 경우 2조 3천억원의 손실이 발생될 것으로 분석되었다^[13]. 최근에는, 양수발전소 건설 추진 현황이 보고되었다^[14].

해외 PSH의 중요성과 경제성 분석으로는, PSH 시스템을 이용한 에너지 저장 기술의 현황 및 미래 전망에서, 중·소용량의 PSH 시스템을 설치함으로써, 대규모의 공사를 최대한 줄이고 전력 계통의 유연성 및 탄력성의 향상을 기대할 수 있다^[15]. 중국의 PSH의 과거, 현재 및 미래에서, 유연하게 조정이 가능한 전원으로서 중국 전력망의 안전하고 안정적인 가동을 보장하는 중요한 수단으로 PSH를 강조하였다^[16]. 일본의 VRES 변동을 완화하기 위한 PSH 운영의 현재 상태 일본은 ESS로 PSH의 잠재력과 비용에서는, 기존 하부댐의 건설비 삭감을 통해 축전 용량을 확보시킬 목표와 PSH의 총건설비 삭감 가능성을 연구하였다^{[17, 18]}. 전력 공급망에서 PSH는 PV의 간헐성의 완화하는 역할을 통하여 ESS의 가치를 추정한 결과, 10MW 규모의 발전소의 경우 사회적 이익은 1억 8천만–2천8천만엔으로 신규 PSH 시스템 구축 비용의 7.7-11.7%를 차지할 것으로 분석하였다^[19]. 최근에는 신 전력 계통에서의 PSH의 저장 가치는 증가하고 있으며 가치 구조는 전력망 특성과 밀접한 관련이 있다고 제시되었다^[20].

한편, 수도권 지역에 분산형 양수발전을 도입하였을 경우, 전력망 건설비용과 송전 혼잡비용이 완화될 수 있음을 검토하였다^[21]. 기존 PSH는 상부저수지와 하부저수지로 인해 많은 면적의 토지가 필요함에 따라 경제적 비용이 많이 발생한다. 또한, 하부저수지의 물을 별도로 확보하려면 별도의 입지를 확보해야 하는 한계가 있다.

이에 본 논문에서는 수력발전소의 역할 다각화 차원에서 기존의 다목적 수력발전소 댐의 주변에 하부저수지가 필요 없는 다수의 분산형 양수발전(DPSP, Distribution Pumped Storage Power Plants)를 제시한다. 또한, 제안된 DPSP의 타당성 분석과 투자안의 가치를 평가하기 위하여 순현재가치법과 비용편익분석 기법 등을 이용한 경제성 분석을 수행한다. 끝으로, 수도권 지역에 분산형 양수발전을 도입하였을 경우, DPSP의 경제성 분석 결과를 요약, 기술한다.

2. 분산형 양수발전 시스템

2.1 분산형 양수발전

1) 개념

분산형 양수발전은 기존의 다목적 댐의 하부저수지를 활용하여 다수의 양수발전을 설치하는 방식이다. 저수량의 일부를 펌핑하여 높은 산에 마련한 상부저수지에 펌핑하여 전력수요가 높을 때 수압관로를 통해 수차를 회전시켜 하부저수지로 방출하여 전력을 생산하는 방식이다^[18].

2) 원리

분산형 양수발전은 다목적 댐 주변에 다수의 양수발전을 구축하는 방식으로 잉여 전력시 상부저수지에 수압 관로를 통해 물을 펌핑하였다가 전력수요가 높을 때 수차와 발전장치를 거쳐 기존의 다목적 댐의 상부저수지에 양수된 물을 방출하는 방식이다.

3) 특징

Fig. 1은 분산형 양수발전의 개념도를 나타낸다^[18]. Fig. 1과 같이, 이는 다목적 댐 주변 고지대에 상부저수지의 물을 저지대로 수압 관로를 통해 낙하시켜 발전하는 방식으로 하부저수지를 다목적 기존 댐을 활용한다. 이 분산형 양수발전은 전력 계통에 시스템 강도 및 관성을 제공하고 전력 계통의 주파수 안정화에 기여할 수 있다. 뿐만아니라 분산형 양수발전은 펌핑 및 발전을 해도 다목적 댐의 저수량이 동일하며, 기저 부하 시에 ESS 시스템에 전력을 저장할 수도 있다. 또한, 분산형 양수발전은 하부저수지를 건설할 필요가 없어 경제적으로 건설비용이 기존 양수발전보다 적게 든다는 장점이 있다.

Fig. 1. Conceptual diagram of distributed pumping storage P/P

4) 현황 및 비용

국내에는 총 16기의 양수발전이 운영 중이며, 총용량은 4.7GW이다. 정부는 재생에너지의 단점을 보완하고 전력 계통의 불안정 문제를 대응하기 위해 신규 양수발전을 추진하고 있다. 신규 도입되는 양수발전은 상부댐에 저장했다가 전력수요가 급격하게 증가할 때 양수를 하부댐으로 낙하시켜 전력을 생산하는 방식으로 별도의 하부댐이 존재한다. 따라서 총사업비의 하부저수지 비용이 대폭 증가할 수밖에 없다.

제10차 전력수급기본계획에 따르면 신규 양수발전은 포천 350MW 2기(700MW) 총사업비 1조 5231억원, 홍천 300MW 2기 (600MW) 총사업비 1조 5631억원이며, 충북 영동 250MW급 2기 (500MW) 1조 2163억원의 많은 비용이 소요된다^{[6, 14]}.

3. 분산형 양수발전의 경제성 분석 방법

국가나 민간의 신규 사업의 타당성 분석과 투자안의 가치를 평가하기 위해서는 경제성 분석 기법이 필요하다. 경제성 분석 기법에는 순현재가치(NPV, Net Present Value )법, 내부수익률(IRR, Internal Rate of Return)법, 투자회수기간(PP, Payback Period)법, 수익성지수(PIM, Profit Index)법 및 비용편익분석(B/C, Benefit Cost) 등이 있다. 그런데, NPV는 대규모 투자안의 가치를 평가할 때 매우 중요한 지표이고, B/C 분석은 공공 투자 사업의 예비 타당성 조사에 활용되는 평가 지표이다.

4. 분산형 양수발전의 경제성 분석 결과

본 장에서는 앞서 제시한 분산형 양수발전이 수도권 지역인 팔당댐 상류 지역에 도입할 경우를 가정하였다. 또한, 분산형 양수발전은 500MW 양수발전을 6곳 입지에 도입을 가정하여 경제성 분석을 수행한다.

4.2 분산형 양수발전의 경제성 분석 결과

예비타당성조사 수행 총괄 지침의 제50조 등의 사회적 할인율을 4.5%로 모두 적용하고 있기에 본 논문에서는 사회적 할인율을 4.5%로 선정하였다^[26-30]. 또한, 한수원 2015년 ∼ 2019년 비용과 수익자료를 3GW 비율에 맞게 적용하여 분산형 양수발전의 NPV법 및 B/C 분석을 수행하였다.

Table 3은 KHNP 양수발전의 2015년부터 2019년까지 4.7GW의 수익과 비용 현황을 나타낸다. Table 3에서 수익은 전력 정산 대금 등이며, 비용은 양수발전 유지를 위한 인건비 및 유지보수비 등이 포함된 금액이다. 분산형 양수발전은 하부댐이 존재하지 않기 때문에 6곳의 하부댐 건설비를 2조 3,322억원과 양수발전 6곳의 건설비는 6조 3,624억원을 적용하여 분석하였다. 또한, 한수원의 비용과 수익자료를 3GW 비율에 맞게 적용하여 제시하였다.

Table 3. Current status of profits and costs of KHNP’s PSP (2015-2019)

년도	2015년	2016년	2017년	2018년	2019년
수익[억원]	4,847	3,859	4,510	4,919	4,222
수익축소 [억원]	3,102	2,470	2,886	3,348	2,702
비용[억원]	5,987	5,289	6,290	6,287	5,545
비용축소 [억원]	3,832	3,385	4,026	4,024	3,549

Table 4는 한수원 수익과 비용을 반영한 2024년부터 2053년까지 30년 동안의 분산형 양수발전의 경제성 분석 결과를 나타낸다. KHNP 양수발전의 수익과 비용자료를 3GW 비율에 맞게 적용하여 분석하였다. 그리고 경제성 분석은 건설 기간 7년, 할인율 4.5%, 30년, 40년 운영을 한다고 가정하였다. 경제성 분석 결과, 분산형 양수발전의 운영을 30년, 할인율을 4.5%의 경우, 2015년의 NPV는 -41,516억원, B/C는 0.437이고, 2016년의 NPV는 -43,439억원, B/C는 0.371 로 각각 분석되었다.

Table 4. 30 years of economic analysis results (2024-2053)

기준년도	건설 기간	수익 축소	비용 축소	NPV [억원]	B/C [%]
2015	7년	3,102	3,832	-41,516	0.437
2016	7년	2,470	3,385	-43,439	0.371
2017	7년	2,886	4,026	-45,778	0.395
2018	7년	3,348	4,024	-40,954	0.459
2019	7년	2,702	3,549	-42,732	0.396

Table 5는 한수원 수익과 비용자료를 3GW 비율에 맞도록 적용하여 반영한 2024년부터 2063년까지 40년 동안의 분산형 양수발전 경제성 분석 결과를 나타낸다. 경제성 분석 결과, 분산형 양수발전의 운영을 40년, 할인율을 4.5%, 2015년의 NPV는–43,058억원, B/C는 0.474이고, 2019년의 NPV는 –44,521억원, B/C는 0.431 로 각각 분석되었다.

Table 5. 40 years of economic analysis results (2024-2063)

기준 년도	건설 기간	수익 기준	비용 기준	NPV [억원]	B/C [%]
2015	7년	3,102	3,832	-43,058	0.474
2016	7년	2,470	3,385	-45,372	0.405
2017	7년	2,886	4,026	-48,186	0.428
2018	7년	3,348	4,024	-42,381	0.497
2019	7년	2,702	3,549	-44,521	0.431

본 논문에서는 분산형 양수발전의 수익과 비용을 4,000억원 ∼ 8,000억원으로 변동되었을 때를 가정하여 NPV와 B/C의 경제성 분석을 수행하였다. Table 6은 분산형 양수발전의 수익과 비용 변화에 따른 B/C 분석 결과를 나타낸다. Table 6의 (a)는 할인율 7%일 때의 민감도 분석 결과이고, (b)는 할인율 4.5%일 때의 민감도 분석 결과를 나타낸다.

Table 6. Results of B/C analysis according to changes in profits and costs of DPSP

Table 7은 분산형 양수발전의 수익과 비용 변화에 따른 NPV 분석 결과를 나타낸다. 즉, 분산형 양수발전의 수익과 비용을 할인율 4.5% 적용하여 4,000억원 ∼ 8,000억원으로 변동할 때 NPV 분석 결과이다. Table 7로부터, 분산형 양수발전의 비용이 5,000억원이고, 수익이 9,000억원의 민감도 분석 결과 NPV는 7,957억원, B/C는 1.089로 경제성이 있는 것으로 분석되었다. 반면 6000억원 비용, 6000억원 수익에는 NPV는 -33,926억원, B/C는 0.647로 경제성이 없는 것으로 분석되었다.

Table 7. Results of NPV analysis according to changes in profits and costs of DPSP

구분		수익 [억원]
		4,000	5,000	6,000	7,000	8,000	9,000
운영 비용 [억원]	8,000	-75,511	-65,115	-54,719	-44,322	-33,926	-23,530
	7,000	-65,115	-54,719	-44,322	-33,926	-23,530	-13,134
	6,000	-54,719	-44,322	-33,926	-23,530	-13,134	-27,38
	5,000	-44,322	-33,926	-23,530	-13,134	-27,38	7,957
	4,000	-33,926	-23,530	-13,134	-2,738	7,657	18,054

5. 결 론

본 논문은 수력발전소의 역할 다각화 차원에서 기존의 다목적 수력발전소의 댐의 주변에 하부저수지가 필요 없는 다수의 분산형 양수발전의 경제성 분석을 수행하였다.

한수원 비용과 수익자료를 3GW 비율에 맞게 적용하여 분석한 결과, 운영기간이 30년, 할인율이 4.5% 일때, 2019년의 경우 NPV는 -42,732억원, B/C는 0.396으로 분석되었다. 또한, 운영기간이 40년, 할인율이 4.5% 일 때, 2019년의 경우 NPV는 -44,521억원, B/C는 0.431이었다. 하지만 양수발전은 전력 계통의 안정성, 전력망 혼잡, 전력 계통 주파수 안정성 등에서 중요한 역할을 하기 때문에 양수발전에 대한 장기적인 관점에서 투자가 필요하다고 판단된다. 결론적으로 하부저수지 건설을 포함하는 기존 양수발전에 비해 분산형 양수발전이 상대적으로 높은 경제성을 가질 것으로 판단된다.

한편, 양수발전은 피크시간대에만 운영이 되어 수익성 창출이 어렵다고 판단된다. 이에 분산형 양수발전이 도입되면 전력 계통의 안정성에 기여하는 발전기를 제외한 다른 발전기는 운영시간을 전부 가동할 수 있도록 전력시장 규칙 변경과 더불어 정산방식 개선이 필요하다. 또한, 전력 계통에 기여하는 발전기가 적정하게 평가받을 수 있도록 보상 방안도 모색할 필요가 있겠다.

향후 연구에서는 분산형 양수발전과 ESS가 동시에 설치되었을 때의 전력 계통 영향 분석이 세부적으로 후속 연구가 필요할 것으로 여겨진다.