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[논단] 원전, 전력계통 안정의 ‘키맨’으로 부상,,,

원자력발전소는 오랫동안 전력계통에서 기저부하 전원의 대표적인 역할을 해왔다. 높은 열적 관성과 엄격한 안전성 요구로 인해 출력 변동이 제한적이며, 따라서 일정한 전력을 안정적으로 공급하는 역할에 최적화돼 있기 때문이다. 그러나 재생에너지 비중이 급격히 증가하는 오늘날의 전력계통에서는 이러한 역할만으로는 충분하지 않다. 태양광과 풍력의 간헐성이 확대되면서 초 단위에서 분 단위까지 빠르게 출력 균형을 맞추는 자동발전제어(AGC, Automatic Generation Control)의 중요성이 크게 부각되고 있기 때문이다. 이러한 변화 속에서 원전 역시 더 이상 경직된 기저부하 전원에 머물 수 없으며, 계통 유연성을 지원하는 방향으로 그 역할이 재정의될 필요가 있다.

이러한 맥락에서 주목할 수 있는 접근이 바로 액체공기 에너지 저장(LAES, Liquid Air Energy Storage) 시스템과의 결합이다. LAES는 잉여 전력을 이용해 공기를 압축·액화해 저장하고, 필요시 이를 기화 및 팽창시켜 전력을 생산하는 대용량 에너지 저장 기술이다. 특히 원전 2차계통에서 터빈으로 공급되는 증기의 일부를 분기해 LAES의 압축기를 구동할 경우, 이는 전기적 부하가 아닌 기계적 가변 부하로 작용하게 된다. 즉 계통 수요가 감소하거나 주파수가 상승할 때에는 증기 분기량을 증가시켜 압축기를 더 많이 구동함으로써 잉여 에너지를 저장하고, 반대로 수요가 증가하거나 주파수가 저하될 경우에는 저장된 액체공기를 팽창시켜 추가적인 발전 출력을 제공할 수 있다. 이때 중요한 점은 LAES의 빠른 응답 특성이다. LAES 시스템은 수 분 이내의 출력 조정이 가능하므로 원전 자체가 수행하기 어려운 AGC 기능을 대리 수행할 수 있다. 결과적으로 원자로 출력은 안정적으로 유지되면서도 계통 관점에서는 발전출력이 유연하게 조정되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이는 원전의 물리적 제약을 우회하면서 계통 유연성을 확보하는 매우 실질적인 해법이라 할 수 있다.

기술적 측면에서도 이러한 결합은 충분한 근거를 가진다. LAES는 이미 대용량 에너지 저장기술로서 실증 및 상용단계에 진입했으며, 압축 시 발생하는 열과 팽창 시 냉열을 저장하고 재활용하는 방향으로 발전하고 있다. 이러한 열 통합 구조는 원전과 결합될 때 더욱 큰 시너지를 기대할 수 있다. 단순한 전력 연계가 아니라 열과 전기의 통합 시스템으로서의 결합이 가능해진다.

유사한 사례로서 TerraPower는 소듐냉각 고속로와 열저장 시스템을 결합한 구조를 통해 원자로 출력은 일정하게 유지하면서도 전력 수요에 따라 터빈 출력을 조정하는 방식을 제시하고 있다. 전력 수요가 낮을 때는 열을 저장하고, 수요가 높을 때는 이를 활용해 추가 증기를 생산하는 이 구조는 원전의 유연성을 확보하는 대표적인 사례라 할 수 있다. 이러한 점에서 증기 분기를 활용한 LAES 압축기 구동 방식 역시 ‘에너지를 시간적으로 재배치해 유연성을 확보한다’는 동일한 설계 철학 위에 놓여 있다.

물론 현실적인 과제도 존재한다. 증기 분기에 따른 터빈 효율 저하, LAES 설비의 초기 투자비, 그리고 전체 시스템의 제어 복잡성은 반드시 해결해야 할 요소이다. 더 나아가 원전 안전성과의 정합성, 그리고 전력시장 및 계통 운영 규칙과의 연계성 또한 면밀한 검토가 필요하다. 그러나 이러한 문제들은 이미 대용량 에너지 저장기술과 열저장 기반 원전 개발 과정에서 축적된 기술적 경험을 바탕으로 점진적으로 해결 가능하다.

결론적으로 원전 증기를 활용한 LAES 연계 AGC 수행 방식은 원전의 구조적 한계를 보완하면서도 전력계통에서의 유연성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 현실적인 대안이다. 이는 단순한 개념 제안을 넘어 이미 산업적으로 검토되고 있는 방향성과도 부합하며, 향후 세계 전력시장에서 경쟁력 있는 고유 모델로 자리 잡을 가능성이 충분하다. 앞으로의 전력시장은 친환경성뿐 아니라 유연성과 확장성이 핵심 경쟁력이 되는 방향으로 진화하고 있으며, 이러한 변화 속에서 원자력은 단순한 전력 공급원을 넘어 계통 안정성을 능동적으로 지원하는 핵심 인프라로 재정의될 수 있다.

/염충섭 KAIST 연구교수