태양광이 통제불능처럼 느껴지는 이유

태양광은 “연료를 태워서 돌리는 기계”가 아니라 “하늘을 읽어서 전기를 뽑는 장치”다. 발전소를 건설해도 스위치를 켠다고 매시간 같은 출력이 나오지 않는다. 태양은 밤에 퇴근하고, 구름은 예고 없이 출근한다. 그래서 태양광이 커질수록 전력계통 운영자는 ‘발전기’가 아니라 ‘날씨 변수’를 상대하는 기분이 된다.

이 ‘날씨 변수’가 한국에서 더 크게 체감되는 이유는 절대량이 빠르게 늘었기 때문이다. 한국전력거래소가 정리한 2024년 전력계통 운영실적 자료를 보면, 2024년 태양광 설비는 27,096MW로 2023년 대비 3,154.7MW(13.2%) 증가했다고 나온다. 이런 규모가 되면 “태양광이 좀 흔들린다”가 아니라 “태양광이 흔들리면 시스템이 같이 흔들린다”로 국면이 바뀐다.

게다가 태양광은 ‘낮에만 일한다’는 단순한 제약에, ‘일하는 동안에도 들쑥날쑥하다’는 변동성이 얹힌다. 실제로 같은 KPX 자료에서 2024년 여름철 피크기간에 태풍 등으로 태양광 발전량이 줄어 태양광 이용률이 전년 29% 대비 22%로 하락했다고 적어두고 있다. 여기서 포인트는 “태양광이 부족했다”보다 “날씨 이벤트 하나가 ‘가용출력’의 가정 자체를 흔들 수 있다”는 데 있다. 태양광은 평균값으로는 다뤄지지 않고, ‘최악의 몇 시간’에서 계통을 괴롭힌다.

한 가지 더, 태양광이 커질수록 ‘보이는 태양광’과 ‘안 보이는 태양광’의 격차가 문제로 커진다. 분산형(특히 자가소비·자가용) 태양광은 계통 관측의 사각지대가 생기기 쉽다. 국제적으로도 분산자원(DER)과 계량기 뒤편(behind-the-meter) 자원의 가시성 부족이 통합의 큰 장애물로 지적된다. 한국 공공데이터로 배포되는 시간대별 태양광·풍력 전력거래량 데이터 자체가 “전력시장에 참여하는 발전기의 전력거래량”이며 자가용 등은 포함하지 않는다고 명시한다. 즉, ‘계통이 보는 숫자’가 국가 전체의 태양광을 완벽히 대표하지 않을 수 있다.

전력계통이 겪는 세 가지 충격

전력계통은 원래도 복잡하지만, 태양광이 커지면 복잡함의 종류가 달라진다. 핵심은 세 가지 충격이다. “수급 균형(주파수)”, “전력 흐름(혼잡·송전)”, “품질(전압·보호)”이 동시에 흔들린다.

첫째, 수급 균형이다. 전력은 창고에 쌓아두기 어려운 상품이라서, ‘발전(공급)’과 ‘소비(수요)’가 순간순간 맞아야 한다. 공급이 수요를 넘으면 주파수가 올라가고, 반대로 공급이 모자라면 주파수가 내려가는 것이 기본 원리다. North American Electric Reliability Corporation의 주파수·수급 균형 해설 문서는 이 관계를 명확히 설명한다. 이때 태양광은 “내가 지금 얼마를 낼지”를 사람이 정하는 게 아니라 하늘이 정하니, 운영자는 수요의 변동성에 더해 공급의 변동성까지 동시에 상대해야 한다.

둘째, 전력 흐름과 혼잡이다. 태양광은 지역적으로 몰리기 쉽다(햇빛 좋은 지역, 부지·인허가 여건 좋은 지역). 그러면 전기는 그 지역에서 한꺼번에 생기고, 소비는 다른 곳에서 일어난다. 이 간극을 메우는 게 송전망인데, 송전망은 하루아침에 늘지 않는다. 그래서 ‘전기 자체는 있는데 길이 막혀서 못 보내는’ 상황이 생긴다. International Energy Agency는 재생전기 출력제한(curtailment)이 송전 용량 한계, 계통 안정성 요구, 수급 불균형 등으로 발생한다고 정리한다. 즉, 출력제한은 “재생에너지를 미워해서 자르는 것”이 아니라 “지금 이 순간, 계통이 흡수할 공간이 없다”는 신호인 경우가 많다.

셋째, 전력 품질과 안정성이다. 분산형 태양광이 늘면 저압·배전망에서 전압 제한 위반, 역송전(전기가 위로 역류), 설비/변압기 부담 같은 문제들이 커질 수 있다. 국제에너지기구의 분산형 태양광 관련 해설은, 관리가 부족할 경우 배전 레벨에서 전압 한계 위반이나 상위 계통으로의 역류가 생길 수 있다고 경고한다. 이런 문제는 “전국 단위의 수급”만으로는 설명이 안 된다. 같은 시간에 전국적으로는 전기가 남는데, 특정 지역 변전소에서는 과전압이 뜨는 식의 공간 문제다.

여기에 태양광이 만들어내는 유명한 ‘하루 리듬’이 있다. 낮에는 태양광이 쏟아지고 해가 지면 급격히 사라진다. 이 패턴이 전력망에서 ‘넷로드(net load: 수요에서 변동성 재생 공급을 뺀 값)’를 급격히 흔들어놓는다. California Independent System Operator가 제시한 ‘덕 커브(duck curve)’ 설명은 이 현상을 대중적으로 보여준 대표 사례다. 낮에는 과잉공급 위험(oversupply risk)이 커지고, 해질 무렵에는 짧은 시간에 큰 폭의 상승 램프가 필요해진다.

이 덕 커브가 무서운 이유는 ‘평균 출력’이 아니라 ‘기울기(램프)’ 때문이다. 부족하면 더 돌리면 되는 게 아니라, “얼마나 빨리 올리고 내릴 수 있느냐”가 문제로 바뀐다. CAISO는 유연자원이 해야 할 일을 ‘상·하향 램프 지속’, ‘빠른 방향전환’, ‘에너지 저장 또는 사용 조정’ 같은 능력으로 설명한다. 태양광이 커지면 전력계통은 ‘큰 발전기’보다 ‘민첩한 자원’을 더 필요로 하게 된다.

태양광을 길들이는 기술 묶음

태양광을 길들이는 핵심은 “태양광만 건드려서 해결한다”가 아니다. 계통 전체의 유연성을 늘려서, 태양광이 흔들릴 때도 시스템이 흔들리지 않게 만드는 쪽에 가깝다. International Renewable Energy Agency는 유연성을 특정 기술 하나로 정의하지 않고, 유연한 발전·강한 송배전·저장·유연한 수요, 더 나아가 전기차·열·수소 같은 섹터 커플링까지 포함한 ‘전력시스템 전반의 조합’으로 본다.

아래 아홉 가지는 “태양광을 ‘통제’한다기보다 ‘운영 가능한 자원’으로 만든다”는 관점에서 정리한 기술 묶음이다. (서로 대체재가 아니라, 대개는 함께 써야 효과가 난다.)

1. 예측을 ‘발전량’이 아니라 ‘불확실성’까지 포함해 만든다
   태양광 예측은 단순히 내일 몇 MW가 나오느냐가 아니라, “오차가 어느 정도로 튈 수 있느냐”까지 같이 내놔야 운영에 쓸 수 있다. 변동성과 예측오차가 운영비용과 예비력 요구에 어떤 영향을 주는지 분석한 연구들은, 여러 시간 스케일(분 단위, 시간 단위, 일 단위)에서의 불확실성이 운영을 어렵게 만든다고 지적한다. 최근 태양광 예측은 위성·전천카메라·딥러닝 같은 도구를 엮어 시간·공간 해상도를 높이는 방향으로 발전하고 있다.

2. ‘안 보이는 태양광’을 보이게 만든다
   계량기 뒤편(behind-the-meter) 태양광이 늘면, 운영자는 실제 수요가 줄어든 것인지(정말 절약), 태양광이 뒤에서 채운 것인지(자기발전) 구분하기 어려워진다. IEA는 저압망과 계량기 뒤편 자원의 가시성 부족이 분산자원 통합의 핵심 장애물이라고 지적한다. 한국에서도 “전력시장 전력거래량 데이터는 자가용 등을 포함하지 않는다”는 데이터 설명이 공식적으로 붙어 있다. 해결 방향은 스마트미터·DER 텔레메트리·데이터 동기화·추정(분해) 모델 등으로 ‘순부하(net load)’를 구성요소(부하, 자가발전)로 나눠 보는 쪽이다.

3. 스마트 인버터로 ‘전압과 주파수’에 협조하게 만든다
   태양광은 인버터를 통해 계통과 연결된다. 인버터를 단순 변환장치로 두면 계통 입장에서는 ‘말 안 듣는 전원’이 되지만, 인버터에 그리드 지원 기능을 넣으면 상황이 달라진다. National Renewable Energy Laboratory가 정리한 스마트 인버터/표준 해설은 IEEE 1547-2018에서 주파수 라이드스루와 주파수-유효전력(Frequency-Watt) 기능 같은 지원을 포함하고 있음을 설명한다. 또한 전압 지원, 고장 시 동작, 통신 인터페이스 요구까지 포함해 “DER이 계통과 대화하는 방법”을 표준화하려는 흐름이 강해지고 있다.

4. 그리드-포밍 인버터로 ‘동기발전기 역할 일부’를 가져온다
   태양광·배터리처럼 전력전자 기반 자원이 커질수록, 동기발전기(회전기)의 관성·전압형성 같은 ‘기계적 완충’이 줄어든다. 그래서 최근 전력계통 안정성 논의에서 그리드-포밍(grid-forming) 인버터가 중요한 주제로 떠올랐다. 그리드-포밍 인버터는 100% 전력전자 기반 계통으로 가는 과정에서 대규모 인버터 기반 자원 통합을 돕는 해법으로 주목받는다는 리뷰 논문들이 나온다. 다만 고장 시 과전류 특성, 보호계전 협조, 사고 후 복구 등은 동기기와 다르게 설계해야 해서 ‘그냥 달면 끝’인 기술은 아니다.

5. 태양광 자체를 ‘조절 가능한 발전소’로 만든다
   태양광은 원래 최대전력점(MPPT)으로 “되는 대로 다 뽑아”가 기본이지만, 고침의 방향은 “조금 덜 뽑고(헤드룸 확보) 계통 서비스를 한다”로 간다. 출력 일부를 의도적으로 남겨두면 상향 예비력이나 주파수 조정 같은 서비스가 가능해진다. CAISO가 말하는 ‘에너지 저장 또는 사용 조정’과 함께, 유연자원의 능력으로 ‘정확한 예측’과 ‘빠른 반응’을 강조한 것도 같은 맥락이다. 그리고 출력제한을 무조건 ‘낭비’로만 보지 말고, ‘운영 도구’로 설계해야 한다는 주장도 나온다. NREL은 PV 출력제한을 “최소화”보다 “관리(management)” 관점으로 보며, 디스패처블 PV, 보상구조 개선, 계통 유연성 확대가 함께 가야 한다고 정리한다.

6. 단주기 저장(배터리 ESS)로 ‘낮→저녁’ 이동과 램프 완충을 한다
   태양광의 대표적인 고통지점은 해질 무렵 램프와 낮의 과잉이다. 배터리 ESS는 이 둘에 동시에 먹히는 도구다. 낮에 남는 전기를 저장했다가 저녁에 방전하면 넷로드 램프를 깎고, 과잉공급·출력제한도 줄일 수 있다. CAISO가 과잉공급을 피하는 조치로 에너지저장 확대를 포함해 제시한 것도 이 이유다.
   한국에서도 출력제어 완화를 위해 제주 지역에 대규모 ESS를 도입 추진한다는 정부 발표가 있었다. 산업통상자원부 보도자료는 전력수급 안정화와 재생에너지 출력제어 문제 완화를 위해 ESS 설비 도입을 추진한다고 밝힌다.

7. 장주기 저장(양수·LDES)으로 ‘며칠짜리 변동’까지 흡수한다
   배터리만으로는 ‘하루’는 다룰 수 있어도 ‘며칠’ ‘계절’은 힘들 수 있다. 그래서 장주기 저장이 중요해진다. U.S. Department of Energy는 장주기 저장(LDES)을 “10시간 이상 전력을 공급할 수 있는 저장”으로 정의한다. 또한 IEA는 전력 저장의 대부분이 양수발전이며, 글로벌 양수 저장설비가 압도적으로 크다고 정리한다.
   한국 맥락에서는 양수발전이 이미 큰 유연성 자산이다. KPX 운영실적 표에서도 양수 설비용량이 4,700MW로 제시된다. 한국수력원자력도 자사 발전설비 현황에서 양수 설비용량을 공개하고 있다.

8. 수요를 ‘움직일 수 있는 자원’으로 만든다
   태양광이 남는 시간대에 수요를 끌어오면, 발전을 억지로 자르는 대신 전기를 쓰면서 해결할 수 있다. International Energy Agency는 수요반응을 “전기가 넉넉한 시간대로 수요를 이동시키도록 유도해 수요를 균형시키는 방법”으로 정의한다. 더 넓게는 ‘수요 유연성(demand flexibility)’이 설비투자를 줄이고 출력제한도 낮추는 등 계획·운영 효율을 높인다는 정리도 있다.
   한국형 수요자원(DR)도 이미 계통운영 카드로 쓰이고 있다. KPX 여름 피크 설명에서 추가 예비자원 활용 항목에 신뢰성 DR(0.7GW)이 언급된다. KPX의 제도 설명 자료는 DR이 발전기 자원과 함께 시장가격 결정에 반영되고, 감축 실적에 따라 보상되는 구조임을 설명한다.
   여기에 전기차까지 얹히면 수요 유연성은 ‘배터리를 가진 이동형 설비’로 확장된다. 제주특별자치도에서 V2G(전기차-계통 연계) 실증이 진행된다는 보도는, 전기차 배터리에 잉여전력을 저장했다가 필요할 때 계통에 공급해 안정화에 도움을 준다는 취지를 전한다.

9. 계통을 넓히고, 운영을 촘촘히 만든다
   결국 전기는 ‘길’이 있어야 다닌다. 송전 확充은 정공법이지만, 인허가·기간·비용이 부담이라 “기존 선로를 더 똑똑하게 쓰는 기술”도 같이 간다. 대표가 동적선로정격(DLR)이다. ENTSO-E는 DLR 적용 사례에서 명목 용량 대비 중앙값 기준 15~20% 증가 같은 결과를 소개한다. International Renewable Energy Agency도 DLR이 재생에너지 통합에 기여할 수 있고, 혼잡으로 인한 출력제한을 줄이는 데 도움이 된다고 정리한다.
   운영·제도 측면에서는 “출력제한을 없애자”보다 “출력제한을 예측 가능하고 보상 가능하게 설계하자”로 방향이 바뀌는 중이다. NREL은 정책이 ‘출력제한 최소화’에만 고정되면, 오히려 유연한 PV(advanced inverter+저장)의 계통서비스 활용을 막을 수 있다고 경고하며 ‘출력제한 관리’ 관점을 제안한다.

요약하면, 태양광 길들이기는 태양광을 ‘말 잘 듣게’ 만드는 게 아니라, 계통을 ‘버틸 수 있게’ 만드는 공학이다. 예측·가시성·인버터·저장·수요·망·시장 설계가 한 묶음으로 돌아갈 때, 태양광은 통제불능이 아니라 운영 가능한 자원이 된다.

한국에서 특히 쟁점이 되는 포인트

한국은 태양광이 이미 충분히 커졌고, 이제부터는 “더 설치할까”만큼이나 “어떻게 운영할까”가 큰 싸움이 된다. IEA PVPS의 한국 요약 페이지는 2023년 누적 태양광 28.0GW, 그중 약 86%가 유틸리티급 발전사업(전력생산) 중심이라고 정리한다. ‘발전사업형 태양광’ 비중이 높다는 말은, 계통운영 변수로서 태양광이 더 직접적으로 커졌다는 뜻이기도 하다.

그 결과로 가장 눈에 띄는 현상이 출력제어다. KPX는 비중앙급전 발전기의 출력제어(전망·실적)를 공지하는데, 공지문을 읽어보면 “낮은 수요 + 높은 신재생 발전량 + 전력망 제약/수급 제약”이 반복된다. 예컨대 2024년 11월 육지(제주 제외) 출력제어 전망 안내는 경부하기 낮은 수요와 높은 신재생발전량으로 계통 불안정이 예상되며 ‘전력망 제약’을 사유로 든다. 2025년 2월 제주 출력제어 전망 안내도 높은 태양광 이용률과 발전량 등으로 계통 불안정이 예상되어 ‘전력수급 제약’으로 출력제어를 예고한다. 이런 문장들은 “태양광이 나쁘다”가 아니라 “계통이 여유를 잃었다”는 현장 기록이다.

이때 한국에서 종종 놓치는 포인트가 ‘최소출력(필수운전)’ 문제다. 태양광이 남는 시간대에도 어떤 발전기는 안전·기술·제도 이유로 일정 출력 이하로 잘 못 내려간다. 그러면 남는 전기는 태양광부터 잘리는 구조가 된다. 제주 사례를 분석한 한 연구는 필수운전 발전기의 출력하한치를 더 낮추면 누적 출력제어를 상당 부분 회피할 수 있다고 추정한다. 구체적으로 2024년 4월 개정 수준만 적용해도 누적 출력제어의 약 17%를 회피할 수 있고, 출력하한치를 더 낮출수록 회피 효과가 커질 수 있다는 계산을 제시한다. 이 논지는 “시장제도만 바꿔서 끝날 일이 아니다”라는 경고로 읽을 수 있다. 운영 제약(최소출력) 자체가 유연성 병목이면, 예측이 아무리 좋아도 결국 태양광을 자를 가능성이 커진다.

마지막으로, 한국의 ‘단기 유연성 카드’가 실제 운영에서 이미 쓰이고 있다는 점도 중요하다. KPX 운영실적 문서의 2024 여름 피크 설명에는 석탄출력 상향운전, 송전제약 완화, 신뢰성 DR 같은 조치로 예비력을 확보했다고 적혀 있다. 즉, 유연성은 “미래 기술”이 아니라 “이미 동원 중인 운영 수단”이다. 다만 태양광 비중이 더 커지면, 지금의 임시방편이 ‘상시 체계’로 바뀌어야 한다. 저장·수요·망·인버터·시장 설계가 전부 동시에 업그레이드되지 않으면 출력제어는 ‘사건’이 아니라 ‘일상 루틴’이 된다.

참고문헌

California ISO. What the duck curve tells us about managing a green grid (Fast Facts).

NERC. Balancing and Frequency Control (May 2021).

KPX(한국전력거래소). 2024년도 전력계통 운영실적 (PDF).

KPX(한국전력거래소). 비중앙 출력제어 공지(육지/제주).

산업통상자원부. 제주 출력제어 완화 위한 대규모 ESS 구축 추진 (보도자료).

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IEA. Unlocking the Potential of Distributed Energy Resources (behind-the-meter 가시성 문제).

IEA. Commentary: Digital tools will help keep distributed solar PV growing strongly (분산형 PV 운영 복잡성·전압 이슈 등).

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IEA. The Value of Demand Flexibility (수요 유연성의 계획·운영 가치).

U.S. DOE. Long-duration energy storage 정의(10시간 이상).

IEA. Grid-scale storage 개요(양수 중심의 글로벌 저장 구조).

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IRENA. Power system flexibility for the energy transition (유연성 분류: 발전·망·저장·수요·섹터 커플링).

IRENA. Dynamic Line Rating: Innovation Landscape Brief (DLR과 재생에너지 통합).

ENTSO-E Technopedia. Dynamic Line Rating (DLR) (DLR 적용 효과 지표).

NREL. O’Shaughnessy et al. Solar PV Curtailment in Changing Grid and Technological Contexts (출력제한 관리 관점).

IEA PVPS. Korea country update (누적 설비 및 유틸리티급 비중).

KEEI(에너지경제연구원). 제주 V2G 실증 관련 기사(전기차 배터리의 계통 유연성 활용).