기본연구 보고서

14-22

소 진 영

계통안정성을 고려한태양광ㆍ풍력 발전의경제성연구

참여연구진

연구책임자 연 구 원 소진:

연구참여자 : 연구원 세진

연구원 성지

충북대학교 교 재언

홍익대학교 교 환

약 i

약< >

연 필 목1.

발 부문에서 신재생에 지 보 의 확 를 제약하는 요한 요소

들 하나는 태양 과 풍력 발 같은 변동 재생에 지(VRE, vari-

가 력계통의 안정성을 해할 수 있다는 able renewable energy)

이다 실질 으로 발 부문에서 변동 재생에 지의 비 이 높아지. ,

면 실시간으로 력의 수요와 공 간 균형을 항상 유지시키는 데 어

려움을 래할 가능성이 있다.

반면에 변동 재생에 지를 보조하여 계통안정성을 유지시킬 수

있는 여러 가지 기술 안들도 존재한다 특히. , ESS(Energy Storage

에 지 장장치 는 유휴 력을 장하 다가 력이 부족할 System, )

때 공 하거나 변동 재생에 지가 야기하는 출력 변동을 완화하여 ,

주 수와 압을 일정 범 내에 유지시킴으로써 계통안정성을 향상

시킬 수 있다.

하지만 아직까지는 석탄화력의 운 비력이나 가스터빈과 같은 ,

유연한 발 설비에 비해 의 비용이 상당히 높다고 일반 으로 ESS ‘ ’

인식하고 있다 그러나 재까지 계통안정성 측면에 한 고려 하에 .

안 기술들 간 경제성을 비교분석한 연구는 거의 없는 실정이다 계.

통안정성을 보장하면서 비용 효과 으로 신재생에 지 보 목표를 달

성하기 해서는 이러한 연구가 시 하다.

본 연구에서는 변동 재생에 지가 래하는 주 수 압의 ‘

변동 에 을 두고 가 계통안정성을 향상시키는 효과를 분석하’ ESS

ii

다 한 해당 효과를 달성하기 한 비용을 경제성 분석의 틀에서 .

산정하여 석탄화력 가스터빈 발 의 경제성과 비교 분석을 하 다.

그리고 분석 결과를 바탕으로 태양 과 풍력 발 설비와 같은 변동

재생에 지의 보 확 에 있어 계통안정성의 측면에서 고려해야 할

시사 을 도출하 다.

내용 약2.

우리나라는 년까지 총 발 량 비 변동 재생에 지 비 을 2035

로 확 해 나갈 계획이다 변동 재생에 지는 햇빛 바람 구름 7.5% . , ,

등 기상 기후 변화에 따라 가동 시간이 간헐 이다(intermittency) .

이에 따라 변동 재생에 지의 출력이 시시각각 변하기 때문에 변동

성 이 상당히 높은 편이다 기존의 력시스템 기술 운(variability) . ,

인 환경에서 높은 출력 변동성을 력계통이 안정 으로 수용하

는 데는 한계가 있다.

외국의 사례에 따르면 국가 에 체 발 량 이 , OECD 7.5%

상의 변동 재생에 지를 보 한 국가는 개국에 달한다 덴마크는 8 .

체 발 량에서 변동 재생에 지의 비 이 로 국가들 33.6% OECD

가장 높다 포르투갈은 스페인은 에 달한다 개 국. 24.8%, 24.5% . 15

가로 구성된 개 지역을 상으로 한 의 연구에 따르면7 IEA(2014a) ,

변동 재생에 지의 비 를 력시스템이 수용할 수 있는 것으25%

로 나타났으며 비 인 경우에도 최소한 의 비 을 수용할 , 5~10%

수 있는 것으로 분석되었다.

하지만 각 국가의 력시스템은 상당히 복잡하며 체 시스템의 규

모나 구성과 특성에 따라 변동 재생에 지를 수용할 수 있는 정도

약 iii

는 상당히 차이가 날 수 있다 특히 국가 간 력계통이 상호 연계되. ,

어 있는 유럽의 경우 각 국가의 비율보다는 연계된 체 계통 내에서 ,

변동 재생에 지의 비율이 계통안정성 측면에서 의미가 있다 따라.

서 유럽의 경우 일부 국가의 비율이 높다고 하더라도 연계된 모든 계

통 측면에서는 큰 의미가 없을 수 있다 반면. , 우리나라는 국가 간 계

통이 연계되어있지 않아 력의 융통이 불가능하다는 제약이 있다 우.

리나라를 상으로 분석한 환 에 따르면 년까지 건설이 (2014) 2027

계획된 풍력 발 설비 가 력계통에 연계되면 계통안정성에 17GW

문제가 발생할 수 있다 풍력 발 의 최 출력 감소량이 운 비력.

을 과하는 사례가 발생할 수 있기 때문이다 환 의 분석에 . (2014)

포함되지 않은 태양 발 설비까지 추가된다면 문제가 더욱 심각해

질 수 있어 계통안정성을 보완하기 한 책이 꼭 필요함을 알 수 있

었다.

본 연구에서 수행한 모의실험의 결과에 따르면 리튬이온, BESS(

지 는 변동 재생에 지가 야기하는 출력 변동에 응하는 출력보상)

운 을 통해 력계통의 주 수와 압을 안정화시키는 효과가 있는

것으로 나타났다 태양 발 설비용량의 에 . 1MW 5%, 10%, 15%

해당하는 출력변동을 각각 의 로 보상 운50kW, 100kW, 150kW BESS

하 을 경우 각각 의 출력변동보상효과가 있음을 , 4.8%, 9%, 13%

알 수 있었다 이는 용량 비 각각 에 해당하는 . BESS 96%, 90%, 87%

효과이다 한 각 출력변동 시 나타나는 압변동의 약 . , 70%, 65%,

를 각각 일 수 있었다65% .

풍력 발 설비용량의 에 해당하는 출력변동2MW 5%, 10%, 15%

을 각각 의 로 보상 운 하 을 경우100kW, 200kW, 300kW BESS ,

iv

각각 의 출력변동보상효과를 확인할 수 있었다4.75%, 9.5%, 14.25% .

이는 용량 비 각각 에 해당하는 효과이다BESS 95%, 95%, 95% .

한 각 출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 각각 , 70%, 63%, 66%

일 수 있었다.

의 결과에 따르면 계통안정성 측면에서 태양 이나 풍력 발 시,

스템에 를 장착하면 석탄화력 가스터빈 원자력에 가까운 수BESS ,

으로 보완할 수 있다 본 연구의 경제성 분석 결과에 의하면 이 시. ,

스템들의 단 당 비용을 각각 비교하면 태양 는 원+BESS 261.7

풍력 는 원 으로 석탄화력 원 가스터/kWh, +BESS 167.4 /kWh , 62.3 /kWh,

빈 원 원자력 원 등 통 발 원들 보다 상119.6 /kWh 46.9 /kWh

당히 높은 것을 알 수 있다.

하지만 태양 이나 풍력 발 시스템의 출력을 보완하는 주 수조,

정용의 안으로서 비용과 통 원의 발 비력 간 비용BESS

을 비교하면 다소 다른 결과를 얻게 된다 를 출력보상용으로 활. BESS

용할 경우 석탄화력이나 가스 터빈보다 비용이 게 드는 안임을

알 수 있으며 특히 풍력의 경우는 더욱 렴하다 태양 , . 20MW

발 설비의 는 원 이다 여기에 의 출력변동보상LCOE 242.3 /kWh . 4.8%

효과가 있는 발 설비용량의 를 장착하면 가 1MW ( 5%) BESS LCOE

원 이 된다 두 비용의 차이인 원 이 의 출력을 251.9 /kWh . 9.6 /kWh 4.8%

보상하기 한 의 비용이라고 할 수 있다 풍력 발BESS . 20MW

설비에 의 출력변동보상효과가 있는 발 설비용량의 4.75% 1MW (

의 를 장착하면 장착하지 않았을 때 보다 가 원5%) BESS , LCOE 6.7

만큼 상승한다 를 장착하지 않으면 운 비력인 석탄화/kWh . BESS

력이나 유연성이 높은 가스터빈이 응동을 해야 하는데 두 발 원의 ,

약 v

는 각각 원 와 원 이다 즉 비용을 단순비교LCOE 62.3 /kWh 119.6 /kWh .

하면 태양 과 풍력에 장착한 의 비용 모두 석탄화력이나 가스BESS

터빈보다 낮은 것을 알 수 있다 태양 과 풍력을 비교하면 풍력이 . ,

더 은 비용으로 더 높은 출력변동보상효과를 낼 수 있는 것을 알 수

있다.

태양 풍력 발 설비에 발 설비용량의 20MW 2MW ( 10%)

를 각각 장착하면 가 각각 원 과 원 이 BESS LCOE 19.4 /kWh 13.5 /kWh

상승한다 발 설비용량의 를 각각 장착하면 . 3MW ( 15%) BESS

가 각각 원 과 원 이 상승한다 즉 화석연료 LCOE 29.3 /kWh 20.4 /kWh . ,

발 원보다는 비용이 낮게 나타난다 압 안정화 측면에서 장. BESS

착에 따른 설치비용의 체라는 추가 인 효과까지 고려한다면 SVC

의 경제성은 더욱 높을 것으로 단된다BESS .

태양 발 설비 비 의 비 이 약 일 때 가스 터빈과 BESS 56%

간 출력보상의 비용이 비슷해진다 풍력 발 설비는 의 BESS . BESS

비 이 약 일 때 가스터빈과 간 출력보상의 비용이 비슷해78% BESS

진다 석탄화력의 경우는 태양 발 설비 비 의 비 이 약 . BESS

일 때 풍력 발 설비 비 의 비 이 약 일 때 각각 석31% , BESS 43%

탄화력과 간 출력보상의 비용이 비슷해진다 이 비 보다 높은 BESS .

경우는 를 활용하는 출력보상 비용이 화석연료 발 원을 활용하BESS

는 것에 비해 높아진다.

가정용 태양 에 배터리를 장착한 시스템의 경제성 분석 결과에 따

르면 우리나라 력 다소비 가구의 일부는 이미 경제성을 확보하 으,

며 주요 도서의 력공 비용보다 태양 시스템의 비용이 낮은 , +ESS

것으로 나타났다 년에 가정용 태양 시스템의 는 . 2014 +ESS LCOE

vi

원 으로 태양 만 설치할 경우의 인 원 보다 267.3 /kWh , LCOE 198 /kWh

약 발 단가가 상승한다 를 장착할 경우 월 이상35% . ESS , 501kWh/

을 소비하는 가구에 경제성이 있는 것으로 나타났다 여기에 해당하는 .

가구는 년 기 으로 만 가구이다 한 울릉도 덕 도2013 33.5 . , , ,

도 추자도 등 도서지역의 력공 비용보다 낮다, .

년까지 가정용 태양 과 배터리의 설치단가가 각각 와 2017 20%

하락한다고 가정하면 태양 시스템의 는 원30% , +ESS LCOE 206.9

으로 하락한다 이 경우 월 이상을 소비하는 가구에 경/kWh . , 401kWh/

제성이 있는 것으로 나타났다 여기에 해당하는 가구는 년 기. 2013

으로 만 가구이며 우리나라 총 가정용 고객 만 가구의 118.2 , 1,678.2

약 이다 한 년 말 제주도의 력 정산단가인 원 의 7% . 2013 249 /kWh

수 으로 력요 이 실화될 경우 정부의 지원정책 없이도 보83% ,

이 가능한 수 이다.

연 결과 책 언3.

가 유틸리티 규모의 태양광 및 풍력 발전설비.

우리나라의 경우 체 원믹스에서 태양 과 풍력 발 설비의 비,

이 확 되면 력계통의 안정성에 문제를 래할 수 있다는 것을

알 수 있었다 년 변동 재생에 지의 발 비 목표인 를 . 2035 7.5%

달성하기 해서는 계통안정성을 유지하기 해 필요한 수단들을 다

각 으로 검토하여 종합 인 계획을 수립하고 이를 철 하게 이행해

나갈 필요가 있다 아래에서는 변동 재생에 지 보 확 에 있어서 .

계통안정성을 고려한 보 확 를 한 시사 을 도출하 다ESS .

약 vii

첫째 는 변동 재생에 지의 출력 변동을 완화함으로써 력, ESS

계통에 일종의 편익을 제공한다 하지만 개발자의 입장에서는 이러한 .

외부 편익을 내재화할 수 없어 비용만 높아지기 때문에 에 투자할 ESS

유인이 없다 따라서 외부 효과에 의한 시장 실패가 있고 이 때문에 . ,

이를 개발자가 내재화할 수 있도록 정부의 개입이 필요한 것으로

단된다 즉 외부 편익에 해당하는 부분만큼 개발자들에게 보 될 수 . ,

있도록 보조 등의 지원이 필요할 것으로 보인다.

둘째 태양 이나 풍력의 개발자가 설치에 따르는 계통편익을 , ESS

내재화 하더라도 그 비용을 모두 회수할 수 있는 수 보다 편익이 낮,

을 수 있다 이 차이를 이기 해서는 의 단가 하락을 유도하는 . ESS

것이 최선의 방법이다 그동안 신재생에 지 기술의 격한 단가 하락.

은 기술개발의 효과와 보 확 에 따른 규모의 경제 효과가 견인해

왔다 따라서 의 경우도 앞에 언 한 보조 을 통한 보 확 와 . ESS

더불어 기술개발을 한 에 극 인 지원이 필요할 것으로 보R&D

인다.

셋째 최근 정부는 신재생에 지 지원 정책의 틀 내에서 에 , ESS

한 보 과 투자를 장려하는 정책 방향을 설정하 다 를 신재생에. ESS

지공 의무화제도 에 포함하여 신재생에 지공 인증서(RPS) (REC)

의 가 치를 부여한다는 구상이다 이러한 구체 인 정책 수단의 개발.

에 있어 실효성을 담보하기 해서는 기존 신재생에 지 설비에 한

단 당 지원규모보다 에 한 단 당 지원의 규모가 더 커야 한ESS

다 투자하는 만큼 발 량이 증가하는 신재생에 지와는 다르게. ,

를 설치하면 투자비용은 높아지는 반면 충BESS 방 기 손실에

따라 발 량이 감소하여 결국은 발 단가가 더욱 높아지기 때문이다.

viii

넷째 가 장착되는 신재생에 지원별로 에 한 지원 규, BESS BESS

모의 차별화를 고려할 필요가 있다 동일한 규모의 를 추가. BESS 10%

할 때 총 투자비 증가율과 발 단가 증가율의 차이는 태양 과 풍력

이 각각 배와 배로 다르게 나타났다 증가율의 차이가 크지 1.53 1.46 .

않은 것처럼 보이지만 각각의 발 단가 증가액은 태양 이 원, 19.7

이고 풍력은 원 으로 다소 차이가 나며 의 규모가 /kWh 13.5 /kWh , BESS

커질수록 차이가 벌어진다.

마지막으로 합리 인 지원의 수 을 결정하기 해서는 세부 기술,

들에 한 추가 인 정보의 취합과 연구가 필요하다 를 들어. ,

의 충BESS 방 기 손실률이 발 단가에 미치는 향이 다소

높은 반면 이에 해 검증된 자료가 부족하여 합리 인 지원 수 을 ,

정하기가 어렵다.

나 가정용 태양광 발전설비에 대한 시사점.

일부 력 다소비 가구는 태양 가 이미 그리드패리티에 도달+ESS

하 고 향후 설치단가가 지속 으로 하락한다면 정부 지원 없이 자가 ,

설치 확 가 가능하다 집계는 되지 않았지만 보조 없이 태양 을 . ,

설치하는 가구가 격히 증가하는 것으로 업계는 추산하고 있다 그럼.

에도 불구하고 그리드패리티의 한계 에 있는 소비자에게는 높은

기 투자비용이 부담이 되는 등 아직까지 보 에 제약이 있으므로 보

을 가속화하기 한 환경 조성이 필요하다.

첫째 에 지 가격체계 합리화를 통해 정부 보조 없이도 가정용 ,

태양 의 보 확 를 가속화할 수 있는 여건을 조성할 수 있다 가정.

용과 도서지역의 력요 이 실화될 경우 태양 의 경제성이 +ESS

약 ix

더욱 개선되어 그리드패리티 상 가구가 확 되는 효과가 있다.

둘째 단기 으로 이미 그리드패리티에 도달한 가구를 상으로 태, ,

양 보 확 를 한 정책 추진이 필요하다 그리드패리티 도+ESS .

달 가구의 경제 여건이 다양하여 소득 계층별 여건에 합하게 차,

별화된 다양한 보 형 비즈니스모델을 개발할 필요가 있다.

셋째 경제성이 확보된 가구들이 보조 없이도 극 으로 자가 설,

치를 확 할 수 있는 환경 조성이 필요하다 를 들어 그리드패리티. ,

에 도달한 가구들을 주택지원 등 정부 보조 사업에서 제외하여 이들

이 자가 설치를 하도록 유도할 필요가 있으며 정부는 이를 이미 시행 ,

에 있다.

넷째 주민 수용성 제고 비 경제 인센티 강화 등의 정책을 통, , -

해 태양 자가 설치 확 를 한 친환경 문화의 조성이 필요하다 공.

신력 있는 기 에서 신뢰도 높은 자료 정보를 생성하여 홍보함으

로써 정확한 정보에 기반을 둔 소비자 의사결정 을 (informed decision)

지원하여 태양 에 한 낮은 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다.

다섯째 부지 등 설치 여건이 좋은 가구를 상으로 설비용량 규모,

가 큰 태양 을 설치할 수 있도록 인센티 제공이 필요하다 일례로. ,

행 제도 하에서는 설비용량 이상의 경우 상계처리 상에서 10kW

제외되어 있어 잉여 력의 처리에 한계가 있고 이에 따라 용량 설,

치를 한 인센티 가 미흡하다 상계를 할 수 있는 용량의 범 를 확.

함으로써 태양 의 경제성을 제고하여 규모 설치를 유도할 수 있

다.

Abstract i

ABSTRACT

1. Background and Issues

One of the obstacles to promoting the use of renewable energy in

the power generation sector is that variable renewable energy (VRE)

such as solar PV and wind power may undermine the reliability of

the power grid. In fact, a higher proportion of VRE to entire power

generation sources is likely to make it difficult to maintain constant

balance between the supply and demand of electric power on a real

time basis.

Meanwhile, there are various technologies to help maintain the

reliability of the power grid by supplementing VRE. For instance,

Energy Storage System (ESS) stores excess electricity for laster use

during a power shortage or eases power output fluctuation caused

by VRE so that the reliability of the power grid can be enhanced

with frequency and voltage maintained within a certain range.

However, the general view is that ESS costs “much more” than

flexible facilities such as the operational reserve of coal-firing and

gas turbines. There has been little research on the comparative

analysis of economics among such technologies in relation to the

reliability of the power grid. More research should be done on this

subject in order to achieve the target ratio of renewable energy to

total power mix in a cost-effective manner, while at the same time

ii

ensuring the reliability of the power grid.

This research analyzed the enhancement effect of the reliability of

the power grid by ESS, with a focus on ‘frequency and voltage

fluctuations’ caused by VRE. In addition, the cost of reliability

enhancement was calculated in the frame of economics analysis so as

to compare with that of coal-firing and gas turbine. Implications

were drawn from the analysis result, which should be considered in

the dissemination of VRE such as solar PV and wind power in the

power generation sector for the enhancement of the reliability of the

power grid.

2. Research Results

The Korean government plans to increase the proportion of VRE

to total power generation to 7.5% by 2035. Power generation by

VRE is possible only intermittently depending on weather and

climate, such as sun, wind and cloud, and therefore the power output

of VRE is highly variable. This poses as a constraint to promoting

the use of VRE for the power grid, given the existing power

generation system, technologies and operation environment.

According to the 6th Electricity Demand Supply Basic Plan of

Korea, 17 GW of wind power are planned for construction by 2027.

Once the new wind power system is connected to the grid, according

to Cheon Young-hwan (2014), it may cause problems with the

reliability of the power grid because the maximum power output of

Abstract iii

wind power may sometimes decrease more than the size of the

operational reserve. Such fluctuations can be deteriorated when solar

PV is added to the power grid, which was not included in the

analysis of Cheon Young-hwan(2014), which necessitates

countermeasures to ensure the reliability of the power grid.

The result of simulations conducted in this research shows that

BESS (lithium ion battery) can cope with the power output

fluctuation of VRE and effectively stabilizes the frequency and

voltage of the power grid. In case the power output of a 1MW solar

PV system is fluctuated by 5%, 10% and 15% each, and is

supplemented by BESS with the capacity of 50kW, 100kW and

150kW, they could control the fluctuation by 4.8%, 9% and 13%

respectively, which amounts to 96%, 90% and 87% of the BESS

capacity. In addition, voltage fluctuation associated with power

output fluctuation was reduced by 70%, 65% and 65%, respectively.

In case the power output of a 2MW solar PV facilities is

fluctuated by 5%, 10% and 15% each, and is supplemented by BESS

with the capacity of 100kW, 200kW and 300kW, the fluctuation of

4.75%, 9.5%, and 14.25% could be controled by BESS, respectively,

which amounts to 95%, 95% and 95% of the their capacity. Also,

voltage fluctuation decreased by 70%, 63% and 66%.

According to the economics analysis result of this research, BESS

is a less costly solution to supplement the power output fluctuation

of VRE than coal-firing and gas turbine, and it is even more so

iv

when used to supplement wind power. The LCOE of a 20MW solar

PV facilities is 242.3 Won/kWh. When a 1MW BESS (5% of the

power system capacity) which supplements 4.8% of fluctuated power

output is installed, LCOE increases to 251.9 Won/kWh. The

difference, 9.6 Won/kWh, is the cost to supplement 4.8% power

output with the BESS. In case 1MW BESS (5% of the power

system capacity) which supplements 4.75% of fluctuating power

output is installed to a 20MW wind power facilities, LCOE increases

by 6.7 Won/kWh compared with operating without BESS. If BESS

is not used, coal-firing or highly flexible gas turbine should be used

to make up for lost power output, and their LCOE is 62.3 Won/kWh

and 119.6 Won/kWh each. A simple cost comparison shows that the

cost of BESS is lower than coal-firing and gas turbine for both solar

PV and wind power systems. Even so, BESS is more cost-effective

when used for wind power than for solar PV.

According to the result of economics analysis on BESS cost for

household solar PV systems, the use of BESS proved economical for

part of households which consume much electricity and pay big

utility bills, and for those homes on islets, solar PV+ESS system was

less costly than supplying electric power from the grid. In 2014, the

LCOE of residential solar PV+ESS system was 267.3 Won/kWh,

which was 35% higher than 198 Won/kWh of solar PV without

ESS. ESS proved to be an economical solution for households which

consume more than 501kWh/month, and there were 335,000

Abstract v

households which fall into this category as of 2013. Also, the cost of

solar PV + ESS system was less costly for residents on islets such

as Ulreung-do, Dukjeok-go, Wi-do and Chuja-do, than supplying

from the grid.

Assuming that the installation costs of residential solar PV and

ESS system decrease by 20% and 30% each by 2017, LCOE will

fall to 206.9 Won/kWh. In this case, solar PV and ESS system can

become an economic solution to households which spend more than

401kWh/month. There are 1,182,000 households which fall in this

category as of 2013, accounting for approx. 7% of all 16,782,000

households. 206.9 Won/kWh is equivalent to 83% of power supply

cost in Jeju island, 249 Won/kWh, as of the end of 2013. If

electricity tariff from the grid is rationalized, 206.9 Won/kWh will

become an affordable level of cost for households to adopt

residential solar PV and ESS system even without government

subsidies.

3. Policy Suggestions

A. Solar PV and wind power facilities of utility level

The research finding shows that a greater proportion of solar PV

and wind power to the entire power mix may undermine the

reliability of the power grid in Korea. If Korea is to achieve the

7.5% target ratio of VRE to total power generation by 2035 as

vi

planned, the government should explore various means to ensure the

reliability of the national power grid and set up a comprehensive

plan which should be thoroughly implemented. Through this

research, a set of implications were found as below, which need to

be considered for the expansion of ESS use as a supplementary

means to promote grid reliability along the dissemination of VRE.

First, ESS provides benefit to the power grid by easing the power

output fluctuation of VRE. However, because the developers of VRE

cannot internalize such external benefit while ESS adds to cost, they

have little incentive to use ESS. This phenomenon is what is called

a market failure caused by external effects and therefore the

government's intervention may be needed in order to let VRE

developers internalize the external benefit provided by ESS. In other

words, the part of power generation cost equivalent to the amount of

external benefit should be compensated for in the form of

government subsidies, etc.

Second, even if the solar PV or wind power developers internalize

the external benefit of ESS, they may not still be able to recover all

cost associated with ESS. The best way to reduce the gap between

actual ESS cost and recovered cost is to induce the fall of ESS

prices. Thus far, the effects and wider use of renewable energy

technologies have increased the economies of scale and helped to

push down the cost of using such technologies. In that context, more

aggressive R&D support should be provided to boost the

Abstract vii

development of renewable energy technologies, in addition to

government subsidies to encourage the use of ESS as

aforementioned.

Third, the government has recently adopted a policy to encourage

the use and investment of ESS within the framework of renewable

energy support policy, which is to include ESS in RPS so as to give

a weight of REC. In order to ensure the policy reaps intended

results, support for ESS per unit should be greater than that of

existing renewable energy facilities.

That's because BESS adds to cost but actual power production

volume decreases due to charge, discharge and stand-by losses,

which brings up production cost, which compares to existing

renewable energy whose production volume goes up in proportion to

investment cost.

Fourth, it should be considered to differentiate the amount of

support for each type of renewable energy source which uses BESS.

In case a BESS (10%) is used, the gap between incremental

investment cost increase and incremental production cost increase

was different between solar PV and wind power, 1.53 times and

1.46 times each. While the gap seems to be not so significant, the

total production cost of solar PV increased by 19.7 Won/kWh, and

wind power increased by 13.5 Won/kWh, and the gap expanded as

the size of BESS gets bigger.

Lastly, more information gathering and additional research should

viii

be done on technologies in detail so as to decide what should be the

reasonable level of support. For instance, charge, discharge and

stand-by loss of BESS has rather substantial impact on production

cost of power, and lack of information to prove the impact makes it

difficult to decide what the reasonable level of support should be.

B. Implications for residential solar PV facilities

For some of electricity-guzzling households, solar PV+ESS already

reached grid parity. If ESS installation cost continues to decline,

such households will be willingly adopt ESS even at their own cost,

without government support. While no official statistics are available

yet, people in the power generation industry figure there is a fast

increase in households which adopt solar PV systems even without

government subsidies. Nevertheless, high upfront cost of investment

is still an obstacle to the further dissemination of ESS, say, among

consumers who are around the grid parity level. More efforts should

be made to foster an environment to facilitate the use of ESS.

First, the reform of the energy pricing system will help facilitate

the use of solar PV in households even without government

subsidies. If utility tariff charged to households and residents of

islets is raised to a level matching power production cost, the

economics of solar PV+ESS will be further improved and more

households will reach grid parity.

Second, the government should implement measures, as a

Abstract ix

short-term policy, to promote the use of solar PV+ESS by

households who reached grid parity. To that end, various business

models should be developed, tailored to different income levels of

households.

Third, the government should foster an environment where

households which reached grid parity (thus, the economics of solar

PV + ESS is secured) are motivated to actively use ESS even

without subsidies. One of such measures, for example, is to

disqualify those which reached grid parity from

government-subsidized schemes so that they are induced to embrace

solar PV system. And this measure is already in place by the

government.

Fourth, eco-friendly culture should be formulated across society

through policy measures to promote public consent and

non-economic incentives, so as to encourage the use of solar PV

system. For instance, institutions with high public credibility may

publish reliable data and information for public education and help

consumers to make informed decisions. That way, overall public

confidence in solar PV can be improved.

Fifth, incentives should be offered to households which have

conditions advantageous to solar PV installation, such as sizable

land, so as to encourage them to install large-capacity system. Under

the current regulations, solar PV of 10kW or higher capacity is

excluded from net-metering. Therefore, the disposal of surplus power

is quite limited and there is little incentive to install large-capacity

system. The revision of such regulations, thus increasing the

minimum installed capacity eligible for net-metering, will enhance

the economics of solar PV and encourage the use of large-capacity

systems.

차 i

목 차례

장 1 ···················································································· 1

장 변동 재생에너지 계통안2 ······································· 7

태양1. 풍력 발 의 특성 ······························································ 7

태양2. 풍력 발 이 력시스템에 미치는 향 ······················· 11

계통안정성의 정의3. ······································································· 19

변동 재생에 지 수용가능 정도4. ············································· 21

장 계통안 안 술 효과3 ·········································· 37

의 작동 원리1. ESS ········································································· 38

의 기술별 특성 비용2. ESS ······················································· 41

안 기술의 계통안정성에 한 효과 분석3. ······························ 50

장 태양4 경 ····································· 69

경제성 분석 선행연구1. ································································· 69

경제성 분석 개요2. ········································································· 76

유틸리티 규모 태양3. 풍력 발 의 경제성 분석 ····················· 86

가정용 태양 발 의 경제성 분석4. ········································· 101

장 책 시사5 ································································ 107

유틸리티 규모의 태양 풍력 발 설비에 한 시사1. ·· 107

가정용 태양 발 설비에 한 시사2. ·································· 112

ii

참고 헌 ···················································································· 117

························································································ 123

부록 변동 재생에 지와 압 변동의 계1. ························ 123

부록 리튬이온 지의 계통안정성 효과 시뮬 이션2. ··············· 126

차 iii

표 차례

표 운 비력 확보기< 2-1> ··························································· 16

표 주 수 조정 비력의 구성< 2-2> ················································· 17

표 계통 연계를 한 동기화 변수 제한범< 2-3> ························· 21

표 년 국가별 재생에 지 발 량 비< 2-4> 2013 OECD ·············· 26

표 최 출력 변동량< 2-5> (MW) ······················································ 35

표 력 장장치의 종류별 특징< 3-1> ·············································· 46

표 비력 경우 최 주 수 모의실험 결과 < 3-2> 2,500MW ······· 54

표 태양 출력변동 시 의 출력안정화 효과 < 3-3> BESS ············ 67

표 풍력 출력변동 시 의 출력안정화 효과 < 3-4> BESS ················· 68

표 태양 추정을 한 주요 제 가정치< 4-1> LCOE ··········· 82

표 풍력 단순 추정을 한 주요 제 가정치< 4-2> LCOE ····· 83

표 발 단가 추정을 한 주요 제 가정치< 4-3> ···················· 85

표 태양< 4-4> 풍력 단순 분석 결과 비교LCOE ·················· 87

표 사업성 분석 주요 제 가정< 4-5> LCOE ··························· 90

표 태양< 4-6> 풍력 사업성 분석 결과 비교LCOE ··············· 91

표 비 별 태양 발 의 비교< 4-7> BESS LCOE ························ 92

표 손실률별 태양 발 의 단순 비교< 4-8> BESS LCOE ··········· 94

표 비 별 풍력 발 의 비교< 4-9> BESS LCOE ··························· 95

표 손실률별 풍력 발 의 단순 비교< 4-10> BESS LCOE ············ 96

표 월 이상 소비가구의 소득 분포 < 5-1> 500kWh/ ······················· 114

iv

그림 차례

그림 강진 태양 설비의 일 간 출력변동 [ 2-1] 1MW ················ 8

그림 흥 태양 설비의 일 간 출력변동 [ 2-2] 1MW ················ 9

그림 순천 태양 설비의 일 간 출력변동 [ 2-3] 1MW ················ 9

그림 분 간격으로 측정된 풍속변화[ 2-4] 1 ········································ 10

그림 풍력발 기의 출력[ 2-5] 3MW PMSG ···································· 10

그림 [ 2-6] 변동 재생에 지 비 변화에 따른 균형효과의 변화 ··· 12

그림 부하지속곡선과 이용효율 효과[ 2-7] ········································ 14

그림 발 원의 탈락 이후 우발 비력의 재조정 과정[ 2-8] ············ 15

그림 년 독일 변 소의 력 흐름 추세 [ 2-9] 2009-13 ················· 18

그림 [ 2-10] 년 국가의 발 량 재생에 지 비2013 OECD ···· 23

그림 [ 2-11] 년 국가의 재생에 지원별 발 량 비2013 OECD ······ 24

그림 년 국가별 재생에 지 발 량 비[ 2-12] 2013 OECD ·········· 25

그림 동일본 력시스템의 시스템 유연성 분석 결과[ 2-13] ·········· 28

그림 시 간격의 시간 출력 변동량 그래[ 2-14] 0~2 2 ···················· 35

그림 신재생에 지 원 운 을 한 제어 블록[ 3-1] ·············· 39

그림 시간 단 출력 측기반 하에서의 운 [ 3-2] 1 ············ 39

그림 신재생에 지 원 연계계통의 압조정 용 [ 3-3] ·········· 40

그림 에 지 장기술별 특징과 용도[ 3-4] ········································ 42

그림 기본 구조 작동 원리 [ 3-5] EDLC ··································· 44

그림 에 지 장용 기술별 설비투자비용[ 3-6] ESS ($/kWh) ·········· 48

그림 력출력용 기술별 설비투자비용[ 3-7] ESS ($/kWh) ············ 49

차 v

그림 풍력 발 의 출력 변동 시뮬 이션 차 [ 3-8] ····················· 52

그림 출력변동 시 출력안정화 효과[ 3-9] PV 5% BESS ················ 57

그림 출력변동 시 압안정화 효과[ 3-10] PV 5% BESS ·············· 58

그림 출력변동 시 출력안정화 효과 [ 3-11] PV 10% BESS ·········· 59

그림 출력변동 시 압안정화 효과[ 3-12] PV 10% BESS ············ 59

그림 출력변동 시 출력안정화 효과 [ 3-13] PV 15% BESS ·········· 60

그림 출력변동 시 압안정화 효과[ 3-14] PV 15% BESS ············ 61

그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과[ 3-15] 5% BESS ············ 62

그림 풍력 출력변동 시 압안정화 효과 [ 3-16] 5% BESS ·········· 63

그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과[ 3-17] 10% BESS ·········· 64

그림 풍력 출력변동 시 압안정화 효과 [ 3-18] 10% BESS ········ 64

그림 풍력 출력변동 시 출력안정화 효과[ 3-19] 15% BESS ·········· 65

그림 풍력 출력변동 시 압안정화 효과[ 3-20] 15% BESS ·········· 66

그림 에 지원별 발 단가 비교[ 4-1] ($/MWh) ······························ 72

그림 캘리포니아 태양 배터리 발 단가[ 4-2] + ······························ 78

그림 [ 4-3] 미국 주요 주의 태양 배터리 그리드패리티 도달 시+ ···· 79

그림 하와이 연간 태양 설치 황[ 4-4] (MW) ·························· 79

그림 가정용 단 력요 주요 도서 력 공 단가[ 4-5] ······· 81

그림 태양[ 4-6] 풍력과 통 원의 단순 비교 LCOE ········· 87

그림 태양[ 4-7] 풍력 사업성 분석 결과 비교 LCOE ················ 91

그림 태양 의 계통편익을 고려한 비교[ 4-8] +ESS LCOE ············· 99

그림 풍력 의 계통편익을 고려한 비교[ 4-9] +ESS LCOE ··············· 100

그림 가정용 태양 경제성 분석 [ 4-10] +ESS ······························ 102

vi

그림 분산 원만이 연결된 압배 선로[ 1] ·································· 124

그림 태양 발 설비 모델링 [ 2] 1MW ········································· 127

그림 태양 발 설비의 출력 류제어기 모델링 [ 3] 1MW ·········· 127

그림 [ 4] 1MW 태양 발 설비의 인버터 출력 압제어기 모델링 · 128

그림 태양 발 설비의 출력안정화장치인 모델링 [ 5] BESS ······ 129

그림 태양 발 설비의 최종 출력값 와 모델링 [ 6] Pref Qref ····· 130

그림 의 출력기 값 받는 방향 기 모델링 [ 7] BESS ( ) ················ 130

그림 [ 8] PI Power Controller ························································· 130

그림 [ 9] PI Current Controller ······················································· 131

그림 배 계통 태양 발 설비 체계통 [ 10] + + BESS ············ 132

그림 풍력발 설비 모델링 [ 11] 2MW ··········································· 133

그림 제어기 모델링 [ 12] ································································· 134

그림 풍력발 설비의 출력안정화장치인 모델링 [ 13] BESS ········ 136

그림 최종 출력값 모델링 [ 14] PGRID_LF(i2r) ······························ 137

그림 의 출력기 값 받는 방향 기 모델링 [ 15] BESS ( ) ·············· 137

그림 [ 16] PI Power Controller ······················································· 137

그림 [ 17] PI Current Controller ····················································· 138

그림 배 계통 풍력 발 설비 의 체계통 [ 18] + +BESS ················ 139

장 1 1

장 론1

발 부문에서 신재생에 지 보 의 확 를 제약하는 요한 요소

들 하나는 변동 재생에 지 가 (VRE, variable renewable energy)

력계통의 안정성을 해할 수 있다는 이다 정부가 년 월에 . 2014 1

확정하여 발표한 제 차 에 지기본계획2 의 수립 과정에서 신재생에

지 부문의 쟁 사항 하나는 년까지 일차에 지 비 신재2035

생에 지 보 비 에 한 목표 설정이었다 당시 일부 문가들은 .

발 부문에서 신재생에 지의 보 이 확 되면 기존 력시스템의

안정성을 해칠 수 있다는 우려를 제기하며 보 의 비 을 높이는 것

에 해 부정 인 입장을 견지하 다 력시스템의 안정성을 보완할 .

수 있는 안이나 신기술들에 한 비용이 높다는 과 이 비용이 국

민에게 가된다는 에서도 부정 인 입장이었다.

미국의 여러 주에서는 유틸리티 회사들이 변동 재생에 지가 계

통의 안정성에 잠재 으로 부정 인 향을 미칠 수 있다는 이유로

가정용 태양 의 계통연계를 지연시킨 사례들이 있다 일부 주에서는 .

가정용 태양 을 설치한 가구에게 계통연계비용의 부과를 추진하여

태양 의 비용을 높이려 하 다 하와이에서는 가정용 태양 의 발.

단가가 력 소매요 보다 격히 낮아서 설치가 격하게 확 되고

있었는데 유틸리티 회사인 가 력시스템에 , HECO(Hawaii Eloctric)

미치는 향을 검토한 이후에 계통 연계 여부를 결정하겠다고 하며

신규로 설치한 가정용 태양 의 계통 연계를 지연시킨 바가 있다 이.

로 인해 피해를 본 가구들이 발생했으며 일순간에 하와이에서 가정용 ,

2

태양 의 보 이 지연되는 결과를 래했다.

실질 으로 발 부문에서 변동 재생에 지의 비 이 높아지면 ,

실시간으로 력의 수요와 공 간 균형을 항상 유지시키는 데 어려

움을 래할 가능성이 있다 이 때문에 변동 재생에 지의 보 확.

에 있어 력시스템의 안정성에 한 고려가 필수 이다 즉 변동. ,

재생에 지의 보 을 확 하는 데 있어 정부는 정책 인 측면에서,

계통운 자는 기술과 운 상의 측면에서 력 공 자와 수요자의 경

제성을 고려하여 항상 안정 인 력의 공 이 보장될 수 있도록

비해야 한다.

이러한 요성을 인식하여 여러 국가에서 변동 재생에 지가

력시스템에 미치는 경제 운 기술 향에 한 연구를 진행, ,

하고 있다 이러한 연구들에서 제시하는 주요 질문들은 다음과 같다. .

첫째 기존 력시스템이 안정성을 유지하는 범 에서 어느 정도의 변,

동 재생에 지 비 을 수용할 수 있는지 둘째 앞의 질문과 유사한 ? ,

질문으로 기존 력시스템이 안정성을 유지하면서 한 국가가 설정한 ,

변동 재생에 지 보 목표를 달성할 수 있는지 셋째 안정성을 유? ,

지할 수 없다면 기술 운 측면에서 어떤 사항들을 보완해야 하

는지 넷째 안정성을 보완하는 기술이나 안이 어떤 역할을 하는지? , ?

다섯째 안정성을 보완하는 기술이나 안들의 비용 즉 경제성은 어, ,

떤지 마지막으로 기존 력시스템에 안정성을 보완하는 기술이나 ? ,

안들을 용하여 변동 재생에 지를 효과 으로 통합 할 (integration)

수 있는 방안은 무엇인지 이러한 주제로 여러 국가와 국제기구들에?

서 많은 연구들이 진척되고 있으며 이미 유의한 결과들을 도출하고 ,

있기도 하다.

장 1 3

연구의 방법에는 크게 거시 인 근과 미시 인 근이 있다 거시.

인 근 방법은 국가 단 는 특정 지역 단 의 력 공 인 라

와 수요 리 력시스템의 운 안정성 등 다각 인 측면을 동시,

에 고려하는 근 방법이다 미시 인 근은 앞에서 언 한 특정 요.

소를 상으로 하여 특정 질문에 한 해답을 얻기 한 방법으로 활

용된다 거시 인 근은 력시스템 각 요소들 간의 상호 작용에 의.

한 효과까지 반 되기 때문에 분석 결과가 좀 더 실 이다 하지만. ,

이를 해서는 국가 단 는 특정 지역 단 의 포 인 력시스

템 즉 각각의 발 설비 송배 설비 수요 력시스템의 운 안, , , ,

정성 등 련 요소들을 모두 포함하는 모형의 구축이 필요하며 단순,

화를 하더라도 방 한 작업과 많은 시간이 소요된다 미시 근은 .

필요에 따라 특정 요소만 분리하여 거시 근에 비해 상 으로

간결한 방법으로 특정 효과를 분석할 수 있는 장 이 있다 하지만. ,

여러 요소들 간의 상호 작용에 한 효과를 고려하기 해서는 주의

깊은 연구 설계와 결과의 해석이 요구된다.

우리나라에서는 력시스템의 안정성을 보완하거나 는 변동 ,

재생에 지를 력시스템에 효과 으로 통합하기 해서 스마트그리

드 실증사업1)이나 에 지 장장치 보ESS(energy storage system, )

사업 등 다양한 정책과 사업을 추진하고 있으며 이를 한 정책연구,

도 많이 진행되었다 이와 연 된 다양한 기술개발 한 병행되고 있.

다 하지만 에 제시한 근본 인 질문을 상으로 진행한 연구는 거. ,

의 없으며 아직까지는 시작 단계에 불과하다, .

1) 변동 재생에 지를 력시스템에 효과 으로 통합하는 것은 스마트그리드 사

업의 일부분에 지나지 않으며 여기에는 기존 력시스템에 기술을 연계하, ICT

여 다양한 력 련 기술들이 집 되어 있음.

4

본 연구에서는 에서 제시한 다섯째 질문인 계통안정성을 보완하

는 기술이나 안들의 비용 즉 경제성 분석을 주요 연구 목 으로 하,

다 계통안정성은 포 인 개념으로 력 소비자에게 안정 으로 . ,

력을 공 하는데 필요한 부분의 요소와 련이 되어있다 본 연구.

에서는 변동 재생에 지가 래하는 주 수 압의 변동에

을 두었다 변동 재생에 지의 상은 태양 과 풍력 발 을 상으.

로 하 다 미시 인 근 방법을 채택하 으며 여기서 미시 인 . ,

근 방법이란 개별 인 태양 는 풍력 발 설비가 계통안정성에 ‘ ’

미치는 향에 을 두고 있다는 의미이다 계통안정성에 미치는 .

향이란 개별 태양 는 풍력 발 설비가 주 수 압의 변동‘ ’ 에

미치는 향을 의미하며 이를 최소화한다는 의미를 내포하고 있다, .

태양 과 풍력 발 설비는 기상 기후의 향으로 출력이 간헐 이

며 변동 이다 출력의 변동은 력계통의 주 수와 압에 변동을 .

래함으로써 력의 품질을 하시킬 수 있으며 아주 심각한 경우에는 ,

계통의 붕괴를 래할 수도 있다 하지만 술한 바와 같이 이에 응.

하여 계통안정성을 유지시킬 수 있는 여러 가지 기술 안들도 존재

한다.

우리나라는 제 차 신재생에 지 기본계획에서 발 부문의 년 4 2035

변동 재생에 지 보 목표를 신재생에 지 발 비 7.5%( 13.4%

가 목표임 로 설정하 다 본 연구는 이를 달성하는 데 있어 력계통) .

의 안정성에 문제가 없는지 검토하고 이를 보완할 수 있는 기술 안,

들을 분석하며 이러한 기술을 경제 으로 보 할 수 있는지 분석하는 ,

것을 주요 목 으로 한다 는 아직까지는 그 비용이 가스터빈 발. ESS

설비를 이용한 백업의 비용보다 높은 기술로 인식되고 있다. ESS

장 1 5

하나인 리튬이온 지를 상으로 주 수와 압을 안정화하는 효

과를 모의실험을 통해 분석하 으며 특정의 안정화 효과를 해 소요,

되는 리튬이온 지의 비용 즉 경제성을 분석하여 운 비력을 활용,

하는 경우와 비교하 다 그리고 이러한 분석 결과를 바탕으로 태양.

과 풍력 발 설비와 같은 변동 재생에 지의 보 확 에 있어 계

통안정성의 측면에서 고려해야 할 시사 을 도출하 다.

정부는 보 활성화 방안을 발표하고 정책을 추진 이다ESS .

년 월 사업을 부가가치를 창출하는 녹색분야의 주요 기술 2013 5 ESS

신사업으로 지정하고 년까지 조원 규모의 설비투, 2020 6.4 R&D

자 계획을 발표했다 년 월에는 신에 지 재생에 지 개. 2013 12

발 이용 진법 의 개정을 통해 가 신재생에 지의 력계통 연ESS

계조건을 개선하기 한 설비인 신에 지 재생에 지 설비 로 포“ ”

함되었다 그리고 를 설치할 경우 . ESS RPS(renewable portfolio stand-

신재생에 지 공 의무화 제도에서 ard, ) REC(renewable energy certif-

신재생에 지 공 인증서 의 가 치를 부여하기 한 연구용역icate, )

을 진행 이다.

본 연구의 결과는 이러한 정부 정책의 당 성을 검토하고 정책 방,

향 제시 그리고 합리 인 지원 수 을 결정하는데 요한 기 자료,

로 활용될 수 있을 것으로 기 된다 한 향후 력시스템의 안정성.

을 유지하면서 변동 재생에 지의 보 을 확 하기 해 어떤 부분

을 고려해야 하고 어떤 연구가 추가 으로 필요한지에 한 방향 설

정에도 활용이 될 수 있을 것으로 기 된다 마지막으로 향후 제 차 . , 3

에 지기본계획 과 제 차 신재생에 지 기본계획5 을 수립할 때 우리

나라 신재생에 지의 보 목표와 정책 방향을 재설정하기 한 자료

6

로 활용될 수 있기를 기 한다.

본 보고서는 다음과 같이 구성되었다 먼 제 장에서 태양 과 풍. 2

력 발 즉 변동 재생에 지의 발 특성과 이에 따른 력시스템,

에 한 향을 정리하 다 한 본 연구에서 을 두는 계통안정. ,

성의 정의 즉 요소에 해 기술하 다 력시스템에서 수용 가능한 , .

변동 재생에 지의 비 도 문헌 연구를 통해 가늠해 보았다 제 장. 3

에서는 의 기술별 특성과 비용을 검토하 다 한 리튬ESS . , ESS

이온 지가 주 수 압 변동을 완화하는 효과를 모의실험을 통해

분석하 다 제 장에서는 리튬이온 지를 장착한 가상 인 태양 . 4

풍력 발 설비의 경제성을 분석하여 운 비력을 활용하는 경우와

비교하 다 먼 태양 과 풍력 발 의 경제성을 분석한 선행연구 . ,

황을 정리하 다 다음으로 본 연구에서 활용한 경제성 분석의 방법.

론과 주요 제를 설명하 다 경제성 분석은 유틸리티 규모의 태양 .

발 과 풍력 발 을 상으로 하 으며 가정용 태양 도 분석에 포함,

하 다 마지막으로 제 장에서 정책 시사 을 도출하여 제시하 다. , 5 .

장 변동 재생에너지 계통안 2 7

장 변동 재생에너지 계통안2

태양 풍력 특1. ･

가 태양광 풍력 발전의 간헐성. ･

태양 과 풍력 발 은 기상 기후의 변화 즉 햇빛 바람 구름과 , , ,

같은 자연 상에 향을 받는다 이에 따라 발 의 출력이 간헐.

이다 간헐성의 향에 따라 태양 풍력의 출력이 시(intermittency) .

시각각 변하기 때문에 변동성 이 비교 높은 편이다 이와 (variability) .

달리 석탄화력 천연가스 발 는 원자력 등 통 발 원,

(conventional generation)2)은 후쿠시마 사태와 같은 극심한 기상 ‘ ’

기후 변화에 의해 가동이 지되는 경우를 제외하고는 출력의 변동성

이 거의 없다 기상 기후 변화의 향을 받기 때문에 나타나는 .

하나의 특성은 신재생에 지 발 의 출력에 한 정확한 측이 어렵

다는 이다 따라서 신재생에 지 발 의 출력은 불확실성.

을 띄고 있다 는 변동 재생에 지를 일정 일 는 (uncertainty) . IEA

계 동안 변동을 거듭하는 자원에 기반을 둔 재생에 지로 정의하며,

그 범주에 풍력 태양 력 조력을 포함한다 본 연구에서도 이, , .

러한 특성을 갖는 신재생에 지 발 원을 변동 재생에 지(variable

라고 칭한다renewables) 3).

2) 본 보고서에서는 석탄화력 천연가스 발 원자력 발 등 기존 발 원을 통, , “

발 원 이라 칭함” .

3) 웹사이트 검색일 IEA (http://www.iea.org/aboutus/faqs/renewableenergy/) 2014. 11.

일12 .

8

아래의 그림 [ 2-1 에서 그림 ] [ 2-3 까지는 각각 하 기에 국내 강진] ,

흥 순천에 설치된 태양 발 설비에 하여 일 동안 1MW 1

측정된 출력특성을 나타낸다 아래 그림에서 알 수 있듯이 태양 발.

설비의 출력특성곡선은 체 으로 력계통 체 일부하곡선과 거의

일치됨을 알 수 있으나 구름 등의 날씨변화에 따라 일시 으로 일사,

량이 변화하는 경우는 순천의 사례와 같이 변동이 심하게 된다 이와 .

같은 변동은 계통 체의 주 수 조정에 미치는 향이 크므로 변동

재생에 지의 비 이 높아지면 계통안정성에 좋지 않은 향을 미칠

수 있다.

그림 강진 태양 비 간 출 변동 [ 2-1] 1MW

자료 지식경제부: (2008)

장 변동 재생에너지 계통안 2 9

그림 태양 비 간 출 변동 [ 2-2] 1MW

자료 지식경제부: (2008)

그림 순천 태양 비 간 출 변동 [ 2-3] 1MW

자료 지식경제부: (2008)

10

아래 그림 [ 2-4 와 그림 ] [ 2-5 는 제주도에 설치된 구자석] 3MW

형 풍력발 기에 하여 년 월에 분 간격으로 측정된 (PMSG) 2012 3 1

풍속변화와 그 출력특성을 각각 나타낸다 그림 . [ 2-4 에서 보듯이 풍]

속의 변동 청색선 이 높게 나타나는 것을 볼 수 있으며 이에 따라서 ( ) ,

그림 [ 2-5 와 같이 풍력발 기의 출력 변화 색선 한 높게 나타나] ( )

는 것을 볼 수 있다.

그림 간격 측 변 주도 년 월[ 2-4] 1 ( , 2012 3 )

자료: Nguyen, et al(2013)

그림 출 주도 년 월[ 2-5] 3MW PMSG ( , 2012 3 )

자료: Nguyen, et al(2013)

장 변동 재생에너지 계통안 2 11

풍력 발 의 보 이 확 되어 체 원에서 풍력이 차지하는 비

이 높아지게 되면 이러한 풍속 변화에 따른 출력변화가 계통안정화에

좋지 않은 향을 미칠 수 있다.

나 태양광 풍력 발전의 기술적 특성. ･

태양 과 풍력 발 은 각 단 가 모듈화 되어 있어 발 (modularity)

용량 규모의 측면에서는 와트 의 소규모 발 시스템에서 수백 메(W)

가와트 의 규모 발 시스템까지 다양한 설비용량을 구성할 (MW)

수 있다 따라서 력 수요지 인근에 설치가 용이한 분산 원의 역할.

을 담당할 수 있다.

태양 과 풍력 발 의 기술 특성으로는 통 발 원과는 다르

게 주로 직류 의 기를 생산하며 한 비 동기(direct currency) -

으로 작동된다 다음 에서는 이러한 특성으로 인(non-synchronous) .

해 태양 과 풍력 발 이 기존의 력 시스템에 미치는 향을 알아

본다.

태양 풍력 력시스 에 미치는 향2. ･

간헐 비 동기 인 특성들로 인해 태양 풍력 발 원이 력-

계통망에 연계될 때 체 력시스템에 미치는 향은 다음과 같다.

첫째 신재생에 지 발 원의 변동성에 의해 체 력시스템에 미,

치는 향으로 균형 효과(balancing effect)4)가 있다 이는 기상 기.

후의 변화로 인해 태양 과 풍력 발 의 출력이 변동함에 따라 력

4) 쪽 IEA(2014a, 34 )

12

수요와 공 의 균형을 유지하기 해 다른 발 원의 출력 한 변동

하게 되는 것을 의미한다 그림 . [ 2-6 은 독일의 풍력 발 량 변화에 ]

따르는 나머지 통 발 원의 발 량 변동을 나타낸다 아래 그림에.

서 각각의 선은 풍력을 제외한 모든 통 발 원이 담당하는 부하

를 의미하는 순부하 곡선이다 풍력의 비 이 (load) (net load) . 0%,

일 때 해당 순부하가 주어져 있다 순부하가 2.5%, 5%, 10% 20% .

시간에 따라 변동하는 것을 볼 수 있으며 특히 풍력의 비 이 높아, ,

질수록 순부하 램 의 폭과 등락의 빈도수 즉 변동성이 커지(Lamp) ,

는 것을 볼 수 있다 즉 체 발 설비용량에서 풍력의 비 이 높아. ,

짐에 따라 통 발 원 출력의 변동성이 높아지는 경향을 볼 수

있다.

그림 변동 재생에너지 비 변 에 른 균 효과 변 [ 2-6]

자료 쪽: IEA(2014a, 34 )

주 부하 풍력 발 데이터는 년 월 일부터 일까지 독일의 자료다: 2010 11 10 16 .

독일의 실제 연간 풍력발 비 은 이며 설명을 목 으로 해당 기간의 풍7.3% ,

력발 은 되었으며 이 때문에 균형효과가 다소 과다하게 추정되었을 가scaled ,

능이 있음.

장 변동 재생에너지 계통안 2 13

둘째 신재생에 지 발 원의 변동성에 의해 야기되는 다른 향,

으로 이용효율 효과 가 있다 이는 일정 기간 동안 주(utilization effect) . (

로 년 일정의 순부하 수 이 얼마나 빈번히 일어나는가에 따라 1 )

향을 받는 모든 효과를 나타낸다5).

일정 기간 동안 일정의 부하 수 이 얼마나 빈번히 일어나는지를

나타내는 곡선으로 부하지속곡선 이 있다 의 (load duration curve) .

그림 [ 2-6 에 나타난 각 변동 재생에 지 비 별로 시간 별 순부하]

를 부하지속곡선으로 나타내면 그림 [ 2-7 과 같다 그림으로부터 알 ] .

수 있는 것은 변동 재생에 지 비 이 증가함에 따라 최 원믹

스의 구성비가 변하는 것을 볼 수 있다 즉 이용률 이 . , (capacity factor)

이상인 기 부하 비 은 감소하고 신 이용률이 80% (base load) ,

이하인 간부하 와 첨두부하 의 비 이 늘80% (mid-merit) (peak load)

어난다는 이다 규모의 변동 재생에 지가 짧은 시간에 계통에 .

추가되는 경우 이에 응하여 단기간 내에 체 인 원믹스의 조정,

이 어렵기 때문에 통 발 원 기 부하의 일부는 간부하 그,

리고 간부하의 일부는 첨두부하의 역할을 담당해야 하며 빈번한 시,

동과 지 그리고 빈번한 램핑 과 장기간의 정지가 요구될 , (ramping)

수 있음을 알 수 있다6).

한 가지 알 수 있는 은 변동 재생에 지의 비 이 증가함에

따라 순부하의 최 부하는 크게 감소하지 않는 반면 순부하의 최소부,

하는 격히 감소한다는 이다 즉 변동 재생에 지 비 이 증가. ,

하더라도 안정 으로 력 수요를 충족하기 해서는 통 발 원

의 용량이 여 히 많이 필요하다는 사실을 알 수 있다 슈퍼그리드로 .

5) 게서 쪽 참조 , 34 .

6) 게서 쪽 참조 , 36 .

14

국가 간 력계통망이 연계되어있는 유럽과 같은 지역에서는 통

발 원이 제공하는 성이 매우 크고 조속기에 의한 주 수제어 향

에 의해 한 국가의 변동 재생에 지 비 이 높아도 그 향이 크게

나타나지 않는다 하지만 력계통망이 고립되어 있는 우리나라와 같.

은 국가들의 경우는 변동 재생에 지의 보 이 확 되더라도 별도

의 조치가 없다면 일정 수 의 통 발 원이 여 히 필요함을 알

수 있다.

그림 하지 곡 과 용효 효과[ 2-7]

자료 쪽: IEA(2014a, 36 )

표주 는 이용률 을 나타낸다: CF (capacity factor) .

셋째 변동 재생에 지의 비 이 확 되면 비 동기 으로 작동하, -

는 특성에 의해 력시스템 체의 시스템 성 을 낮(system inertia)

추어 력시스템의 안정성을 하시킬 가능성이 있다 시스템 성이.

란 력시스템이 주 수 변동에 항하는 능력을 나타낸다 물리 으.

로는 력시스템에 연결된 모든 동기 발 기와 모터의 양 으로 (mass)

정의할 수 있다 하나의 발 기가 갑자기 탈락되었을 때와 같은 피해 .

상황 시 시스템 성이 높은 경우에는 주 수가 서서히 떨어지게 되

장 변동 재생에너지 계통안 2 15

고 반 로 시스템 성이 낮을 경우에는 주 수가 빨리 떨어지게 된,

다 쪽 시스템 성이 주 수 조정의 수단으로 활용되(ORNL, 2003, 6 ).

지는 않지만 피해 상황 시 주 수가 범 밖으로 떨어지는 시간에 ,

향을 주기 때문에 성이 높은 시스템이 성이 낮은 시스템보다 안

정성이 높다고 할 수 있다.

를 들어 그림 [ 2-8 에서 보듯이 시스템 성은 용량의 발 설] ,

비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때 기 수 이내 에 주 수( )

의 격한 하락에 항하여 그 속도와 정도를 낮추는 부수 인 기능

을 통해 종속고장 이나 계통붕괴 를 (cascaded outage) (system collapse)

방지 는 지연시키는 역할을 한다.

그림 원 탈락 후 우 비 재 과[ 2-8]

자료 쪽: ORNL(2003, 4 )

표주 용량의 발 설비가 갑작스럽게 계통에서 탈락되었을 때의 주 수 하락에 :

응하여 주 수 회복을 한 발 시스템 각 분야의 역할을 나타내며 시스템 ,

성은 기에 주 수의 격한 하락에 항하여 그 속도와 정도를 낮추는

효과가 있음.

16

시스템의 총 설비용량이 같다고 가정할 때 비 동기 재생에 지의 , -

비 이 높아질수록 시스템 체의 성은 낮아지고 따라서 주 수의 ,

변화에 항하는 힘이 낮아져 력시스템의 안정성에 부정 인 효과

를 래할 수 있다.

넷째는 주 수에 한 직 인 향으로 변동 재생에 지가 ,

력계통에 연결되어 출력이 폭 으로 변화하게 되면 주 수를 안정

범 내로 유지하기 해 주 수조정용 발 비력 확보 등 보조 인

수단이 필요하게 된다.

주 수 조정측면에서 부하변동을 미소변동 수 분 동안 약 ( 3 2%

이하의 변동 단주기변동 분 분 동안 과 이하의 변), (3 20 2% 15%

동 장주기변동 분이상의 변동 으로 구분할 수 있다 우리나라에서), (20 ) .

는 주 수조정과 련된 운 비력확보기 은 다음의 표와 같다.

개정 개정 후확보시간

비력확보량

만(400 kW)비력 기간

확보량만(400 kW)

주 수조정

1,000MW주 수조정

1,500MW 수

기운 상태: 500MW

기

체

동 하계 수 기간

운 상태: 1,500MW 분10

정지상태: 1,000MW 정지상태: 1,000MW 분20

체 1,500MW 일반기간운 상태: 1,000MW 분10

정지상태: 1,500MW 분120

자료 력거래소: (2014)

< 2-1 운 비 보>

장 변동 재생에너지 계통안 2 17

구성 의미 용량 산정 기

주 수 유지

비력

차 응답(1 )

주 수 변동 기에 응동하는 주 수 조정용량으로서 주 수 변동

시 이내에 발 력이 응동하여 이상 출력유지가 가능한 10 30

발 력으로 에 의해 응답되는 주 수 조정량GF(Governor Free)

계통주 수가 변동 시 응동가능용량 기 으로 산정±0.2Hz ,

주 수 복구

비력

차 응답(2 )

차 응답 후 정상 주 수 유지범 로 회복시키기 한 발 력으로1

서 이내에 발 력이 응동하여 분간 지속 가능한 발 력으30 30

로 보유 비력 출력 증발에 의한 주 수 조정량AGC

자동발 제어서비스 는 분 동안 제공 가능한 용량으로 산정(AGC) 5

자료 력거래소: (2014)

< 2-2 주 수 비 >

주 수조정 비력은 계통에 병입하여 운 하는 발 기의 주 수추

종 과 자동발 제어 의 운 에 따라 이내에 (Governor Free) (AGC) 30

자동으로 응동할 수 있는 비력으로 주로 미소수요변화 원활한 ,

주 수 유지를 목 으로 한다 재 력시장운 규칙에서 주 수조.

정 비력은 주 수유지 비력과 주 수복구 비력으로 구분된다 .

표 < 2-2 에서와 같이 주 수조정 비력은 이내 응동하여 분 > , 30 5

내의 짧은 기간 동안에 증가시킬 수 있는 출력을 의미한다 정지 상태.

의 발 기가 수 분 이내에 계통에 투입되어 원하는 출력만큼 확보하

는 것은 일반 으로 어렵기 때문에 기력 복합 수력 양수 일부 , ,

석탄화력을 제외한 발 기의 입찰공 용량의 를 발 기 기 출력 95%

상한치로 설정하여 주 수조정 비력 용량을 확보한다.

따라서 부하변동 이외에 태양 발 풍력발 이 력계통에 연

결되어 그 출력이 폭 으로 변화하게 되면 이에 따른 주 수조정용

18

발 비력이 추가 으로 확보되어야 한다.

마지막은 정격 압에 한 향으로 배 계통에 연결되는 변동 ,

재생에 지가 증가하여 역조류 가 발생하면 연계(reverse power flow) 지

의 압이 높아져 기존의 압제어방식으로는 정 압조정능력을

상실할 가능성이 있다 재 배 계통에서의 압은 변 소에서 부하.

까지 력조류가 단방향으로 흐른다는 제조건 하에 리가 되고 있다.

압변동은 분산 원의 유효 력과 무효 력 출력량에 의하여 조정

될 수 있으며 특히 유효 력을 출력함으로써 일어난 압상승분은 ,

무효 력을 흡수함으로써 진상운 상쇄될 수 있다 따라서 태양 발( ) .

설비 풍력발 설비가 력계통에 연결되어 운 하게 되면 압

변동이 발생하게 되어 수용가의 압을 법정유지범 인 를 220V±6%

유지하기가 어렵게 된다.7)

그림 년 독 변 름 추 [ 2-9] 2009-13

자료 쪽: IEA(2014a, 42 )

7) 태양 는 풍력 발 원의 배 계통 연계에 따른 압 변동과 련된 기술

논의는 뒤의 부록 을 참조 바람1 .

장 변동 재생에너지 계통안 2 19

계통안 3.

의 에서 태양 이나 풍력과 같은 변동 재생에 지가 국가

체의 력시스템에 미치는 향에 해 알아보았다 국가 체 력시.

스템의 안정성은 주로 력계통의 신뢰성 으로 표 되며 여(reliability) ,

기에는 력 소비자에게 안정 으로 력을 공 하는 개념인 정성“

과 기치 못한 피해 상황 시 계통이 붕괴되지 않고 견디(adequacy)”

어낼 수 있는 능력인 운 상의 안 성 등 크게 두 가지 개“ (security)”

념이 포함된다.

우리나라에서 력계통의 신뢰성에 한 법률상 정의는 아래와 같

이 지식경제부 의 지식경제부고시(2012) 에 주어져 있다.

신뢰도 라 함은 력계통을 구성하는 제반 설비 운 체계 “ ”

등이 주어진 조건에서 의도된 기능을 정하게 수행할 수 있

는 정도로 정상상태 는 상정고장 발생 시 소비자가 필요로,

하는 력수요를 공 해 수 있는 정성 과 기치 못한 “ ”

비정상 고장 시 계통이 붕괴되지 않고 견디어 낼 수 있는 안“

성 을 말한다 지식경제부고시 제 호” ( 2012-296 ).

미국도 우리나라와 유사한 정의를 사용하는데 미국에서 력 시스,

템의 신뢰도를 장하는 NERC(North American Electric Reliability

는 신뢰도를 다음과 같이 정의한다Corporation) .

의 신뢰성 정의는 략 정성 과 운 신NERC “ ” ( ) (adequacy)

뢰도(operating reliability)8)의 근본 인 개념을 포함한다.

20

정성은 시스템 요소들의 정된 그리고 합리 으로 측 가,

능한 정되지 않은 정 을 고려하여 항시 력 수요(outage)

자의 에 지 필요량과 종합 력을 공 할 수 있(aggregate)

는 력시스템의 능력을 의미한다 운 신뢰도는 기의 단.

락 이나 측하지 못한 시스템 요소의 상실과 (short circuits)

같은 갑작스런 장애 에 항하는 력 시스템의 (disturbances)

능력을 말한다(NERC, 2007).

에서 언 한 력계통의 신뢰도는 국가 체 력시스템을 상

으로 하는 거시 에서의 계통안정성이라 할 수 있다 반면 본 “ ” .

연구에서는 거시 보다는 개별 인 태양 는 풍력 발 시“ ”

스템이 계통안정성에 미치는 향에 을 두고 있다 따라서 개별.

인 태양 는 풍력 발 시스템이 각각 계통안정성에 한 향을

최소화하는 방향으로 계통안정성을 고려한다는 의미이다 는 마이.

크로그리드에 연계되거나 독립형 분산 원으로서의 태양 과 풍력 발

시스템으로서 품질이 높은 력을 소비자에게 제공하는 정성, “ ”

에 보다 가까운 의미라고 할 수 있다.

태양 이나 풍력 같은 분산형 원의 배 계통 연계와 련하여 우

리나라에서 주로 고려하는 요소는 분산형 원의 변동성에 의한 출력

변화에 따른 주 수 압에 한 향이다 한국 력공사 의. (2012)

분산형 원 배 계통 연계 기술기 에서는 분산형 원의 계통 연

계 시 아래 표 < 2-3 과 같이 주 수 압과 같은 모든 동기화 변>

8) 는 안 성 라는 용어를 사용해 왔으나 년 사태 이후 안 NERC (security) , 2001 9.11

성의 의미가 조국의 안보 는 한 기간시설의 보호 의 의미로 통용됨“ ” “ ” 에

따라 운 신뢰도라는 용어로 체하여 사용하고 있음(NERC, 2007).

장 변동 재생에너지 계통안 2 21

수들이 제시된 범 에 있도록 규정하고 있다9).

김호용 외 도 이미 수용가의 력 품질을 고려하여 기존 배(1996)

계통의 분산 원 수용한계량을 결정할 때 역조류가 래할 수 있는 ,

여러 가지 문제 들 압변동을 결정 요소로 고려할 것을 제안한

바 있다10) 따라서 본 연구에서는 계통안정성의 주요 요소로 주 수 .

조정 능력과 정격 압 유지 능력을 고려하기로 한다.

분산형 원 정격용량 합계(kW)

주 수 차( f, Hz)

압 차( V, %)

상각 차( , ° )Φ

0 ~ 500 0.3 10 20

과 500 ~ 1,500 0.2 5 15

과 미만1,500 ~ 20,000 0.1 3 10

자료 한국 력공사 쪽: (2012, 19 )

< 2-3 계통 연계를 한 동 변수 한>

변동 재생에 지 수용가능 도4.

본 에서는 재 주요국의 체 발 량 변동 재생에 지의

비 검토를 통해 통상 으로 력계통에서 어느 정도의 변동 재생

에 지를 수용하고 있는지 알아본다 한 일부 문헌 연구를 통해 특.

정 력계통에서 어느 정도의 변동 재생에 지를 수용할 수 있을

것으로 분석하고 있는지도 검토해 본다.

9) 분산형 원의 계통 연계 는 가압된 구내계통의 가압된 한 계통에 한 연계 “

에 하여 병렬연계 장치의 투입 순간에 략 모든 동기화 변수들이 제시된 제( )

한범 이내에 있어야 하며 만일 어느 하나의 변수라도 제시된 범 를 벗어날 ,

경우에는 병렬연계 장치가 투입되지 않아야 함 한국 력공사 쪽( , 2012, 18 ).

10) 역조류가 래할 수 있는 여러 가지 문제 과 각 문제 에 한 해결 방향에

한 자세한 설명은 김호용 외 를 참조 바람(1996) .

22

신 재생에 지센터 의 통계에 따르면 년 우리나라의 신(2013) , 2012

재생에 지 발 량은 로 체발 량 의 를 19.5 TWh , 532.2 TWh 3.7%

기록하 다 이 에 변동 재생에 지의 발 량은 총 로. 2.5 TWh 11),

체 발 량의 총 신재생에 지 발 량의 에 불과하며0.5%, 12.7% ,

아직까지는 체 계통안정성의 측면에서 크게 문제가 발생한 경험은

없는 것으로 보인다.

하지만 향후 신재생에 지 발 비 은 증가할 것이며 그 변동,

재생에 지의 비 도 증가할 것으로 보인다 산업통상자원부. (2014)

가 발표한 제 차 신재생에 지 기본계획 공청회 발표자료에 따르4

면 년까지 발 부문에서 신재생에 지 발 량 비 의 목표는 , 2035

로 설정되었다 이 변동 재생에 지의 비 은 체 발 량13.4% .

의 총 신재생에 지 발 량 비로는 로 폭 증가할 계7.5%, 55.7%

획이다 체 신재생에 지원 태양 과 풍력의 비 이 폭 으로 .

증가하기 때문이다 정부의 계획에 의하면 체 신재생에 지 발 량.

에서 태양 이 차지하는 비 이 년 에서 년에 로 2012 5.7% 2035 23.4%

증가할 망이며 풍력은 년 에서 년에 로 증가할 , 2012 4.7% 2035 30.2%

망이다 반면 해양에 지는 년 에서 년에 로 다, 2012 2.4% 2035 2.1%

소 감소할 망이다.

우리나라와 경제 여건이 비교 비슷한 국가들의 경우OECD ,

년에 체 발 량 에서 신재생에 지가 차지하는 2013 10,797.9 TWh

비 은 다20.7% 12) 그 수력 발 량이 로 (IEA, 2014b). 12.8%

반 이상을 유하고 있다.

11) 년 기 변동 재생에 지의 발 량은 태양 이 풍력이 2012 1.1 TWh, 0.9

조력이 이었음TWh, 0.5 TWh .

12) 자료에서 인용한 그림 에는 재생에 지 발 량 비 이 IEA(2014b) [ 2-10] 21.1%

로 나타났으며 여기에는 산업폐기물 양수발 비재생 를 포함하고 있, , MSW

음 이를 제외한 재생에 지의 비 은 이보다 은 임. 20.7% .

장 변동 재생에너지 계통안 2 23

그림 년 가 량 재생에너지 비[ 2-10] 2013 OECD

자료 쪽 : IEA(2014b, II.9 )

체 신재생에 지 발 량 원별 비 을 보면 수력이 로 , 61.9%

가장 높으며 풍력이 고체 바이오매스 순서로 높게 나타, 19.5%, 7.4%

났다 이 변동 재생에 지인 태양 태양열 풍력 해양에 지. , ,

의 총 비 은 이다 체 발 량에서 변동 재생에 지 발 량24.4% .

의 비 은 로 나타났다 우리나라의 년 변동 재생에 지 5.1% . 2035

발 량 비 목표인 는 재 국가들의 변동 재생에 지 7.5% OECD

발 량 비 보다는 높은 것을 알 수 있다.

24

그림 년 가 신재생에너지원별 량 비 [ 2-11] 2013 OECD

자료 : IEA(2014b)

국가들의 통합된 자료는 각 국가별 력시스템의 특성이 반OECD

되지 않기 때문에 우리나라의 변동 재생에 지 비 과 비교하기

해서는 각국별 자료에 한 검토가 필요하다 그림 . [ 2-12 는 ] OECD

국가별 체 발 량 재생에 지 발 량 비 을 나타낸다 우리나라.

의 신재생에 지 발 량 비 목표 보다 상회하는 국가는 총 13.4%

개 국가 개이다 아이슬랜드는 신재생에 지로 력을 33 24 . 100%

공 하고 있으며 주로 수력과 지열을 활용하고 있다 노르웨이 한 , .

수력과 풍력 주로 의 력을 신재생에 지로 공 하고 있다97.9% .

이 외에도 이상을 신재생에 지 발 량으로 충당하는 국가가 50% 6

개국이 있으며 에서 이하를 공 하는 국가도 개국이 있다, 30% 50% 6 .

변동 재생에 지의 경우는 총 개 국가들 우리나라 년 34 2035

목표인 를 상회하는 국가는 개이다 덴마크는 체 발 량에서 7.5% 8 .

장 변동 재생에너지 계통안 2 25

변동 재생에 지가 차지하는 비 이 로 국가들 가33.6% OECD

장 높다 변동 재생에 지는 풍력과 태양 뿐이며 풍력 발 량이 . ,

로 가장 많고 태양 발 량이 이다 포르투갈은 11.1 TWh 0.5 TWh .

를 변동 재생에 지로 공 하고 있다 포르투갈 역시 부분24.8% .

의 변동 재생에 지는 풍력이다 변동 재생에 지로 의 . 24.5%

력을 공 하는 스페인도 풍력이 부분을 차지하며 태양열발 이 다,

른 나라에 비해 상 으로 높다 독일은 를 변동 재생에 지. 13.3%

로 공 하며 풍력의 역할이 높지만 태양 발 량이 국가들 , OECD

가장 높고 그 역할도 풍력에 거의 근 하고 있다, .

그림 년 가별 재생에너지 량 비 [ 2-12] 2013 OECD

자료 : IEA(2014b)

26

국가 재생에

지VRE 국가

재생에지

VRE

Iceland 100.0 0.0 Slovak Republic 22.0 2.1

Norway 97.9 1.4 Ireland 21.5 17.7

Austria 78.0 6.0 Luxembourg 18.7 7.3

NewZealand 74.1 4.7 France 17.2 3.7

Canada 63.2 1.8 United Kimdon 14.9 8.3

Switzerland 58.9 0.6 Mexico 13.7 1.9

Portugal 58.3 24.8 Belgium 13.5 7.4

Sweden 53.2 6.5 Australia 13.1 4.5

Denmark 45.7 33.6 United States 12.5 4.3

Spain 39.5 24.5 Japan 12.2 1.4

Italy 36.9 13.1 Netherlands 12.2 6.1

Finland 35.2 1.1 Czech Republic 10.9 3.0

Chile 34.0 0.7 Poland 10.4 3.7

Slovenia 32.2 1.4 Estonia 9.1 4.0

Turkey 28.6 3.1 Hungary 9.0 2.4

Germany 24.1 13.3 Israel 1.4 1.1

Greece 23.3 11.9

자료: IEA(2014b)표주 는 변동 재생에 지를 의미한다: VRE .

< 2-4 년 가별 재생에너지 량 비> 2013 OECD

에서 각 국가별로 체 발 량에서 변동 재생에 지가 OECD

차지하는 비 을 알아보았다 이 비 들은 경험 으로 재 각각의 .

력시스템에서 어느 정도의 변동 재생에 지를 수용하고 있는지에 ‘ ’

한 정보를 나타내는 반면 어느 정도까지 수용할 수 있는지에 한 ‘ ’

정보는 제공하지 못한다 의 최근 보고서에서는 개 국가. IEA(2014a) 15

로 구성된 개 지역7 13)에 한 사례연구를 통해 각 지역의 력시스템

이 어느 정도의 비 까지 변동 재생에 지를 수용할 수 있는지에

13) 이베리아 지역 이탈리아 미국의 북서유럽 인도 일본과 라질 등 , , ERCOT, , , 7

개 지역의 총 개 국가를 분석에 고려하 으나 인도는 자료의 한계에 따라 15 ,

분석에서 제외하고 총 개 지역을 최종 상으로 하 음6 (IEA, 2014a).

장 변동 재생에너지 계통안 2 27

해 분석하 다 변동 재생에 지원은 풍력과 태양 을 상으로 .

하 다 시간에서 시간까지 시간 범 에서 변동 재생에 지의 . 1 24

출력 변화에 의해 야기되는 력의 수요와 공 간 균형의 격한 등

락에 각 개 지역 력시스템이 응할 수 있는 기술 능력을 분석6

에 활용하 다 여기서 능력은 각 력시스템이 이미 보유하고 있는 .

유연성 자원 이 시간 별로 공 할 수 있는 순부(flexibility resources)

하를 의미하며 유연성 자원은 유연 발 원 변동 재생에 지를 제, (

외한 모든 발 원 다른 지역과의 계통연계 수요 리), , (demand-side

와 에 지 장장치를 포함한다 각 변동 재생에 지의 비response) .

별로 출력변동에 따른 시간 별 유연성 자원의 수요와 공 을 산정

하여 총 시간 에 유연성 자원의 공 이 부족한 시간의 비율을 계산

하 으며 이 시간의 비율이 양 의 수가 되는 변동 재생에 지의 , ‘ ’

비 은 그 시스템에서 수용이 가능하지 않은 것으로 해석하 다 여기.

서 유연 발 원의 최소 가동률은 를 기 으로 하 으며 민감도 20% ,

분석 차원에서 최소 가동률이 일 경우와 비 인 경우 유연성 50% (

발 원만 유연성을 공 하는 경우와 이러한 발 원이 유연성 공 과

는 별개로 운 되는 경우 도 분석하 다) .

그림 [ 2-13 은 개 지역의 사례 연구 동일본 지역의 결과를 나타] 6

내며 가로축은 변동 재생에 지의 비 세로축은 유연성 자원의 , ,

공 이 부족한 시간의 비율을 나타낸다 유연성 발 원의 최소 가동률.

을 로 설정할 때 변동 재생에 지의 비 약 까지는 유연20% , 25%

성 자원의 공 이 부족한 시간의 비 이 이며 그 이후에는 양 의 ‘0’ , ‘ ’

수가 된다 즉 동일본 지역의 력시스템이 기술 으로 수용할 수 있.

는 변동 재생에 지의 비 은 약 정도라 할 수 있다 유연성 25% .

28

발 원의 최소 가동률을 로 하면 발 시스템이 수용할 수 있는 50%

변동 재생에 지의 비 은 약 정도로 낮아진다20% .

그림 동 본 시스 시스 연 결과[ 2-13]

자료 쪽: IEA(2014a, 63 )

이런 방법으로 산정을 한 결과 유연성 발 원의 최소 가동률을 ,

로 가정했을 때 개 지역 력시스템 모두 최소한 변동 재생에20% 6

지의 비 를 수용할 수 있는 것으로 나타났다 이베리아의 경25% .

우는 약 정도를 수용할 수 있는 것으로 분석되었으며35% , ERCOT,

이탈리아 동일본은 약 의 비 을 수용할 수 있는 것으로 나타났, 25%

다 라질과 북서유럽은 각각 정도로 높게 나타났다. 40% .

유연성 발 원의 최소 가동률을 로 가정하여 분석한 결과는 50% 6

개 지역의 변동 재생에 지를 수용 가능한 비 이 수20%~30%

으로 낮아졌다 비 인 경우에는 변동 재생에 지의 비 .

까지 수용할 수 있는 것으로 나타났다5%~10% .

장 변동 재생에너지 계통안 2 29

하지만 의 분석은 력시스템의 안정성은 고려하고 있, IEA(2014a)

지 않은 한계가 있다 한 송 배 등 력계통망의 능력 한 .

고려되지 않았다 의 연구에서는 력시스템의 정 신뢰. LBNL(2010)

도를 유지하는 측면에서 변동 재생에 지의 수용 가능한 비 을 분

석하 다 즉 특정 비 의 변동 재생에 지가 력시스템에 연계되. ,

었을 때 규모의 통 발 원 일부가 력계통에서 갑작스럽게 탈,

락 되는 사고 발생 시 력시스템이 순환정(sudden loss of generation)

는 계통 붕괴에 응하여 견딜 수 있는지를 모의실험(simulation)

방법으로 분석하 다 즉 계통안정성은 통 발 원의 갑작스런 탈.

락에도 불구하고 단 없는 력의 공 을 보장하는 능력을 의미한다.

는 력시스템 내에서 주 수응동LBNL(2010) (interconnection)

의 정성을 측정하는 수단으로 세 가지 매트릭(frequency response)

스를 구성하여 활용하 는데 첫 번째 매트릭스는 차 주 수제어, 1

비력 의 정성에 한 직 척(primary frequency control reserves)

도인 주 수 나락 이다 이것은 차 주 수제어가 ‘ (frequency nadir)’ . 1

주 수 공 차단 이 시작되기 에 (under-frequency load shedding)

주 수를 회복시킬 수 있는지를 결정한다 두 번째 매트릭스는 나락. -

기반 주 수응동 이다 주 수응동은 (nadir-based frequency response) .

발 량 탈락 이후 인터커넥션이 주 수 안정화를 얼마나 잘 수행했는

지를 나타낸다 나락 기반 주 수응동은 주 수 나락 바로 직후의 신. -

뢰성에 을 두는 주 수응동을 의미한다 세 번째 매트릭스는 차 . 1

주 수응동으로 갑작스런 발 량의 탈락에 의해 야기되는 주 수의 ,

탈선 에 항하는 차 주 수응동 비력의 수행 척도를 나(deviation) 1

타낸다.

30

에서 갑작스런 통 발 원의 탈락 규모는 가장 규LBNL(2010)

모가 큰 단일 발 기의 발 량이 아닌 과거에 경험했던 가장 큰 규,

모의 발 량 손실을 활용하 다 변동 재생에 지는 풍력을 상으.

로 하 으며 력시스템은 미국의 개 인터커넥션, 3 (Interconnection),

즉 서부 인터커넥션 텍사스 인터커넥션 동부 인터커넥션을 상, ,

으로 하 다 특정 풍력발 량의 비 은 각 인터커넥션에 년까. 2012

지 도입이 계획된 풍력발 의 설비용량을 기 으로 하 다 서부 인.

터커넥션에는 년까지 의 풍력 설비가 계획되어 있고 텍사2012 9GW ,

스 인터커넥션에는 총 서부 인터커넥션에는 를 14.4GW, 10.5GW

상으로 분석했다.

세 가지 매트릭스를 기반으로 모의실험 한 결과 서부 인터커넥션에,

서는 총 발 량 비 풍력 비 에서 력시스템의 신뢰도에 문제3%

가 없이 운 될 수 있는 것으로 나타났으며 텍사스 인터커넥션에서는 ,

풍력 비 에서 력시스템이 신뢰도 있게 운 될 수 있는 것으13%

로 나타났다14) 에서는 년에 계획된 풍력의 설비용. LBNL(2010) 2012

량을 력시스템에서 안정 으로 수용할 수 있는지에 해 분석했으

며 각각의 인터커넥션에서 수용할 수 있는 풍력 발 의 최 비 을 ,

분석한 것이 아니다 따라서 각각의 인터커넥션이 안정 으로 수용할 .

수 있는 풍력 발 량의 비 은 에서 제시된 비 보다 높을 수 있다.

서부 인터커넥션에는 년까지 의 풍력 설비가 계획되어 있2012 9GW

고 발 량 기 으로는 총 발 량의 약 에 해당한다 텍사스 인터, 3% .

커넥션에는 총 발 량 비로는 약 가 계획되어 있다14.4GW, 13% .

14) 서부 인터커넥션의 경우는 이 개발한 모델로 통 발 원 탈락 LBNL(2010)

시 나타났던 주 수의 움직임을 재 할 수 없어 유의한 결과를 도출하지 못했

음 쪽(LBNL, 2010, 77 ).

장 변동 재생에너지 계통안 2 31

서부 인터커넥션에는 를 분석했으며 발 량 비로는 최 10.5GW ,

에 해당한다1% .

는 운 측면에서 변동 재생에 지의 특정 비GE Energy(2010)

이 력시스템에 연계되었을 때 기술 물리 장애요인을 분석

하여 어떤 조건에서 수용이 가능한지를 분석한 연구이다 상 력시.

스템은 미국의 애리조나 콜로라도 네바다 뉴멕시코 와이오 에, , ,

서 그룹이 운 하는 유틸리티의 력시스템이다 상이 WestConnect .

되는 변동 재생에 지원은 풍력 태양 이며 총 발 량 , CSP ,

비 변동 재생에 지 비 까지 운 상의 향을 연구하 다35% .

에서 활용한 분석 방법론은 총 가지이며 첫째는 통GE Energy(2010) 4 ,

계 분석 둘째는 의 , GE MAPS(Multi-Area Production Simulation)

로그램을 이용한 시간별 발 량 모의실험 분석 셋째는 분단,

의 모의실험 분석 마지막으로 자원 정성 분석이(minute-to-minute) ,

다 첫째 통계 분석은 시스템 부하와 다양한 시계의 풍력 태양. ,

에 지 발 으로 야기되는 변동성 을 정량화하기 해 시행(variability)

되었다 둘째 시간별 발 량 모의실험 분석은 다양한 풍력 태양에. , ,

지 부하 로 일 하에서 시간별 계통 운 을 평가하기 해 사용

되었다 셋째 분단 모의실험은 계통의 성능 추세를 정량화하고 어. , ,

려운 상황 순부하의 큰 변동 변동 재생에 지의 높은 비 풍력의 ( , ,

높은 측 오류 등 하에서 잠재 인 경감 수단을 조사하기 한 방법)

론이다 마지막으로 자원 정성 분석은 변동 재생에 지가 체.

인 신뢰도에 미치는 향뿐만 아니라 변동 재생에 지 자원의 설비

용량 가치를 정량화한다 추가 으로 시스템 수 의 운 비력의 .

향도 분석하 는데 이를 통해 변동성과 불확실성의 효과를 정량화하,

32

고 그 정보를 신뢰도와 안 성의 유지 측면에서 시스템에 증가시켜야,

할 운 비력 수요와 연계시킨다.

의 분석 결과에 따르면 에서 변동 GE Energy(2010) , WestConnect

재생에 지의 비 는 운 상 부정 향 없이 큰 편익이 발생10%

하는 것으로 나타났다 의 력을 제로 변동 재생. Balancing Area

에 지 비 까지는 부정 향이 없는 것으로 측되었다 재생20% .

에 지 비 이 인 경우는 변동 재생에 지의 발 량 측이 완30%

벽할 때만 부하와 기 비력 이 균형을 이루며(contingency reserve) ,

측이 완벽하지 않을 때는 순동 비력 이 추가 으(spinning reserve)

로 필요하게 된다.

에서 살펴본 내용을 요약하면 보 의 측면에서 국가들 , OECD

에 변동 재생에 지의 발 량 비 이 우리나라 년 목표인 2035

를 상회하는 국가들이 이미 개국이며 여기에 근 해 있는 국가7.5% 8 ,

들도 여럿이 있다 력시스템의 유연성 자원 측면에서 분석한 .

의 연구 결과는 개 상 지역에서 최소한 의 변동 IEA(2014a) 6 25%

재생에 지 비 을 수용할 수 있음을 보여주고 있으며 아주 비 인 ,

시나리오에서도 는 수용할 수 있는 것으로 나타났다 력시스5~10% .

템의 신뢰도에 을 둔 의 연구는 상 지역이 미국의 LBNL(2010)

력시스템으로 국한되기는 했지만 개의 인터커넥션이 각각 나 , 2 3%

의 변동 재생에 지를 연계하더라도 신뢰도 있게 운 을 할 수 13%

있는 것으로 나타났다 력시스템 운 의 측면에 을 둔 . GE

도 미국의 에 국한되기는 했지만 변동 재Energy(2010) WestConnet ,

생에 지 비 까지는 운 에 큰 문제가 없다고 결론을 내렸다10% .

이러한 의 보 경험과 각 연구들의 결과로 미루어 짐작하면OECD ,

장 변동 재생에너지 계통안 2 33

재의 력시스템과 기술 수 에서도 우리나라가 년에 변동 2035

재생에 지 비 목표를 달성하더라도 계통의 안정성에는 큰 문7.5%

제가 없을 것으로 보인다.

하지만 각 국가의 력시스템은 상당히 복잡하며 체 시스템의 규

모나 구성과 특성에 따라 변동 재생에 지를 수용할 수 있는 정도

는 상당히 차이가 날 수 있다 특히 국가 간 력계통이 상호 연계되. ,

어 있는 유럽의 경우 각 국가의 비율보다는 연계된 체 계통 내에서 ,

변동 재생에 지의 비율이 계통안정성 측면에서 의미가 있다 따라.

서 의 정보들을 우리나라에 직 용하여 해석하는 것은 다소 잘

못된 결론으로 이끌 수 있다 특히 우리나라는 국가 간 계통이 연계. ,

되어 있지 않아 력의 융통이 불가능하다는 제약이 있다.

우리나라를 상으로 변동 재생에 지의 수용 가능 정도를 분석

한 연구는 환 이 있다 환 은 제 차 력수 기본(2014) . (2014) 6

계획에 의해 년까지 확 되는 풍력설비의 용량에 맞추어 출력을 2027

계산하여 출력변동성을 분석하고 그러한 출력변동성을 재의 비,

력 수 으로 감당할 수 있는지 분석하 다.

제 차 력수 기본계획에 의하면 년까지 풍력설비는 까6 2027 17GW

지 확 될 망이다 지식경제부 즉 년 월 기 국내에 ( , 2013). , 2013 12

설치된 의 풍력설비 한국풍력산업 회 의 약 배에 달532MW ( , 2013) 32

하는 풍력설비가 계통에 연계된다 환 은 년까지 건설. (2014) 2027

될 풍력설비 총 용량을 총 지 에 분배하여 년까지 각 지역별 55 2027

풍력 설비용량을 결정하 다.

각 지 별로 풍력발 기의 출력 특성과 풍속데이터를 고려하여 풍

속에 따른 분간 분간 분간 시간 그리고 시간 풍력발 의 출5 , 10 , 30 , 1 2

34

력변동성을 계산하 다 풍속데이터는 각각의 지 에 하여 년 . 2010

월부터 년 월까지 실제로 측정된 값을 사용하 다10 2012 12 .

표 < 2-5 는 각 시간 간격별로 풍력발 의 최 출력변동성을 보여>

주며, 그림 [ 2-14 는 년 월부터 년 월까지의 모든 풍력] 2010 10 2012 12

설비의 시간 출력 변동량 그래 와 시간당 변동 횟수를 나타낸다2 . 각

지 의 모든 풍력발 기는 개의 지역에 배분되어 각기 다른 풍속에 5

향을 받기 때문에 체 으로는 출력 변동을 상호상쇄(smoothing)

하는 효과가 발생한다 분간 출력 변동의 경우 최 출력변동 감소. 5 , ( )

은 월 일 사이에 나타났다 시 분의 풍력발 량 11 26 17:10~17:15 . 17 10

에서 시 분의 풍력발 량 로 총 가 10,056MW 17 15 7,298MW 2,758MW

감소하 다 체 풍력설비인 비로는 약 가 감소했으며. 17GW 16% ,

분간 가동 이 던 설비용량 비 출력 감소율은 이었다5 52.8% .

환 의 모의실험 결과를 보면 앞의 표 (2014) , < 2-1 에 주어진 >

재의 운 비력 확보 기 과 비교할 때 년까지 풍력 발 설비 2027

가 연계되면 계통안정성에 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있17GW

다 시간 시간 최 출력 감소량이 각각 . 1 2 4,352MW

로 우리나라 운 비력 확보 기 인 보다 높기 6,862MW , 4,000MW

때문에 주 수를 규정 범 내에 유지하기가 어려울 것으로 보인다.

특히 시간 출력변동의 경우 이상 출력이 감소하는 횟수, 2 , 4,000MW

가 회 발생하65 고 있어 계통안정성 측면에서 문제의 소지가 있는 것

으로 나타난다.

장 변동 재생에너지 계통안 2 35

시간출력 증가 출력 감소

증가량 비율 감소량 비율

분간5 2,655 15.5% -2,758 -16.1%

분간10 3,009 17.5% -3,206 -18.7%

분간30 4,908 28.6% -3,804 -22.2%

시간1 4,538 26.5% -4,352 -25.4%

시간2 8,689 50.6% -6,862 -40.0%

자료 환 의 자료를 이용하여 자 재작성: (2014)

< 2-5 최 출 변동량> (MW)

그림 시 간격 시간 출 변동량 그래프[ 2-14] 0~2 2

자료 환 쪽: (2014, 179 )

36

분간 분간 분간 최 출력 감소량은 각각 5 , 10 30 2,758MW,

로 비력 확보기 인 보다는 작다3,206MW, 3,804MW 4,000MW .

하지만 분간 최 출력 감소량인 가 분 내에 응동이 , 10 3,206MW 10

가능한 비력 확보량 기 인 보다 크기 때문에 역시 계통3,000MW

안정성에 문제를 야기할 수 있다.

환 의 연구 결과에 따르면 년까지 력시스템에 (2014) , 2027

한 보강이나 특별한 조치가 없다면 풍력설비 를 설치할 경우 17GW

격한 출력 변동으로 인해 문제가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있

다 환 의 분석에 포함되지 않은 태양 발 설비까지 추가. (2014)

된다면 변동 재생에 지의 출력 변동에 따른 계통안정성의 문제는

보다 복잡해 질 수 있다 따라서 다양한 측면에서 연구를 착수하여 보.

다 종합 으로 변동 재생에 지의 수용 가능 정도를 악하고 다각,

으로 기술 운 상의 제약을 식별하여 이를 보완해 나가는 것

이 필요함을 알 수 있다.

장 계통안 안 술 효과 3 37

장 계통안 대안 술 및 효과3

제 장에서 설명한 바와 같이 체 원믹스에서 변동 재생에 지2

의 비 이 높아지면 간헐성과 불확실성에 의해 계통안정성에 향을

주게 되며 특히 변동 재생에 지 발 의 출력 변동에 의해 주 수,

와 압이 불안정해 질 수 있다 특히 환 의 연구 결과에 따. (2014)

르면 년까지 도입이 계획된 풍력 발 설비용량 가 계통에 2027 17GW

병입되면 재의 비력 확보 기 을 넘어서는 출력 감소가 가능하기

때문에 계통안정성에 문제가 될 수 있다.

하지만 변동 재생에 지의 출력 변화에 응하는 기술의 도입을 ,

통해 불안 성을 일부 보완할 수 있다 변동 재생에 지의 출력 변.

화에 응하기 한 수단으로는 천연가스 발 이나 수력과 같은 유연

한 발 설비를 통한 백업 에 지 장장치(flexible) , (Energy Storage

그리고 부하 리 등이 있다System; ESS), .

이 태양 풍력 발 설비의 출력변동에 따른 주 수와 압

의 변동을 효율 으로 제어할 수 있는 수단으로는 그 변동출력을 일

정 범 내로 유지할 수 있는 충방 장치 즉 , ESS15) 기술의 활용이 가

능하다 는 유휴 력을 장하 다가 력 부족 시 수 이 원활히 . ESS

이루어지도록 력을 공 하는 시스템으로 력피크 시 수 을 조,

하고 정 시 비상 원으로 활용이 가능하다 한 변동 재생에, .

지 발 의 단기 출력변동에 응하여 가 보상운 즉 발 설비의 ESS ,

15) 는 충 용 배터리와 출력 제어용 력변환장치ESS (PCS, Power Conversion

로 구성된다 력변환장치는 발 소 는 신재생에 지에서 생산된 직System) .

류 력을 송 가능한 교류 형태로 변환하는 설비임(DC) (AC) .

38

출력이 감소 증가 하면 가 방 충 을 하도록 설정함으로써 출( ) ESS ( )

력 변동을 감소시켜 주 수와 압의 변동을 완화하는 것이 가능하다.

본 장에서는 의 작동 원리에 해 간략하게 기술하고 기ESS , ESS

술별 특성과 재 비용의 황에 해 기술하 다 한 태양 . ,

풍력 발 설비에 기술을 용할 경우 계통안정성 특히 주 수와 ESS ,

압 변동을 어느 정도 제어할 수 있는지 분석하 다.

동 원리1. ESS

제 장의 그림 2 [ 1-1 에서 보듯이 태양 발 의 출력은 시간 별 ] ,

는 밤과 낮 동안 상 으로 완만한 추세를 가지고 서서히 변동하고 있

으며 그 추세를 따라 단기 으로 는 분 단 로 미세하고 빠르게 , ( )

등락을 반복하는 것을 볼 수 있다 는 어떻게 운 을 지시하느냐에 . ESS

따라 태양 을 포함한 변동 재생에 지의 시간 별 출력 변동을 평

화하기도 하고 단기 이고 미세한 출력 변동을 평 화할 수도 있다.

단기 미세 출력 변동에 한 의 작동 원리는 다음과 같다 태ESS .

양 이나 풍력 발 설비와 같은 변동 재생에 지의 평균 출력을 일

정 시간 단 로 측하여 이를 기반으로 변동 재생에 지 발 설비

와 를 포함한 체 시스템의 출력 기 값을 결정한다 이 때 일정 ESS .

시간단 는 제 장에 주어진 표 2 < 2-2 의 운 비력 확보 기 과 표 > <

2-2 의 주 수 조정 비력의 구성 등 국가의 력계통망 운 기 을 >

근거로 하여 결정할 수 있다 는 변동 재생에 지 원의 출력이 . ESS

지령값 이하일 때에는 방 을 지령값 이상일 때에는 충 을 함으로써 ,

변동 재생에 지 원의 출력변동이 어느 정도의 범 내로 유지되도

록 한다 이 때 장장치의 출력 지령값은 체 시스템 기 값과 변동.

장 계통안 안 술 효과 3 39

재생에 지 원 출력의 차로 나타낼 수 있으며 이러한 제어를 ,

한 제어 블록은 그림 [ 3-1 과 같다] .

그림 신재생에너지 원 운 한 어 블[ 3-1]

자료 김재철 외: (2012)

그림 [ 3-2 는 변동 재생에 지 원의 시간 단 출력 측 기반 ] 1

하에서 를 운 한 로 지속 으로 충 과 방 을 반복한다 이ESS , .

에 따라 풍력 발 의 출력 란 선 이 의 보상 운 연두색 선( ) ESS ( )

을 통해 붉은 선에 나타난 바와 같이 최종 으로 변동성이 감소하

는 것을 볼 수 있다.

그림 시간 단 출 측 하에 운 [ 3-2] 1

자료 김재철 외 : (2012)

40

배 계통의 말단에 연계된 규모 변동 재생에 지 원은 경부하

시 과 압 문제를 발생시킬 가능성이 크다 가 변동 재생에 지. ESS

원의 출력변동으로 인한 력계통의 압변동을 제어하는 원리는

출력인버터를 통해 무효 력을 직 제어함으로써 선로의 압변동을

제어하는 것이다 그림 . [ 3-3 은 력 장장치를 이용하여 무효 력을 ]

직 제어함으로써 압변동을 이는 용 를 나타내고 있다.

이 듯 는 변동 재생에 지의 출력 변동을 완화하여 력 품, ESS

질의 향상 력계통의 안정화에 기여할 수 있다 한 가 최근 . ESS

기소비의 패턴 변화와 비설비 부족에 따른 블랙아웃 등 안정 인

력공 을 방해하는 요인을 최소화하는 데 기여할 것으로 평가하고

있다.

그림 신재생에너지 원 연계계통 압 용 [ 3-3]

자료 김재철 외: (2012)

장 계통안 안 술 효과 3 41

술별 특 비용2. ESS

가 의 기술별 특성. ESS 16)

기술은 기를 장하는 형태에 따라 일반 으로 비화학 ESS

장기술과 화학 장기술로 분류한다 비화학 장기술에는 양수.

발 시스템 라이휠 압축공기 장시스(Pumped Hydro), (Flywheels),

템 수퍼 커패시터(Compressed Air Energy Storage; CAES),

(Supercapacitor)17) 등의 기술이 있고 화학 장기술에는 리튬이온,

지 독스 흐름 지(Lithium-Ion Battery; Li-Ion), (Redox Flow

나트륨 황 지 납축 지Battery), - (Sodium-Sulfur Battery, NaS),

등이 표 이다(Lead-Acid Battery) .

그림 [ 3-4 는 각 력용량 장시간별 정 기술을 나타낸] ESS

다 통 인 력계통에서는 양수발 시스템이 력 장장치의 역할.

을 해왔으나 지형 인 제약 환경 민원 등의 문제로 양수발 의 추가, , ,

건설에는 어려움이 있다 그러나 력 장에 한 필요성은 계속 으.

로 증 되어 장기술들이 개발되고 있다.

16) 본 소 은 지능형 력망 회 의 보고서 김상범 지식경제부(2012) , (2011)

자료를 참조하여 작성하 음(2011) .

17) 고용량 커패시터를 의미함 .

42

그림 에너지 장 술별 특징과 용도 [ 3-4]

자료 김상범: (2011)

리튬이온 지는 리튬 화합물을 양극으로 리튬이나 흑연을 음극으,

로 사용하며 유기용매나 폴리머를 해질로 사용한다 가볍고 에 지 , .

도가 높기 때문에 휴 폰 노트북과 같은 소형의 휴 기기 원으로 ,

리 사용되고 있다 최근에는 기자동차 원이나 주 수 조정 용도.

로 개발이 진행되고 있다 에 지 효율과 도가 높다는 장 이 있으.

나 재까지는 높은 비용이 단 이다, .

나트륨 유황 지는 양극에 나트륨 속 음극에 황을 사용하는 이차- ,

지이다 년 반 포드 자동차에서 처음 제안된 이래 년. 1960 1970

에 주로 기자동차용 배터리로 개발이 되다가 쇠퇴하 고 년, 1980

에는 일본이 부하평 화용으로 개발을 시작하여 재에 이르고 있다.

풍부한 원소를 활물질로 사용하기 때문에 량 생산 시 가격 하락의 가

능성이 크고 구조가 단순한 장 이 있다 하지만 이상의 온도에서 . 300

동작하기 때문에 효율 하락 등의 단 을 보완해야 하는 어려움이 있다.

장 계통안 안 술 효과 3 43

독스 로우 지18)는 활물질을 외부 용기에 장하 다가 이를 펌

를 통해 반응 셀로 이동시켜 화학 반응을 일으키는 이차 지 형태

이다 따라서 폐쇄된 시스템인 모듈형 지와는 다르게 외부 용기에 .

활물질을 공 함으로써 신속하게 충 이 가능한 기술이다 재까지.

는 태양 발 의 에 지 장용 골 카 그리고 소규모의 부하 리용 ,

등의 용도로 연구개발이 진행되었다.

수퍼커패시터 표 으로 기이 층 커패시터 의 경우 는 ( , EDLC )

극 양단에 차가 가해지면 두 극에 각각 자 와 양 하(-) (+)

가 모이고 이로 인해 해질 내에서 각각의 극 주 에 반 되는

하 이온들이 모여서 기 이 층을 형성하여 이온의 장이 일어나

는 것을 주요한 원리로 하고 있다 윤 락 외 이차 지에 비해 ( , 2011).

에 지 도는 낮은 반면 사이클 수명이 수만에 이를 정도로 긴 장,

이 있다 한 정도의 높은 효율과 짧은 방 시간 그리고 빠. 80~95%

른 응답 속도의 장 으로 인해 무정 시스템(Uninterruptible Power

용 는 력품질의 유지를 해 주로 사용된다Supply; UPS) .

18) 독스 로우 지란 환원 산화 흐름 의 (Redox Flow) reduction( ), oxidation( ), flow( )

단어를 합성한 말임 지능형 력망 회 쪽( , 2012, 31 ).

44

그림 본 동 원리 [ 3-5] EDLC

자료 윤 락 외 쪽: (2011, 46 )

라이휠 기술은 기에 지를 회 체의 운동에 지로 장하여 사

용하는 기술이다 장 에 지는 회 수의 제곱에 비례한다 따라서 . .

회 속도를 빠르게 하여 장 도를 높인다 한 마찰력을 최소화.

하기 해 자력으로 라이휠을 부상시키고 진공에서 회 하도록 한

다 장 은 유지 보수비가 고 수만 사이클 년 에 이르는 긴 수명. (20 )

이다 기 상태에서 에 지 손실이 발생하는 단 에 따라 장기간 .

장이 어려운 이 있다 재 이 상용화되어 있어 용. 2kW/6kWh

량화 기술개발이 요구된다.

압축공기 장기술19)은 압축공기와 가스 터빈 발 기를 조합하여 사

용하는 시스템이다 잉여 력을 이용하여 압축된 공기를 지하 공동이.

나 폐 등에 장하 다가 피크 부하 시 연료에 혼합하여 연소함으

19) 압축공기 장은 공기를 지하 는 동굴에 압축한 후 압축공기를 가열하여 터빈

을 돌리는 방식으로 규모 장이 가능하고 발 단가가 낮으나 기비용 부담,

과 지리 제약이 단 이다 지식경제부( , 2011).

장 계통안 안 술 효과 3 45

로써 기를 생산하는 원리를 활용한다 이 게 함으로써 가스터빈의 .

연료 소비량을 정도 감할 수 있다 이 기술은 자연 으로 형성40% .

되거나 용도가 없는 큰 지하공간을 이용함으로써 투자비를 많이 약

할 수 있고 용량의 개발도 가능한 장 이 있다 반면에 공간 인 , .

제약에 향을 받게 되므로 수요지와 멀리 떨어진 곳에 건설할 수밖

에 없는 경우가 많다 이러한 문제 을 보완하기 해 최근 지상의 천.

연가스 용기를 이용한 압축공기 장기술 개발이 진행되고 있다.

슈퍼커패시터와 라이휠 기술은 충 할 수 있는 에 지(Flywheel)

양이 기 때문에 력 장의 용에는 한계가 있다. CAES

의 경제성을 확보하기 해서는 (Compressed Air Energy Storage)

용량으로 설치되어야 하며 지하 암반층 는 폐 산 등을 이용해야 ,

한다 즉 설치 장소의 제약을 받는다 그러므로 력 장에 쉽게 근 . , .

가능한 장기술은 부분이 차 지에 의한 장기술들이다 이 2 .

활발한 연구가 진행 인 기술로서는 나트륨 유황 지 진보된 납축 - ,

지 바나듐 독스 로우(Advanced Lead-Acid), (Vanadium Redox Flow;

리튬이온 지VRF), , VRLA(Valve 등 가지가 Regulated Lead Acid) 5

표 이다.

46

분 류 작동 원리 특징

Li-ionBattery리튬(이온지)

원리( ) 리튬이온이 양극과 음극을 오가며 차 발생

장 에 지 도 에 지효율( ) , 단 안 성 수명 검증 비용( ) ,

Na-SBattery나트륨 (황 지)

원리( ) 의 온도에서 용융상태의 300~350나트륨 이온이 해질을 이동하면서

차 발생장 에 지 도 비용 용량화 용이( ) , , 단 고온 시스템 필요 에 지 효율( ) ,

RedoxFlow

Battery독스흐름(

지)

원리 해액 내 이온들의 산화 환원 ( ) 차를 이용하여 기에 지를 충 방

장 비용 용량화 용이 장시간 사용( ) , , 단 에 지 도 에 지 효율( ) ,

Supercapacitor수퍼 (

캐패시티)

원리 소재의 결정구조 내에 장되는 지( ) 와는 달리 소재의 표면에 되는 , 형태로 력을 장

장 출력 도 수명 안정성( ) , , 단 에 지 도 비용( ) ,

Flywheel라이휠( )

원리( ) 기에 지를 회 하는 운동에 지로 장했다가 다시 기에 지로 변환

장 에 지 효율 수명( ) , 단 기 구축비용 과다 에 지 도( ) ,

CAES압축공기(장시스템)

원리( ) 잉여 력으로 공기를 동굴이나 지하에 압축 압축된 공기를 가열하여 터, 빈을 돌리는 방식

장 규모 장 가능 발 단가( ) , 단( ) 기 구축비용 과다 지리 제약,

지하굴착 ( )

자료 지식경제부: (2011)

< 3-1 장장치 류별 특징>

장 계통안 안 술 효과 3 47

나 의 기술별 비용 현황. ESS

가 매자와 구매자 그리고 다양한 보고서를 기반으로 BNEF(2013) ,

조사하여 발표한 에 지 장 시스템 용도 기 20)의 추정에 따르면,

압축공기 장기술의 비용이 평균 로 가장 낮게 나타났다$117/kWh .

아연 롬 계열의 로우 지 기술과 나트륨 유황 지 기술의 평균 비- -

용이 각각 와 로 나타났다 바나듐 계열의 로우$637/kWh $696/kWh .

지 기술은 그보다 다소 높은 로 나타났다 나트륨 니 클$962/kWh . -

로라이드 지는 다 리튬이온 지 기술의 평균 비용은 $1,000/kWh .

로 높게 나타났으며 납 계열의 지 기술은 $1,673/kWh , $2,377/kWh

로 가장 높게 나타났다 나트륨계열의 지와 로우 지 계열은 시스.

템 비용만 포함하고 있어 만약 설치 등 다른 비용까지 반 한다면

체 로젝트 비용은 더 높아질 것으로 보인다.

20) 기술은 력 출력을 해 최 화될 수도 있고 에 지 장 능력을 해 최 ESS ,

화될 수도 있음 력출력용의 경우는 주로 주 수조정. (frequency regulation)

과 같은 단기 응용과 계가 있으며 이 경우 단 는 를 사용함 에 지MW .

장용의 경우는 최 부하이 과 같은 장기 응용과 계가 있(peak shifting)

으며 단 는 가 됨 쪽, MWh (BNEF, 2013, 2 ).

48

그림 에너지 장용 술별 비 비용[ 3-6] ESS ($/kWh)

자료: BNEF(2013)

표주 는 : Lead-based batteries, Lithium-ion batteries, Compressed air energy storage

체 로젝트 비용이고 나머지 기술은 시스템의 비용만 포함, .

기술별로 단 당 비용의 편차도 크지만 동일 기술 내에서도 ESS ,

특정 로젝트별로 단 당 비용이 크게 나타난다 리튬이온 기 기술.

의 비용은 최솟값이 약 이었으며 최댓값은 이$600/kWh $3,000/kWh

상으로 높게 나타났다 납 계열의 지 기술은 당 약 에서 . kWh $700

높게는 약 로 편차가 상당히 큰 것을 알 수 있다$6,000 .

에 따르면 재 력출력용으로 활용되는 기술은 BNEF(2013) , ESS

라이휠 지 리튬이온 지 납 계열의 지 기술 등 개뿐이다, 3 .

이 에 라이휠 지 기술의 비용이 가장 높으며 평균 수$2,835/kW

이다 리튬이온 지 기술의 평균 비용은 로 간 수 이. $1,527/kW

며 납 계열 지 기술의 평균 비용이 로 가장 낮다, $1,247/kW .

장 계통안 안 술 효과 3 49

그림 출 용 술별 비 비용[ 3-7] ESS ($/kWh)

자료: BNEF(2013)

표주 는 : Lead-based batteries, Lithium-ion batteries, Compressed air energy storage

체 로젝트 비용이고 나머지 기술은 시스템의 비용만 포함 , .

리튬이온 지 기술의 비용은 로젝트별로 편차가 크게 나타났는데,

최솟값은 당 이하인 반면 최댓값은 약 로 그 차이kW $1,000 , $2,000 ,

가 약 이상이나 된다 이 게 기술별 그리고 동일 기술의 $1,000 . ESS ,

로젝트별로 비용 차이가 크게 나타나는 것은 아직까지 산업이 ESS

기단계에 있다는 과 조사 상 로젝트들 간에 포함하는 비용

요소가 다른 이 반 된 것으로 보인다 즉 어떤 로젝트의 비용은 .

총 로젝트 비용이 조사되었고 다른 로젝트는 설치나 력장치의 ,

비용을 포함하지 않은 시스템 비용만 포함했기 때문이다.

50

안 술 계통안 에 한 효과 3.

앞에서 가 어떻게 변동 재생에 지의 출력의 변화를 완화하ESS

며 주 수와 압을 안정화시키는지 알아보았다 본 에서는 가 , . ESS

변동 재생에 지의 출력 변동을 어느 정도 완화하는지 그리고 이를 ,

통해 주 수와 압 안정화에 어느 정도 효과가 있는지를 분석하 다.

비화학 기술은 양수발 시스템을 상으로 하 으며 화학 ESS ,

기술은 리튬이온 지 기술을 상으로 하 다 먼 기존 ESS . ,

환 의 연구 결과를 통해 풍력 발 설비의 확 에 따른 주 수 (2011)

변동성 확 에 한 양수발 시스템의 효과를 분석하 다 리튬이온.

지의 효과는 력시스템 모의실험 로그램인 (simulation) PSCAD

를 활용하여 태양 과 풍력 발 설비 각각에 리튬이온 지를 장착한

시스템을 구성하여 출력 변동과 그에 따른 압 변동을 모의실험 하

다.

가 양수발전시스템의 주파수 조정 효과. 21)

제 장에서 정리한 바와 같이 규모 풍력 발 설비가 계통에 연계2

되면 격한 출력의 변동을 경험할 수 있고 따라서 이에 응하기 ,

해 추가 으로 비력이 필요함을 알 수 있었다 풍력의 출력이 항상 .

정격이상을 낼 수 있도록 바람이 충분히 불고 있다면 무효 력 공

이 가능하고 속도 제어가 가능한 종류의 풍력 터빈은 큰 문제가 없다.

하지만 바람이라는 자원은 변동성이 매우 높고 측이 불가능하기 때

문에 출력이 일정할 수 없다 그 기 때문에 항상 안정성 문제가 발생.

21) 본 소 의 내용은 홍익 학교 환 교수에게 원고를 의뢰하 으며 환 ,

을 토 로 작성하 음(2011) .

장 계통안 안 술 효과 3 51

할 수 있다 따라서 이러한 안정도 문제를 완화시켜주기 한 장치가 .

항상 풍력 단지를 보조해주어야 한다 정지형 무효 력보상장치. (Static

와 같은 무효 력 압을 제어하는 보상장Var Compensator; SVC)

치들을 통해 보조가 가능하지만 가격이 매우 높다 풍력 단지의 용량, .

이 증가할수록 무효 력보상장치의 용량 한 커져야하기 때문에 가

격 인 측면에서 무효 력보상장치는 최 의 안이라고 보기에는 어

려움이 있다.

따라서 계통에 규모 풍력 단지를 도입하여 안정 으로 운 하기

해서는 반드시 다른 설비가 연계되어야 한다 이러한 을 감안.

하여 환 은 모의실험을 통해 가변속 양수발 시스템을 풍력 (2011)

단지에 연계할 경우 계통주 수를 안정 으로 유지하는 데 어느 정도

의 효과가 있는지 분석하 다 구체 으로는 지식경제부 제 차 . , (2010) 5

력수 기본계획 상 년까지 건설이 계획된 풍력 발 설비 총 2024

가 투입된다는 가정 하에 양수발 기의 일정 부분을 주 수 8,974MW

유지용으로 활용하면 어떠한 향을 미치는지에 해 분석하 다.

모의실험의 가정은 다음과 같다 모든 원자력 설비들이 최 출력을 .

운 하고 나머지 수요에 해서는 의 풍력 발 설비 , 8,974MW

인 만 출력이 발생하고 그 이외의 수요를 화력 설비들60% 5,384MW

이 담당하고 있다고 가정하 다 력시스템의 비력은 . 1,500MW,

그리고 기동정지계획 등 가지 경2,500MW, (Unit Commitment; UC) 3

우의 발 구성으로 모의실험을 진행하 다 풍력 발 설비의 출력이 .

감소하게 되면 부족한 력 공 에 해 일차 으로 화력 설비들이

출력을 조정하고 이차 으로는 가변속 양수발 시스템이 출력을 조정

하여 주 수를 유지시키도록 하 다 가변속 양수발 시스템의 용량.

52

은 이고 이 인 가 부하 제어 능력이 있다고 1,000MW , 25% 250MW

가정하 다 안정 인 주 수의 범 는 제 장 표 . 2 < 2-2 의 계통주 수 >

유지 범 인 이다 모의실험 차는 그림 59.8Hz . [ 3- 과 같다 첨두8] .

주간과 비 첨두 주간 각각의 최소수요 최 수요 (peak) - (off-peak)

시기 즉 개의 시기로 나 어 주 수를 모의실험 하 다, 4 .

그림 출 변동 시뮬 차 [ 3-8]

자료 환 쪽 : (2011, 245 )

먼 원자력 설비들을 우선 으로 투입하여 최 출력을 내고 다음,

으로 풍력과 화력 설비들이 나머지 수요를 담당하는 것을 가정하여

계통 성 과 개별 발 기들의 정수 를 산정한다 의 상황에(H) (KG) .

서 풍력 발 설비의 출력 변동을 발생시킨다 출력의 변동 범 는 .

의 풍력 단지 출력이 그리고 수 으로 5,384MW 10%, 20% 30% 10

동안 출력을 떨어트렸다가 다시 동안 원래의 풍력 출력으로 돌10

아온다고 가정하 다 출력이 변동하여 주 수가 격히 떨어지면 화.

력 설비들이 주 수를 다시 회복하는 기능을 한다고 가정하 다 여기.

장 계통안 안 술 효과 3 53

에서 부족하게 되는 풍력의 출력 감소량은 양수발 시스템의 운 을

통해 감소 효과를 완화시켜 주게 된다.

아래 표 < 3-2 에는 비력이 인 경우에 양수발 의 투입> 2,500MW

이 없는 경우와 를 투입한 경우 풍력 발 의 출력 변동에 따1,000MW

른 주 수의 변화를 요약하 다 먼 비력이 동일한 조건에서 풍. ,

력의 변동이 심할수록 최 주 수가 낮아지는 것을 알 수 있다 한 .

투입되는 양수 설비의 용량이 증가할수록 풍력 출력의 감소에 한 1

차 응동으로 투입되는 양수 발 량이 증가하여 최 주 수가 조 씩

상승하는 것을 알 수 있다.

환 의 모의실험 결과에 의하면 비력의 증가 역시 주(2011) ,

수가 내려가지 않는 데 요한 역할을 담당 하는 것 한 볼 수 있

다 첨두 비 첨두 기간의 최 수요 기간에 계통 주 수가 비교 . -

안정 이며 최소수요의 경우 험하다는 것을 볼 수 있다 한 양, . ,

수시스템 의 용량 를 부하 제어용으로 활용하면 1,000MW 250MW

그 지 않은 경우에 비해 최 주 수가 더 높게 나오는 것을 확인할

수 있었다.

54

수요풍력

변동(%)양수0MW

양수 1,000MW

비고

Off-Peak

최소수요

10 59.7837 59.8548 안정화

20 59.5669 59.6843 -

30 59.3498 59.4761 -

최 수요

10 59.8827 59.9078 -

20 59.7652 59.8155 안정화

30 59.6477 59.7105 -

Peak

최소수요

10 59.8057 59.8651 -

20 59.6111 59.7141 -

30 59.4162 59.5273 -

최 수요

10 59.9239 59.9356 -

20 59.8478 59.8712 -

30 59.7717 59.8068 안정화

자료 환 에서 발췌하여 자 요약: (2011)

< 3-2 비 경우 최 주 수 모 실험 결과 > 2,500MW

따라서 풍력발 기와 같은 변동 재생에 지원의 유율이 증가하

는 경우를 비하는 측면에서 보면 새로운 비력 자원의 개발과 이,

를 확보하기 한 노력이 필요함을 알 수 있다 특히 기존의 양수발. ,

시스템을 가변속 양수발 시스템으로 환함으로써 이러한 비력

자원을 일부 확보할 수 있을 것으로 기 된다 박민수 외 한( , 2014). ,

변동 재생에 지원이 도입됨에 따라 이를 고려하여 재의 주 수

유지 기 을 재검토할 필요가 있다 이를 통하여 국내 계통의 상황에 .

맞는 주 수 유지 기 을 설정하는 것이 필요하다.

장 계통안 안 술 효과 3 55

나 리튬이온전지의 계통안정성에 대한 효과 모의실험.

본 소 에서는 력시스템 모의실험 로그램인 를 활용하PSCAD

여 태양 과 풍력 발 설비의 출력 변동에 응하는 리튬이온 지의

계통안정화 효과에 한 모의실험22)의 결과를 정리하 다 구체 인 .

시스템 구성과 시스템 요소 각각에 한 모델링 부분은 기술 인 성

격이 강하여 부록 리튬이온 지의 계통안정성 효과 시뮬 이션‘ 2. ’

부분에 별도로 정리하여 수록하 다.

태양 은 를 기 으로 하 으며 풍력은 를 기 으로 하1MW , 2MW

여 각각에 리튬이온 지를 장착한 가상의 시스템을 구성하 다 계통.

안정화용 차 지인 리튬이온 지 이하 2 ( BESS23)로 칭함 의 용량범)

는 술한 주 수 조정 압변동 등을 고려하여 각 발 설비의 일

정 비율로 구성하 다.

태양 과 풍력의 출력 변동의 크기에 따라 의 계통안정화 효BESS

과도 달라질 수 있다 이러한 효과의 변화를 분석하기 해 태양 과 .

풍력 발 설비의 출력이 각각 변동하는 경우 변동하는 경5% , 10%

우 그리고 변동하는 경우로 구분하여 시나리오 분석을 시도하, 15%

다 태양 의 경우 발 설비 의 출력이 변동하는 경우 . 1MW 5% BESS

의 설비용량을 로 구성하 다 변동하는 시나리오와 50kW 1hr . 10%

변동하는 시나리오에서는 의 설비용량을 각각 15% BESS 100kW 1hr

과 로 구성하 다 발 설비용량 를 가정한 풍력의 150kW 1hr . 2MW

경우는 그 출력 변동이 인 시나리오에서는 의 용량을 5% BESS 100kW

22) 를 활용한 리튬이온 지의 출력 안정화 효과 모의실험은 충북 학교의 PSCAD

김재언 교수와 공동연구의 형식으로 진행하 음.

23) 는 배터리형 의 약자로 리튬이온 지 BESS ESS(Battery Energy Storage System) ,

이외에 다른 차 지도 포함하지만 본 보고서에서는 기술의 편의를 해 리튬2 ,

이온 지를 의미하는 것으로 함.

56

로 가상 설비를 구성하 다 와 변동 시나리오에 해 1hr . 10% 15%

의 설비용량은 각각 와 로 가상 설비를 BESS 200kW 1hr 300kW 1hr

구성하 다.

이러한 설비 구성으로 태양 과 풍력 발 설비에 한 모델링24)을

수행하여 각각의 출력 특성상에서 가 가져오는 계통안정성 효과BESS

를 분석하 다 계통안정화 효과는 출력 변동을 완화는 효과와 압을 .

안정화하는 효과를 상으로 하 다.

태양 시스템1) + BESS

용량의 태양 발 설비 출력이 변동하면 그 출력은 1MW 5%

범 에서 변동을 하게 된다 그 출력의 변동은 그림 950kW±50kW . [

3- 의 상단에 주어진 장과 같이 일정한 패턴을 가진다고 가정하9]

다 이와 같이 태양 발 의 출력변동이 발생하 을 경우 시. , 15

에서 태양 발 설비용량의 인 가 출력변동보1MW 5% 50kW BESS

상운 을 시작한다.

태양 발 설비의 출력 에 한 의 출력은 가운데에 주어( ) BESS

진 장과 같고 이러한 보상운 의 결과로 이후부터의 배 계, 15

통 측 최종 출력은 그림 의 하단에 나타난 장과 같이 나타났다[ 3-9] .

출력기 값은 가 되며 모의실험의 결과로 배 계통 측BESS 50kW ,

으로의 출력의 변동은 에서 최종 으로 로 950kW±50kW 947kW±2kW

완화되었다 즉 태양 발 설비용량의 인 는 . 1MW 5% 50kW BESS

약 의 출력변동을 보상하는 것으로 나타났다4.8% .

24) 를 장착한 태양 과 풍력 발 설비 각각의 발 설비 모델링 출력 류제 BESS ,

어기 모델링 출력 압제어기 모델링 모델링 그리고 배 계통 발 설비, , BESS , +

체계통 모델링에 한 구체 인 내용은 부록 를 참조하기 바람+BESS 2 .

장 계통안 안 술 효과 3 57

그림 출 변동시 출 안 효과[ 3-9] PV 5% BESS

단 ( : MW)

태양 발 설비의 출력 변동에 따른 압 변동에 한 모의실5%

험 결과는 그림 과 같으며 상단의 장은 모선 측 압 [ 3-10] , 22.9kV

변동을 그리고 하단은 배 계통 측 압을 나타낸다 모선 측 , . 22.9kV

압변동은 태양 발 설비의 출력변동에 의해 발생하는 결과로서

정도의 압변동을 측할 수 있다 이 때1.00365±0.0001p.u. . , 50kW

에서 태양 발 설비의 출력변동을 보상하도록 지령BESS 1MW 5%

을 내리게 되면 모선 측은 일정한 력을 공 받게 되는 동시22.9kV

에 압변동이 정도로 억제된다 즉1.00363±0.00003p.u. . , BESS

는 태양 발 설비 의 출력 변동 시 나타나는 압변50kW 1MW 5%

동의 약 를 일 수 있음을 확인할 수 있다70% .

58

그림 출 변동시 압안 효과[ 3-10] PV 5% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

태양 발 설비의 출력 변동에 응한 의 출력 10% BESS 100kW

변동 압 변동 완화 효과에 한 모의실험 결과는 그림 [ 3- 과 11]

그림 [ 3- 에 각각 나타나 있다 태양 발 설비의 출력이 12] . 1MW

의 범 에서 변동을 하고 시 에서 900kW±100kW , 15 100kW

가 출력변동에 한 보상운 을 시작하면 최종 으로 배 계통 BESS

측에서는 의 출력변동이 나타난다 즉 는 890kW±10kW . , 100kW BESS

약 의 출력변동을 보상하는 것으로 나타났다9% .

모선 측 압변동은 에서 22.9kV 1.0035p.u.±0.0002p.u. 100kW

의 운 결과로 정도로 억제된다 즉BESS 1.00347p.u.±0.00007p.u. . ,

출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 일 수 있음을 확10% 65%

인할 수 있다.

장 계통안 안 술 효과 3 59

그림 출 변동시 출 안 효과 [ 3-11] PV 10% BESS

단( : MW)

그림 출 변동시 압안 효과[ 3-12] PV 10% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

60

그림 과 그림 [ 3-13] [ 3-14 는 태양 발 설비의 출력 변동에 ] 15%

응한 의 출력 변동 압 변동 완화 효과에 한 모BESS 150kW

의실험 결과를 각각 나타낸다 태양 발 설비의 출력이 . 1MW

의 범 에서 변동을 하고 시 에서 850kW±150kW , 15 150kW

가 출력변동에 한 보상운 을 시작한다 이에 따라 배 계통 BESS .

측으로의 출력은 에서 최종 으로 의 출850kW±150kW 850kW±20kW

력변동으로 완화된다 즉 는 약 의 출력변동보상을 . , 150kW BESS 13%

하는 것으로 나타났다.

모선 측 압변동은 에서 22.9kV 1.0034p.u.±0.00035p.u. 150kW

의 보상운 결과로 정도로 억제된다BESS 1.0033p.u± 0.00012p.u. .

따라서 출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 일 수 있15% 65%

는 것으로 나타났다.

그림 출 변동시 출 안 효과[ 3-13] PV 15% BESS

단( : MW)

장 계통안 안 술 효과 3 61

그림 출 변동시 압안 효과[ 3-14] PV 15% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

풍력 시스템2) + BESS

용량의 풍력 발 설비 출력이 변동하면 그 출력은 2MW 5%

범 에서 변동을 하게 된다 태양 과 마찬가지로1,900kW±100kW . ,

그 출력의 변동은 그림 의 상단에 주어진 장과 같이 일정한 [ 3-15]

패턴을 가진다고 가정하 다 이와 같이 풍력 발 의 출력변동이 발생.

하 을 경우 시 에서 풍력 발 설비용량의 인 , 15 2MW 5%

가 출력변동보상운 을 시작한다100kW BESS .

풍력 발 설비의 출력 에 한 의 출력은 가운데에 주어진 ( ) BESS

장과 같고 이러한 보상운 의 결과로 이후부터의 배 계통 , 15

측 최종 출력은 그림 의 하단에 나타난 장과 같이 나타났다[ 3-15] .

출력기 값은 가 되며 모의실험의 결과로 배 계통 BESS 100kW ,

62

측으로의 출력의 변동은 에서 최종 으로 1,900kW±100kW 1,851kW±

로 완화되었다 즉 풍력 발 설비용량의 인 5kW . 2MW 5% 100kW

는 약 의 출력변동을 보상하는 것으로 나타났다BESS 4.75% .

그림 출 변동시 출 안 효과[ 3-15] 5% BESS

단( : MW)

풍력 발 설비의 출력 변동에 따른 압 변동에 한 모의실험 5%

결과는 그림 [ 3-16 과 같으며 상단의 장은 모선 측 압 변] , 22.9kV

동을 그리고 하단은 배 계통 측 압을 나타낸다 모선 측 , . 22.9kV

압변동은 풍력 발 설비의 출력변동에 의해 발생하는 결과로서

정도의 압변동을 측할 수 있다 이 때1.0066p.u.±0.0002p.u. . ,

에서 풍력 발 설비의 출력변동을 보상하도100kW BESS 2MW 5%

록 지령을 내리게 되면 모선 측은 일정한 력을 공 받게 되22.9kV

는 동시에 압변동이 정도로 억제된다 즉1.0066p.u.± 0.00006p.u. . ,

는 풍력 발 설비 의 출력 변동 시 나타나는 BESS 100kW 2MW 5%

압변동의 약 만큼 완화하는 것으로 나타났다70% .

장 계통안 안 술 효과 3 63

그림 출 변동시 압안 효과 [ 3-16] 5% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

풍력 발 설비의 출력 변동에 응한 의 출력 변10% BESS 200kW

동 압 변동 완화 효과에 한 모의실험 결과는 그림 [ 3-17 과 ]

그림 [ 3- 에 각각 나타나 있다 풍력 발 설비의 출력이 18] . 2MW

의 범 에서 변동을 하고 시 에서 1,800kW±200kW , 15 200kW

가 출력변동에 한 보상운 을 시작하면 최종 으로 배 계통 BESS

측에서는 의 출력변동이 나타난다 즉1,765kW±10kW . , 200kW BESS

는 약 의 출력변동을 보상하는 것으로 나타났다9.5% .

모선 측 압변동은 에서 22.9kV 1.0064p.u±0.0004p.u. 200kW

의 운 결과로 정도로 억제된다 즉BESS 1.00625p.u.± 0.00015p.u. . ,

출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 일 수 있음을 확10% 63%

인할 수 있다.

64

그림 출 변동시 출 안 효과[ 3-17] 10% BESS

단( : MW)

그림 출 변동시 압안 효과 [ 3-18] 10% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

장 계통안 안 술 효과 3 65

그림 [ 3- 와 그림 19] [ 3- 은 풍력 발 설비의 출력 변동에 20] 15%

응한 의 출력 변동 압 변동 완화 효과에 한 모의BESS 300kW

실험 결과를 각각 나타낸다 풍력 발 설비의 출력이 . 2MW 1,700kW±

의 범 에서 변동을 하고 시 에서 가 출300kW , 15 300kW BESS

력변동에 한 보상운 을 시작한다 이에 따라 배 계통 측으로의 출.

력은 에서 최종 으로 의 출력변동1,700kW±300kW 1,660kW±15kW

으로 완화된다 즉 는 약 의 출력변동보상을 하는 . , 300kW BESS 15%

것으로 나타났다.

22 모선 측 압변동은 에서 .9kV 1.0062p.u.±0.0006p.u. 300kW BESS

의 보상운 결과로 정도로 억제된다 따라서 1.0057p.u±0.0002p.u. .

출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 일 수 있는 것으15% 66%

로 나타났다.

그림 출 변동시 출 안 효과[ 3-19] 15% BESS

단( : MW)

66

그림 출 변동시 압안 효과[ 3-20] 15% BESS

단 기( : p.u.(22.9kV ))

효과 종합3) BESS

에서 배 선로의 말단 변 소로부터 떨어진 지 에22.9kV ( 19km )

연결된 태양 풍력 발 설비에 각 설비용량의 에 5%, 10%, 15%

해당하는 를 각각 설치하 을 경우 태양 풍력 발 설비의 BESS

출력변동 보상효과를 모의실험 하 다 아래 표 . < 3-3 과 표 > < 3-4 에 >

분석 결과를 요약하 으며 는 태양 과 풍력 발 설비의 출력, BESS

변동을 보상하여 계통안정성을 높이는 효과가 있는 것으로 나타났다.

태양 발 설비용량의 에 해당하는 출력변1MW 5%, 10%, 15%

동을 각각 의 로 보상 운 하 을 경우50kW, 100kW, 150kW BESS ,

각각 의 출력변동보상효과가 있음을 알 수 있었다 이4.8%, 9%, 13% .

는 용량 비 각각 에 해당하는 효과이다 한BESS 96%, 90%, 87% . ,

장 계통안 안 술 효과 3 67

각 출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 각각 70%, 65%, 65%

일 수 있었다.

한편 풍력 발 설비용량의 에 해당하는 출, 2MW 5%, 10%, 15%

력변동을 각각 의 로 보상 운 하 을 100kW, 200kW, 300kW BESS

경우 각각 의 출력변동보상효과를 확인할 수 있, 4.75%, 9.5%, 14.25%

었다 이는 용량 비 각각 에 해당하는 효과이. BESS 95%, 95%, 95%

다 한 각 출력변동 시 나타나는 압변동의 약 를 . , 70%, 63%, 66%

각각 일 수 있었다.

출력변동용량=BESS

보상 출력변동 보상 후 출력변동출력변동보상효과

5% 950kW±50kW 947kW±2kW4.8%용량의 (BESS 96%)

10% 900kW±100kW 890kW±10kW9.0%용량의 (BESS 90%)

15% 850kW±150kW 850kW±20kW13%

용량의 (BESS 87%)

출력변동용량=BESS

보상 압변동 보상 후 압변동보상 비압변동억제효과

5% ±0.01% ±0.003% 70%

10% ±0.02% ±0.007% 65%

15% ±0.035%. ±0.012% 65%

< 3-3 태양 출 변동 시 출 안 효과 > BESS

68

출력변동용량=BESS

보상 출력변동 보상 후 출력변동출력변동보상효과

5% 1900kW±100kW 1851kW±5kW4.75%용량의 (BESS 95%)

10% 1800kW±200kW 1765kW±10kW9.5%용량의 (BESS 95%)

15% 1700kW±300kW 1660kW±15kW14.25%용량의 (BESS 95%)

출력변동용량=BESS

보상 압변동 보상 후 압변동보상 비압변동억제효과

5% ±0.02% ±0.006% 70%

10% ±0.04% ±0.015% 63%

15% ±0.06% ±0.02% 66%

< 3-4 출 변동 시 출 안 효과 > BESS

장 태양 경 4 ･ 69

장 태양 풍력 발 의 경 4 ･

제 장에서 살펴본 바와 같이 체 원믹스에서 변동 재생에2 ,

지의 비 이 높아짐에도 특별한 조치가 없다면 격한 출력 변동에

의해 계통안정성에 문제가 발생할 수 있다 계통안정성을 보완하는 기.

술 안으로 변동 재생에 지의 출력 변화에 응하기 해 천연가

스 발 이나 수력과 같은 유연한 발 설비를 통한 백업 에(flexible) ,

지 장장치 그리고 부하 리 등이 있다 제 장에서 가변 양수발, . 3

시스템과 리튬이온 지 등 이 변동 재생에 지의 출력 변동을 ESS

완화하여 주 수 압을 조정하는 효과가 있음을 밝혔다 본 장에.

서는 이 기술 안들 리튬이온 지를 상으로 하여 태양 풍

력 발 시스템을 구성할 경우의 경제성을 분석하 다.

경 행연1.

발 부문에서 특성이 서로 다른 기술들 간에 경제성을 비교하기

해 사용하는 가장 보편 인 방법론은 에 지균등화비용 는 균등

화발 비용을 의미하는 LCOE25)이다 개념 으로는 에 지 는 발.

소 로젝트의 순 재가치 를 으로 만드는 비용(net present value) ‘0’

을 뜻하며 주로 로젝트의 손익분기 을 나타내는 에 지 는 력 ,

요 을 말한다 단순하게 설명하자면 로젝트 수명기간 동안 발생하. ,

는 총 비용을 동 기간 동안 생산하는 총 에 지양 는 총 발 량으로

25) 에 지균등화비용의 문 표기는 이며 균등화발 비용levelized costs of energy , 은

로 문 약자는 서로 같기 때문에 혼용하고 있음levelized costs of electricity , .

70

나 값을 의미한다 즉 수명주기 동안 당 총 실질생. , (life-cycle) kWh

산비용을 나타낸다 여기에 시간의 가치 를 감안하여 할인. (time value)

율 을 사용하여 모든 요소들을 재가치화 하는 과정이 (discount rate)

포함된다 가 비용이라는 용어를 사용하지만 실질 으로는 에. LCOE ,

지 는 력의 매에 한 잠재 편익을 포함하고 있기 때문에

비용과 편익을 모두 포함하는 경제성을 분석하는 방법이라고 할 수

있다.

는 서로 다른 특성을 갖는 발 원의 경제성을 상호 비교하기LCOE

에 용이하기 때문에 이러한 목 의 분석이 필요할 경우 리 사용되

고 있다 하지만 의 산정 과정에서 어떠한 요소 는 변수를 고. , LCOE

려하느냐에 따라 산정식이 다양해지며 어떤 산정식을 사용하느냐에 ,

따라 결과가 민감하게 반응하기 때문에 특성이 다른 발 원 간 비교

를 할 경우에는 동일한 요소를 고려하여 같은 산정식을 일 으로

용하는 것이 필요하다.

국제 으로 가장 보편 으로 사용하는 산정식은 에IEA et al.(2010)

서 채택하고 있는 산정식이며 우리나라에서도 리 사용되고 LCOE ,

있다 산정식에서는 투자비용 리운 비용 연료비. LCOE , (O&M) , ,

탄소비용 해체비용을 고려하여 산정식을 구성하며 이를 식으로 나타, ,

내면 아래 수식 [ 1 과 같다] .

×

×

수식 [ 1]

장 태양 경 4 ･ 71

여기서, 는 기의 투자비용t , 는 기의 리운 비용t , 는 기t

의 연료비, 는 기의 탄소비용t , 는 기의 해체비용t , 는 기의 발t

량 그리고 , 은 할인율을 나타낸다 이 산정식은 흐름할인법.

을 기반으로 하며 할인율 (DCF; discounted cash flow) , 은 와 5%

를 각각 용하 다 이 연구에서는 개 국가를 상으로 총 10% . 21

개 발 소의 비용 자료를 활용하여 석탄화력 가스터빈 원자력190 , , ,

육상 해상 풍력 수력 태양 등의 발 원들 간 경제성을 비, , , CHP

교분석하 다.

신재생에 지 분야에서 많이 인용이 되는 산정 결과 하나LCOE

는 매년 발간되는 의 보고서다 에는 를 BNEF . BNEF(2014) LCOE “

로젝트의 요구 자기자본 사율 을 달성하(required equity hurdle rate)

기 한 장기 오 테이크 가격 으로 정의하며 산정식은 (offtake price) ,

구체 으로 제시하지 않으나 산정에서 고려하는 요소들은 제시하고 ,

있다 기투자비 자본지출 고정비 연료비 탄소 비용 융비용. ( ), , ,

을 포함하며 법인세 이외에 고속감가상각 공여 생산세액공제 , , (grant),

등 보조 은 포함하지 않는다 는 그림 . BNEF(2014) [ 4-1 에서 보듯이 ]

가스터빈 석탄화력 원자력 등 통 발 원과 각종 신재생, , CHP

에 지 기술을 포함하여 총 개 기술에 한 를 산정하여 제24 LCOE

시하고 있으며 각 기술별로 의 최솟값에서 최댓값까지 범 를 , LCOE

제공하며 앙값도 제시하 다, .

72

그림 에너지원별 단가 비[ 4-1] ($/MWh)

자료: BNEF(2014)

은 에 비해 투자세액 공제나 보Darling et al.(2011) IEA et al.(2010)

조 같은 정부 지원 감가상각비와 이자비용 부채상환비용 법인, , ,

세와 잔존가치 등을 반 하여 실질 인 사업 환경을 잘 반 하고 있,

다 이를 식으로 나타내면 아래 수식 . [ 2]26)와 같다.

×

× × ×

수식 [ 2]

26) 가 제시한 산정식과 일 성을 유지하기 해 IEA et al.(2010) Darling et al.

이 제시한 산정식을 자가 수정하 음2011) .

장 태양 경 4 ･ 73

여기서 , 는 기의 투자세액공제와 보조t , 는 기의 감가상각비t

와 이자비용, 은 법인세율, 는 기의 부채상환비용t , 는 기t

의 리운 비용과 연료비, 는 잔존가치를 나타낸다. Darling et

은 보스턴 시카고 새크라멘토 등 세 도시에 각각 규al.(2011) , , 20MW

모의 발 소 태양 발 소를 건설하는 것을 가정하여 각 발 소의

를 분석하 다 의 각 변수들에 해 확률분포를 구축하LCOE . LCOE

고 이를 기반으로 몬테카를로 기법으로 를 모의(Monte Carlo) LCOE

실험하 다 실험 결과 보스턴의 평균값은 으며. , LCOE ¢9.34/kWh ,

시카고와 새크라멘토는 각각 와 로 산정되었다¢9.71/kWh ¢6.89/kWh .

에서 기술한 바와 같이 기법은 에 지 로젝트의 생애주LCOE

기 동안 흐름에 한 순 재가치를 으로 만드는 비용을 산정함‘0’

으로써 로젝트 체의 경제성을 평가한다 하지만 로젝트 개발자.

의 입장에서는 자본투자 에 한 수익률을 사업성의 (equity investment)

기 으로 하고 있기 때문에 실질 인 투자에 있어 이를 반 한 ,

에 기반을 둔 의사결정이 필요하다 가 캘리포LCOE . Black & Veatch

니아를 해 개발한 RETI(Renewable Energy Transmission Initiative)

모델 이하 모델 이라 칭한다 은 이러한 개Cost of Generation ( “RETI ” )

발자의 사업성을 평가하는 이다 즉 일반 인 흐름에 할인LCOE . ,

율을 용하는 와는 다르게 자기자본에 한 수익의 흐름LCOE ,

에 한 순 재가치를 으로 만드는 이다 이를 구하기 해‘0’ LCOE .

서는 일반 인 할인율을 용하는 신 자기자본 비용, (cost of equity)

을 할인율로 하여 순 재가치를 구하며 이를 으로 만드는 비용을 , ‘0’

산정한다.

술한 는 발 설비에 투입된 비용을 운 기간 동안 회수하LCOE “

74

는 데 필요한 최소한의 수입 립 가격으로 시불변(renenue-netral)

한 단 력당 평균가격 정윤경 쪽 이기 때(time-invariant) ( , 2013, 63 )”

문에 특정의 시장 리스크나 기술 리스크를 반 하지 못하는 단 이

있다 에 따르면 미국과 같이 시장에서 력의 도매가격. Joskow(2010)

이 결정되는 제도 하에서는 를 활용하여 비교하고자 하는 모든 LCOE

발 원이 가능하고 한 발 로 일이 비슷한 (dispatchable) ,

기술 간의 비교만 의미가 있다고 주장한다 변동 재생에 지의 경.

우 비 성 의 특성상 발 의 로 일이 통 , (non-dispatchability)

발 원과 큰 차이가 있고 특히 시간 별 력 요 의 변동 즉 시장 , , , ‘

가치 의 변동에 따라 능동 으로 의사결정을 할 수 없(market value)’

기 때문에 이를 통 발 원의 와 비교하는 것은 하지 않LCOE

다고 경고하고 있다 는 이러한 문제를 개선하기 한 . Joskow(2010)

안으로 시장 가치평가 를 통해 를 보완하‘ (market valuation)’ LCOE

는 것을 제안하고 있다.

변동 재생에 지의 분석에 시장 가치 를 포함하는 방법은 LCOE ‘ ’

이 부터 시도되었다 은 태양 을 Joskow(2010) . Borenstein(2008)

상으로 시변 발 량의 가치를 분석에 포함하 으며(time-varing) ,

통 발 원을 체함으로써 발생하는 송배 손실까지 고려하 다.

수식 [ 3 에서 ] 는 생애주기 동안 태양 발 의 총 가치이다.

수식 [ 3]

여기서, 는 운 기간이며, 는 연도 에 생산된 발 량, 는 기

간별 할인율을 나타낸다 특히. , 는 연도 에 생산된 발 량의 가치

장 태양 경 4 ･ 75

로 수식 , [ 4 과 같이 해당 연도에 계통의 력 도매가격인 ] 를 반

하 다.

× 수식 [ 4]

여기서, 는 일종의 송배 손실률을 나타내며, 는 연도 의

력시스템 체의 통 발 원의 발 량을 나타낸다. 는 한 단

의 발 량이 한 단 의 태양 발 으로 체될 때 시스템 체의

손실률의 변화를 의미한다 은 통 인 의 비. Borenstein(2008) LCOE

용에 수식 [ 3 의 시장 가치 를 반 하고 이를 샌 란시스코 새크라] ‘ ’ , ,

멘토 로스앤젤 스 등 세 지역을 상으로 스콘신 학교

의 모의실험 데이TRNSYS(A Transient System Simulation Program)

터를 활용하여 태양 의 경제성 분석을 수행한 결과 통 의 , LCOE

결과에 비해 의 가치가 상승하는 것을 보 다0%~20% .

최근에는 정윤경 이 우리나라에 설치된 태양 발 소 경(2013)

제성 분석을 한 자료가 존재하는 개를 상으로 와 력280 LCOE

균등화가치 를 산정하 다(LVOE, levelized value of electricity) .

×

수식 [ 5]

여기서, 는 운 시간의 단 당 력가격으로 계통한계가격 ,

의 망치를 활용하 으며(SMP; system marginal price) , 와 는

76

각각 운 시간의 발 량과 할인율을 나타낸다 .

시장 가치를 용한 와 같은 기법은 력의 도매시장이 자율LVOE

화되어 가격이 시장에서 결정되는 제도 하에 합한 경제성 비교 방

법론이다 여기서 시장 가치를 결정하기 해서는 정윤경 과 같. , (2013)

이 미래시장에 한 망 즉 일종의 력 가격에 한 망이 필요하,

며 따라서 경제성 분석의 결과는 망치에 민감하게 반응한다 우리, , .

나라의 력 시장은 아직까지는 력의 가격이 으로 시장에서 결

정되지는 않는다 우리나라는 발 경쟁 단계 변동비를 반 하는 .

를 통해 시장을 운 하는 단계에 있다 즉 가격CBP(cost-based pool) . ,

입찰 신 실제 변동비 연료비 에 의해 공 곡선이 결정되며 단기한( ) ,

계비용에 의해 계통한계가격이 결정되는 제한 인 경쟁시장이다 에(

지경제연구원 도 인정한 바와 같이 이 게 서비, 2014). Joskow(2010) ,

스비용규제 에 의해 자본 운 비용이 규(cost-of-service regulation)

제된 소비자요 에 반 되는 제도 하에서는 방법론을 통한 경LCOE

제성 비교 분석이 유효하다 따라서 본 연구에서는 우리나라 력시장.

의 특성을 반 하여 를 통해 특성이 다른 발 원들 간 경제성을 LCOE

비교분석한다.

경 개2.

가 경제성 분석 방법론.

제 장 에서 가 변동 재생에 지의 출력 변동을 완화함으3 3 BESS

로써 주 수를 조정하고 압을 조정하는 효과에 해 분석하 다 이.

번 에서는 계통안정성을 고려하여 를 태양 이나 풍력 시스템BESS

장 태양 경 4 ･ 77

에 병렬로 연결하여 설치할 때의 경제성이 어떻게 달라지는지 분석하

다 분석 상은 크게 유틸리티 규모와 가정용 규모의 발 설비로 .

나 어 분석하 으며 가정용은 태양 발 만 포함하 다 를 , . BESS

고려했을 때와 고려하지 않았을 때의 경제성 비교가 주요 목 이기

때문에 력 계통 보강 백업 원 등의 비용은 분석에 반 하지 않, ,

았으며 환경 비용과 같은 외부 비용도 반 하지 않았다, .

유틸리티 규모1)

유틸리티 규모의 태양 과 풍력 발 설비는 제 장 에서 제시한 3 3

발 시스템을 기 으로 하여 가상의 설비를 구성하 으며 이를 각각 ,

유틸리티 규모로 확장하여 경제성 분석을 시행하 다 본 에서도 우.

리나라 정부가 집 육성 기술로 선정하고 한 에서 실증사업을 하고

있는 리튬이온 지를 활용한 를 채택하 다 가상설비구성은 태BESS .

양 과 풍력의 설비용량 각각 규모 배터리 용량은 발 설비20MW ,

의 에 해당하는 규모로 구성하 다10% 2MWh .

본 연구에서 유틸리티 규모의 태양 풍력 발 의 경제성 분석

을 해 술한 바와 같이 기법을 활용하 다 우리나라에서 LCOE .

주로 채택하고 있는 의 산정식을 활용하여 즉 IEA et al.(2010) LCOE,

경제성을 보장하는 발 단가를 산정하 다 추가 으로 로젝트 개. ,

발자의 입장에서 사업성을 비교 평가하기 한 경제성 분석도 시행하

다 이를 해 이 제시한 산정식에 모델. Darling et al.(2011) RETI

의 자기자본 비용을 용하여 를 계산하 다 본 연구에서는 두 LCOE .

가지 를 구분하기 해 자는 단순 후자는 사업성 LCOE ‘ LCOE’, ‘

라 부르기로 한다 비교의 상으로는 석탄화력과 천연가스 그LCOE’ .

78

리고 원자력 등 통 발 원의 와 비교하 으며 한 년 LCOE , 2013

연평균 계통한계비용 과 비교하 다(SMP) .

가정용 태양2)

는 최근 보고서에서 미국 주별로 배터리를 포함한 가Barclays(2014)

정용 태양 의 발 단가 즉 경제성을 분석하고 그 결과를 기반으로 ,

미국 내 모든 력회사 채권에 한 자체평가 등 을 한 단계씩 하향

조정한 바 있다 경제성 분석 결과에 따르면 하와이의 년 태양. , 2013

배터리의 발 단가는 로 년 월의 주택용 기요 인 + ¢22/kWh , 2014 3

보다 낮아 이미 그리드패리티에 도달하 다 캘리포니아¢38.51/kWh .

는 년 태양 배터리의 발 단가가 로 아직까지는 가2013 + ¢22.4/kWh

정용 기요 보다 높으나 년에는 로 하락하여 그리, 2017 ¢14.7/kWh

드패리티에 도달할 것으로 상하 다 애리조나와 뉴욕은 년에 . 2018

가정용 태양 배터리의 그리드패리티에 도달하고 미국 부분의 지+ ,

역에서도 년 이내에 가정용 기요 보다 발 단가가 낮아질 것으10

로 망하 다.

그림 캘리포니아 태양 리 단가[ 4-2] +

자료 : Barclays(2014)

장 태양 경 4 ･ 79

하와이 애리조나 뉴욕

그림 미 주 주 태양 리 그리드 리티 도달 시[ 4-3] +

자료 : Barclays(2014)

이 게 미국에서 발 단가가 격히 하락함에 따라 가정용 태양 +

배터리 시스템의 설치가 격히 증가하고 있다 특히 이미 그리드패. ,

리티에 도달한 하와이는 년 월 기 2013 12 HECO(Hawaii Electric)

소비자 가 태양 을 설치하 으며 총 설비용량은 에 이10% , 300MW

른다 최근 년간 설치된 설비용량은 체의 에 이르며 앞으로도 . 2 75% ,

속하게 설치가 확 될 것으로 망하고 있다.

그림 하 연간 태양 치 [ 4-4] (MW)

자료: Barclays(2014)

80

발 사업자 입장에서는 가정용 고객의 태양 설치 확 는 력회

사의 고객 이탈을 의미하며 는 력회사 고객의 이탈, Barclays(2014)

이 가속되는 이탈순환 이 발생할 가능성이 있다고 진(defection spiral)

단하고 그 리스크를 미국 력회사의 신용도에 반 하여 채권 등 을

한 단계씩 낮추게 된 것이다 여기서 이탈순환이란 가정용 고객이 이.

탈하게 됨에 따라 나머지 고객에 한 력 공 비용이 상승하게 되

고 력요 을 인상하게 되면 분산발 비 경제성이 더욱 악화되어 ,

결국에는 고객의 이탈이 가속화되는 상을 의미한다.

의 발 단가 산정도 방법을 활용하 다 미국 Barclays(2014) LCOE .

각 주별로 표 가정을 선정하고 그 가정이 태양 만으로 력, +ESS

을 스스로 공 하여 사용할 수 있는 용량으로 가상설비를 구성하여 ‘ ’

각 주별 발 단가를 산정하 다 여기서 표 가정이란 각 주별로 평.

균 력소비량을 소비하는 가정을 의미한다 스스로 공 의 의미는. ‘ ’ ,

계통으로부터의 순수 량이 인 것을 의미한다 이 게 구성된 각 ‘0’ .

주별 발 설비의 당 비용을 산정하고 해당 주의 력 소매요kWh ,

과 비교하 다.

우리나라는 가정용 력요 이 지역별로 다르지 않기 때문에

의 방법을 직 용하는 것은 하지 않다 반면Barclays(2014) . ,

진제의 향으로 가정용 단 력요 월 력요 월 력사용량 은 ( / )

월별 소비 력량이 많아짐에 따라 진 으로 증가한다 를 들면. ,

그[ 림 4-5 에서 보듯이 월 소비가구는 원] , 300kWh/ 148 /kWh, 1,000kWh/

월 소비가구는 원 등 사용량에 따라 단 력요 이 상승한540 /kWh

다 참고로 년 평균 가구당 력소비는 월이 으며 해. , 2013 234kWh/ ,

당 단 력요 은 원 이었다129.4 /kWh .

장 태양 경 4 ･ 81

각 가정의 력요 이 월 사용량에 따라 각각 다르게 나타나기 때

문에 태양 배터리 시스템의 발 단가를 단 력요 과 비교하여 +

경제성을 분석하 다 추가 으로 제주도와 그리드에 연계되지 않은 . ,

다른 도서의 경우 육지보다 실질 력 공 비용이 높다 년 제, . 2013

주도의 월평균 력 정산단가는 원 로 육지의 년 월 249 /kWh , 2013 12

월평균 정산단가인 원 보다 높은 수 이다 울릉도 덕 도75.3 /kWh . , ,

도 추자도 등 도서지역의 발 단가는 각각 당 원 원, kWh 428 , 579 ,

원 원으로 육지의 정산단가보다 상당히 높다747 , 518 27) 태양 배터. +

리 시스템의 발 단가를 도서지역의 력공 비용과 비교하여 경제성

을 분석하 다.

그림 가 용 단 주 도 공 단가[ 4-5]

27) 도서지역의 발 단가는 산업통상자원부의 내부 자료를 인용하 음 .

82

나 주요 전제 및 가정.

유틸리티 규모1)

앞에서 기술한 바와 같이 유틸리티 규모의 태양 과 풍력 발 설비

는 각각 를 기 으로 하 으며 계통안정화용 의 용량은 20MW , BESS

발 설비의 인 로 가상설비를 구성하 다 먼 태양10% 2MWh . ,

가상설비 구성의 모수값 은 표 +BESS (parameter) < 4-1 과 같다 태양> .

의 설치단가는 에 지 리공단의 자료인 천원 를 20MW 2,868 /kW

활용하 다 의 설치단가는 태양 과 풍력 모두 한국 력공사의 . BESS

주 수조정용 설치사업에 용된 억 을 용하 다BESS 15 /MWh 28).

태양 의 평균이용률 은 를 채택했다(capacity factor) 15% .

구분 항목 가격 단가( ) 비고

기술 제

총 설비용량 20MW

설치단가 천원2,868 /kW 에 지 리공단 내부자료 년(’13 )

고정비 총 건설비의 1%

변동비 -

평균이용률 15% 특정 지역 특정사 제품

성능 하율 0.7%

재무 경제 /제

설비 수명 년20

할인율 5.5% 공공투자사업 할인율KDI

물가상승률 3%

원 달러 환율/ 1,095 년 평균 환율2013

ESS

총 설비용량 2MWh 풍력 총 설비용량의 10%

설치단가 억15 /MWh 한 의 주 수조정용 설치사업BESS

리튬 지단가 $500/kWh BNEF

수명 년10 사이클 년 후 교체4,900 (10 )

손실률 15% 충 방 기 손실

< 4-1 태양 추 한 주 가 치> LCOE

28) 에 지 리공단의 내부자료에 의하면 개 공공기 을 상으로 시행한 보, 7 ESS

시범사업에서 의 평균 설치비용 공사비 포함은 백만ESS (ESS, PCS, EMS ) 1.42 원

음 본 연구에서는 백만원 를 용하여 다소 보수 으로 근하/kWh . 1.5 /kWh 음.

장 태양 경 4 ･ 83

의 평균 수명은 업계에서 일반 으로 받아들여지고 있는 년ESS 10

을 가정29)하 다 다만 주 수 추종용의 경우 력부하 평 화용보다. ,

는 충 방 횟수가 많고 따라서 수명이 더 짧을 가능성이 있지만 아, ,

직까지 이에 한 신뢰성 있는 자료가 없어 년을 용하 다10 .

충 방 기 손실률 한 경제성 분석에 있어 요한 요소 하

나이다 하지만 실험실 규모의 손실률은 일부 가용하지만 아직까지는 . , ,

유틸리티 규모의 에 한 손실률은 활용 역사가 짧아 검증된 데이ESS

터가 존재하지 않으며 이에 한 문가의 의견도 스펙트럼이 다양하,

다 본 연구에서는 의 충 방 기 손실을 를 가정하. ESS 15% 다.

풍력 가상설비의 구성의 모수값은 표 +BESS < 4-2 와 같다 풍력 > . 20

의 설치단가는 에 지 리공단의 자료인 천원 를 활용하MW 2,494 /kW

다 풍력 발 설비의 평균 이용률은 우리나라 특정 풍력단지의 평균.

이용률인 를 용하 다23.13% .

구분 항목 가격 단가( ) 비고

기술 제

총 설비용량 20MW설치단가 천원2,494 /kW 에 지 리공단 내부자료 년(’13 )고정비 총 건설비의 2.5%변동비 체 발 량의 0.8% 소내소비율

평균이용률 23.13% 특정 지역 특정사 제품성능 하율 0%

재무 경제 /제

설비 수명 년20할인율 5.5% 공공투자사업 할인율KDI

물가상승률 3%원 달러 환율/ 1,095 년 평균 환율2013

ESS

총 설비용량 2MWh 풍력 총 설비용량의 10%설치단가 억15 /MWh 한 의 주 수조정용 설치사업BESS

리튬 지단가 $500/kWh BNEF수명 년10 사이클 년 후 교체4,900 (10 )손실률 15% 충 방 기 손실

< 4-2 단순 추 한 주 가 치> LCOE

29) 년 월 일자 참조 Etnews, 2013 9 9 .

84

가정용 태양 발2)

가정용 태양 의 년 설치비는 우리나라 기업들의 담당자3kW 2014

에게 문의한 결과 만원에서 만원 사이인 것으로 조사되었다 이 700 800 .

만원을 용하여 다소 보수 으로 근하 다 배터리는 800 . Barclays(2014)

에서 용한 테슬라의 기자동차용 배터리 기술을 가정하 다 테슬라 .

배터리 기술은 존하는 최고의 기술로 그 단가는 사, $200~$300/kWh

이인 것으로 알려져 있다 는 그 간값인 를 . Barclays(2014) $250/kWh

용하 는데 본 연구에서는 수입을 한 운송비용 등을 감안하여 다,

소 보수 으로 근하기 해 최댓값인 를 가정하$300/kWh 다.

와 마찬가지로 우리나라 각 가정의 월 력소비량을 Barclays(2014) ,

태양 만으로 력을 스스로 공 하여 사용할 수 있는 용량으+ESS ‘ ’

로 가상설비를 구성하여 즉 발 단가를 산정하 다 여기서 LCOE, .

정부의 지원은 배제하 다 의 연구와 같이 분석의 편. Barclays(2014) ,

의를 해 할인율과 융비용이 같다고 가정하 고 모든 설비의 무한 ,

분할성 을 가정한다(infinite divisibility) .

유틸리티 규모의 경제성 분석과는 다르게 가정용 태양 은 년, 2014

의 발 단가의 추정뿐만 아니라 년의 발 단가를 망하여 상호 2017

비교하 다 재 태양 설치비 하락 추세를 반 하여 년 태양 . 2017

설치단가는 년 비 하락하는 것으로 가정하 다 년 사이2014 20% . 4

에 하락한다는 가정은 다소 강한 가정으로 보일 수 있다 하지만20% . ,

태양 설치시장에서 실제로 기업의 설치단가인 만원보다 800 20%

렴한 만원에 가 태양 제품이 설치되고 있는 실을 감550~600

안하면 그리 무리한 가정이 아닌 것을 알 수 있다 따라서 본 분석의 .

결과는 년과 년의 발 단가를 비교하는 의미도 있지만2014 2017 , 2014년

재의 고가와 가의 태양 발 단가의 비교로 해석할 수도 있다.

장 태양 경 4 ･ 85

테슬라는 최근에 년까지 리튬이온 지 공장 기가팩토리2017 ‘ (Giga

를 건설한다는 계획을 발표하 으며 최종 으로 네바다 주를 factory)’ ,

입지로 확정하 다 테슬라의 발표에 따르면 년 (Etnews, 2014). , 2017

기가팩토리가 공되면 규모의 경제에 따라 배터리의 가격이 약 30%

정도 하락할 망이다 본 연구에서는 이에 따라 년에 배터리 설. 2017

치단가가 년 비 하락할 것으로 가정하 다 유틸리티 규2014 30% .

모의 태양 발 설비와 크게 차이나는 부분은 운 유지비와 일

조시간이다 유틸리티 규모는 이를 각각 설치비의 와 시간을 . 1% 3.6

용한다 하지만 가정용의 경우는 운 유지비는 다소 높은 를 . 2%

용하며 일조시간은 다소 낮은 시간을 용하 다, 3.3 .

다음 에서는 앞에서 기술한 방법론과 가정 제치를 활용하여

산정한 유틸리티 규모 태양 풍력 발 의 와 여기에 LCOE BESS

를 장착한 시스템의 결과를 정리하 다 한 가정용 태양LCOE .

의 도 제시하 다+BESS LCOE .

가격 단가( ) 비고

태양

설치비 에 만원3kW 800 시장 가격

만 만원의 최고치700 ~800

DC-AC 환율

0.77 제치NREL

수명 년22 최고 기술의 경우 년25

성능 하율 0.7%

일조시간 시간3.3 발 소 은 시간 용3.6

운 유지비/ 태양 설치비 2%발 소 은 용 인버터 1% (

교체 포함)

배터리

설치비 $300/kWh테슬라 기술 용($200~$300

최고치)

수명 년10

배터리 규모

일일 력소비 비 76.9%

자료Barclays(2014)

< 4-3 단가 추 한 주 가 치>

86

틸리티 규모 태양 풍력 경 3. ･

가 단순 . LCOE

본 소 에서는 계통안정성을 고려했을 때와 고려하지 않았을 때의

변동 재생에 지의 발 단가를 비교하고 한 다른 통 발 원,

의 발 단가와의 비교를 해 앞에서 기술한 방법론으로 태양 과 풍

력 발 설비의 단순 를 산정하 다 분석 결과는 표 LCOE . < 4-4 와 >

그림 [ 4-6 에 요약하여 정리하 다] .

먼 태양 의 단순 즉 발 단가는 원 으로, +ESS LCOE, 261.7 /kWh ,

통 발 원에 비해 높게 나타났으며 년 평균 인 원, 2013 SMP 152.1

에 비해서도 높게 나타난다 를 추가함으로써 총건설비가 /kWh . ESS

백만 원에서 백만 원으로 상승하는 반면 단순 57,320 60,320 5.2% ,

는 원 에서 원 으로 상승한다 를 LCOE 221.8 /kWh 277.2 /kWh 8.0% . ESS

추가할 경우 건설비 상승분보다 발 단가의 상승률이 더 높은 주된

이유는 발 설비의 증설은 없는 반면 오히려 배터리를 거쳐 나가는 ,

발 량에 해 정도에 달하는 의 충 방 기 손실률로 15% ESS

인해 매 량이 어들기 때문이다 태양 만 단독으로 설치할 . 20MW

경우 첫해의 상 연간 발 량은 이며 여기에 를 장착26.3GWh , ESS

할 경우 매 을 할 수 있는 발 량은 로 감소한다25.8GWh 1.8% .

장 태양 경 4 ･ 87

이용률

(%)총건설비백만원( )

단순 LCOE원( /kWh)

비고

태양 15 57,320 242.3

태양 +ESS 15 60,320 261.7

풍력 23.1 49,880 153.9

풍력+ESS 23.1 52,880 167.4

석탄화력 80 - 62.32

가스터빈(800) 80 - 119.57

원자력 80 - 46.86

SMP1 - -152.1 년 평균’13

147.9 년 월 평균’14 1~7

자료: 신재생을 제외한 통 발 원의 자료는 제 차 력수 기본계획 의 자료로“ 6 ” ,

자료에서 재인용하 다 는 력거래소 력시장운Pak et al.(2014) . 1. SMP “

실 각호의 자료를 참조하 음” .

< 4-4 태양 단순 결과 비> LCOE ･

그림 태양 과 통 원 단순 비[ 4-6] LCOE ･

88

풍력 의 발 단가는 원 으로 가스터빈 발 기에 비해 +ESS 167.4 /kWh ,

높게 나타난다 풍력만 설치할 경우의 발 단가는 원 으로 . 153.9 /kWh

년 평균 인 원 보다 약간 높게 나타나 거의 그리드2013 SMP 152.1 /kWh

패리티에 근 해 있는 것으로 났다 여기에 를 설치하면 발 단가. ESS

가 보다 더 높아져 경제성이 다소 부족해진다 풍력 한 를 SMP . ESS

추가함으로써 총건설비가 백만 원에서 백만 원으로 49,880 52,880

상승하는 반면 발 단가는 상승한다 풍력 발 도 를 6.0% , 8.8% . ESS

추가할 경우 건설비 상승분보다 발 단가의 상승률이 더 높은 주된

이유는 발 설비의 증설은 없는 반면 오히려 배터리를 거쳐 나가는 ,

발 량에 해 정도에 달하는 의 충 방 기 손실률로 15% ESS

인해 매 량이 어들기 때문이다 풍력 만 단독으로 설치할 . 20MW

경우 첫해의 상 연간 발 량은 이며 여기에 를 장착40.5GWh , ESS

할 경우 매 을 할 수 있는 발 량은 로 감소한다39.5GWh 1.8% .

계통안정성 측면에서 태양 이나 풍력 발 시스템에 를 장착BESS

하면 석탄화력 가스터빈 원자력에 가까운 수 으로 보완할 수 있,

다 이 시스템들의 총 비용을 각각 비교하면 태양 는 원. +BESS 261.7

풍력 는 원 으로 석탄화력 원 가스터/kWh, +BESS 167.4 /kWh , 62.3 /kWh,

빈 원 원자력 원 등 통 발 원들 보다 상119.6 /kWh 46.9 /kWh

당히 높은 것을 알 수 있다.

하지만 태양 이나 풍력 발 시스템의 출력을 보완하는 주 수조,

정용의 안으로서 비용과 통 원의 발 비력 간 비용BESS

을 비교하면 다소 다른 결과를 얻게 된다 를 태양 풍력 . BESS

발 설비의 출력 변동을 완화하기 한 용도로 활용할 경우 를 , BESS

장착하지 않았을 때보다 당 비용이 각각 원과 원 상승kWh 19.4 13.5

장 태양 경 4 ･ 89

한다30) 이는 제 장에서 변동 재생에 지 출력 변동의 를 보상. 3 10%

하기 한 의 비용이라고 할 수 있다 를 장착하지 않는다BESS . BESS

면 출력 변동을 완화하기 해 석탄화력이나 가스터빈 등의 비력

발 원이 백업을 해야 하며 그 경우 당 석탄화력은 원이 가, kWh 62.2 ,

스터빈은 원의 비용이 소요된다 이러한 에서 보면 출력보119.6 . ,

상용의 경우 가 석탄화력이나 가스 터빈보다 비용이 게 드는 BESS

안임을 알 수 있으며 특히 풍력의 경우는 더욱 렴하다 압 안, .

정화 측면에서 장착에 따른 설치비용의 체라는 추가BESS SVC

인 효과까지 고려한다면 가스 터빈 뿐만 아니라 석탄화력 등의 비

력 발 원의 백업보다 더 경제 인 기술 안인 것으로 평가된다31).

나 사업성 . LCOE

이번 소 에서는 유틸리티 규모의 변동 재생에 지 로젝트 개

발자의 입장에서 경제성 즉 사업성을 평가하 다 표 , . < 4-5 에 정리한 >

바와 같이 로젝트의 재원 구성은 자기자본 부채비율 를 , 30%, 70%

가정하 다 부채 조건은 이자율에 년 상환으로 하 으며 법. 5.0% 15 ,

인세는 를 가정하 다22% .

30) 변동 재생에 지의 잉여 력을 충 했다가 첨두부하 시에 방 하는 용도로

를 활용할 경우는 그 지 않았을 때 보다 비용이 훨씬 더 높게 상승할 것으BESS

로 보인다 의 당 설치단가가 태양 이나 풍력의 당 설치단가의 반 . BESS kW kW

정도임을 감안하더라도 이러한 용도로 활용하기 해서는 용량의 가 요구, BESS

되며 이에 따른 충 방 기 손실에 따른 력 손실도 많아지기 때문, 임.

31) 본 비교는 개별 인 태양 풍력 발 시스템의 에서 를 활용하는 BESS

안과 기존에 설치되어 있는 통 원의 주 수조정용 발 비력을 활용하

는 안을 비교한 결과임 보다 포 인 결과를 얻기 해서는 체 시스템 차.

원의 근이 필요하며 체 변동 재생에 지 설비용량 증가를 보완하기 해 ,

추가 건설이 필요한 통 원의 규모 경제성의 분석이 필요함 하지만. , 시

스템 차원의 근은 본 연구의 범 밖이며 향후 추가 인 연구가 필요한 부분, 임.

90

구분 가정 비고

부채비율 70%

부채조건 년 상환 이자율 15 , 5%

법인세 22%

자기자본비용 10%

< 4-5 사업 주 가> LCOE

사업성 분석 결과를 표 LCOE < 4-6 와 그림 > [ 4-7 에 요약하여 정리]

하 다 로젝트 개발자의 손익 분기 을 기 으로 분석한 결과 태. ,

양 의 경우 태양 이 사업성을 갖기 해서는 력 가격이 최, +ESS

소 원 이 되어야 한다 즉 발 단가 단순 인 원286.2 /kWh . ( LCOE) 261.7

보다 높아야 한다는 의미이다 태양 만 단독으로 설치할 /kWh 9.4% .

경우와 를 추가할 때의 사업성을 비교해 보면 단독으로 설치할 ESS ,

때는 력 가격이 최소 원 이면 사업성이 확보되는 반면265.4 /kWh ,

를 추가하면 이보다 최소 높아져야 사업성이 확보된다 즉ESS 7.8% . ,

를 추가하면 사업성을 확보하기 해서 매 가격이 최소 는 ESS 7.8%

높아져야 한다는 의미이다.

풍력의 경우 풍력 이 사업성을 갖기 해서는 력 가격 사업, +ESS (

성 이 최소한 원 이 되어야 한다 즉 발 단가 단순 LCOE) 181.8 /kWh . , (

인 원 보다 최소한 는 높아야 한다는 의미다 풍LCOE) 167.4 /kWh 8.6% .

력만 단독으로 설치할 경우와 를 추가할 경우의 사업성을 비교해 ESS

보면 단독으로 설치할 경우는 력 가격이 최소 원 이상이, 167.4 /kWh

어야 사업성이 확보되지만 여기에 를 추가하면 사업성을 확보하, ESS

기 해서는 력 가격이 원 으로 높아져야 한다181.8 /kWh 8.6% .

장 태양 경 4 ･ 91

를 태양 풍력 발 설비의 출력보상용으로 활용할 BESS 10%

경우 그 지 않았을 때에 비해 사업성 가 태양 은 당 LCOE kWh

원 풍력은 원 상승한다 개발자의 입장에서도 단순 와 20.8 , 14.4 . LCOE

마찬가지로 가 가스 터빈 뿐만 아니라 석탄화력 등의 비력 발BESS

원의 백업보다 더 경제 인 기술 안임을 알 수 있다.

단순 LCOE원( /kWh)

사업성 LCOE원( /kWh)

비고

태양 242.3 265.4

태양 +ESS 261.7 286.2

풍력 153.9 167.4

풍력+ESS 167.4 181.8

SMP -152.1 년 평균’13

147.9 년 월 평균’14 1~7

< 4-6 태양 사업 결과 비> LCOE ･

그림 태양 사업 결과 비 [ 4-7] LCOE ･

92

다 민감도 분석을 통한 의 경제적 효과 분석. BESS

표 < 4-7 에는 의 비 이 로 변화함에 따> BESS 0%, 5%, 10%, 15%

른 태양 의 발 단가와 사업성의 변화를 정리하 다 의 비. BESS

이 에서 로 늘어나면 발 단가는 원 즉 높아진0% 5% 9.6 /kWh, 3.96%

다 비 이 에서 로 늘어날 경우는 발 단가가 일 때에 비. 5% 10% 5%

해 원 높아지며 다음 구간인 에서는 원 높아진9.8 /kWh , 15% 9.9 /kWh

다 반면 투자비는 구간마다 억원 씩 동일하게 증가한. , BESS 15 /MWh

다 의 비 이 높아짐에 따라 충 방 기 에 손실되는 발. BESS

량의 비 이 높아지기 때문에 발 단가가 구간마다 선형 으로 증

가하지 않고 비선형 으로 증가한다 즉 발 량의 증가량이 구간마다 .

증가한다.

비 BESS 단순 LCOE원( /kWh)

사업성 LCOE원( /kWh)

총 투자비억원(10 )

투자비BESS 억원(10 )

0% 242.3 265.4 57.3 -

5%251.9

(3.96%)275.7

(3.88%)58.8

(2.62%)1.5

10%261.7

(7.99%)286.2

(7.84%)60.3

(5.23%)3.0

15%271.6

(12.09%)296.9

(11.86%)61.8

(7.85%)4.5

표주 안의 숫자는 비 비 증가율을 나타냄: ( ) BESS 0% .

< 4-7 비 별 태양 비> BESS LCOE

발 단가 증가와 총 투자비 증가 간에 계를 보면 의 비 이 , BESS

에서 로 높아짐에 따라 총 투자비는 만 높아지는 반면 발0% 5% 2.62%

단가는 높아진다 즉 투자비 증가율 비 발 단가 증가율3.96% . ,

장 태양 경 4 ･ 93

은 배 높다 의 비 이 에서는 두 가지 증가율의 차이가 1.51 . BESS 10%

배로 높아지며 의 비 이 에서는 그 차이가 배가 1.53 , BESS 15% 1.54

된다 사업성을 확보하기 한 최소 력가격 한 발 단가와 비슷한 .

경향을 보인다 여기서 알 수 있는 것은 크게 세 가지다 첫째 태양 . . ,

발 설비에 한 투자 규모가 증가하는 경우 발 단가는 크게 변하지

않지만 그 발 설비에 를 추가하여 투자할 경우는 발 단가가 , BESS

높아진다는 이다 둘째 의 투자 규모가 높아질수록 발 단가. , BESS

의 증가분이 높아진다는 이다 셋째 투자규모의 증가율 비 발. ,

단가의 증가율이 약 배 이상 높다는 이다1.5 .

에서는 의 충 방 기 손실률을 로 가정하여 분석BESS 15%

하 다 표 . < 4-8 에는 의 충 방 기 손실률 > BESS 15%, 20%,

에 한 발 단가와 운 첫해의 발 량을 정리하 다 손실률이 25% .

인 경우 비 을 로 설치하면 발 량은 에서 15% , BESS 15% 26.3GWh

로 하락한다 손실률이 인 경우는 비 을 25.6GWh 2.6% . 20% BESS

로 설치하면 발 량은 에서 로 하락하며15% 26.3GWh 25.4GWh 3.5% ,

손실률이 인 경우는 로 하락한다25% 25.1GWh 4.4% .

이에 따라서 발 단가도 변하는데 손실률이 인 경우 의 , 15% , BESS

비 을 로 설치하면 발 단가는 원 에서 원15% 242.3 /kWh 271.6 /kWh

으로 높아진다 손실률이 인 경우는 비 을 로 12.1% . 20% BESS 15%

설치하면 발 단가는 원 에서 원 으로 높아242.3 /kWh 274.1 /kWh 13.1%

지며 손실률이 인 경우는 원 으로 높아진다, 25% 276.7 /kWh 14.2% .

손실률이 인 경우 의 비 을 로 높임으로써 투자비 15% , BESS 15%

증가율 비 발 단가 증가율은 배 높았었다 손실률이 인 경1.54 . 25%

우는 의 비 을 로 높임으로써 투자비 증가율 비 발 단BESS 15%

가 증가율은 배로 더 높아진다1.80 .

94

비 BESS

15% 20% 25%

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

0% 242.3 26,280 242.3 26,280 242.3 26,280

5%251.9(9.6)

26,048252.7(10.3)

25,971253.4(11.1)

25,894

10%261.7(9.8)

25,816263.3(10.6)

25,662264.9(11.4)

25,507

15%271.6(9.9)

25,584274.1(10.8)

25,352276.7(11.8)

25,121

표주 안의 숫자는 비 증가함에 따라 각 비용별 증가액을 나타냄: ( ) 5% .

< 4-8 실률별 태양 단순 비> BESS LCOE

표 < 4-9 에는 의 비 이 로 변화함에 따> BESS 0%, 5%, 10%, 15%

른 풍력의 발 단가와 사업성의 변화를 정리하 다 의 비 이 . BESS

에서 로 늘어나면 발 단가는 원 즉 높아진다0% 5% 6.7 /kWh, 4.34% .

비 이 에서 로 늘어날 경우는 발 단가가 일 때에 비해 5% 10% 5%

원 높아지며 다음 구간인 에서는 원 높아진다6.8 /kWh , 15% 6.9 /kWh .

반면 투자비는 구간마다 억원 씩 동일하게 증가한다, BESS 15 /MWh .

태양 의 경우와 마찬가지로 의 비 이 높아짐에 따라 충 방 , BESS

기 에 손실되는 발 량의 비 이 높아지기 때문에 발 단가가

구간마다 선형 으로 증가하지 않고 비선형 으로 증가한다 즉 발. ,

량의 증가량이 구간마다 증가한다.

장 태양 경 4 ･ 95

비 BESS 단순 LCOE원( /kWh)

사업성 LCOE원( /kWh)

총 투자비억원(10 )

투자비BESS 억원(10 )

0% 153.9 167.4 49.9 -

5%160.6

(4.34%)174.5

(4.27%)51.4

(3.01%)1.5

10%167.4

(8.76%)181.8

(8.62%)52.9

(6.01%)3.0

15%174.3

(13.26%)189.2

(13.05%)54.4

(9.02%)4.5

표주 안의 숫자는 비 비 증가율을 나타냄: ( ) BESS 0% .

< 4-9 비 별 비> BESS LCOE

발 단가 증가와 총 투자비 증가 간에 계를 보면 의 비 이 , BESS

에서 로 높아짐에 따라 총 투자비는 만 높아지는 반면 발0% 5% 3.01%

단가는 높아진다 즉 투자비 증가율 비 발 단가 증가율4.27% . ,

은 배 높다 의 비 이 에서는 두 가지 증가율의 차이가 1.44 . BESS 10%

배로 높아지며 의 비 이 에서는 그 차이가 배가 1.46 , BESS 15% 1.47

된다 사업성을 확보하기 한 최소 력가격 한 발 단가와 비슷한 .

경향을 보인다 태양 과 마찬가지로 풍력도 세 가지를 알 수 있다. .

첫째 풍력 발 설비에 한 투자 규모가 증가하는 경우 발 단가는 ,

크게 변하지 않지만 그 발 설비에 를 추가하여 투자할 경우는 , BESS

발 단가가 높아진다는 이다 둘째 의 투자 규모가 높아질수. , BESS

록 발 단가의 증가분이 높아진다는 이다 셋째 투자규모의 증가율 . ,

비 발 단가의 증가율이 약 배 이상 높다는 이다1.4

에서는 의 충 방 기 손실률을 로 가정하여 분석BESS 15%

하 다 표 . < 4-10 에는 의 충 방 기 손실률 > BESS 15%, 20%,

에 한 발 단가와 운 첫해의 발 량을 정리하 다 손실률이 25% .

96

인 경우 비 을 로 설치하면 발 량은 에서 15% , BESS 15% 40.5GWh

로 하락한다 손실률이 인 경우는 비 을 39.5GWh 2.6% . 20% BESS

로 설치하면 발 량은 에서 로 하락하며15% 40.5GWh 39.1GWh 3.5% ,

손실률이 인 경우는 로 하락한다25% 38.7GWh 4.4% .

이에 따라서 발 단가도 변하는데 손실률이 인 경우 의 , 15% , BESS

비 을 로 설치하면 발 단가는 원 에서 원15% 153.9 /kWh 174.3 /kWh

으로 높아진다 손실률이 인 경우는 비 을 로 13.3% . 20% BESS 15%

설치하면 발 단가는 원 에서 원 으로 높아153.9 /kWh 175.9 /kWh 14.3%

지며 손실률이 인 경우는 원 으로 높아진다, 25% 177.5 /kWh 15.3% .

손실률이 인 경우 의 비 을 로 높임으로써 투자비 15% , BESS 15%

증가율 비 발 단가 증가율은 배 높았었다 손실률이 인 경1.47 . 25%

우는 의 비 을 로 높임으로써 투자비 증가율 비 발 단BESS 15%

가 증가율은 배로 더 높아진다1.70 .

비 BESS

15% 20% 25%

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

단순 LCOE원( /kWh)

발 량(MWh)

0% 153.9 40,524 153.9 40,524 153.9 40,524

5%160.6(6.7)

40,166161.1(7.2)

40,047161.6(7.6)

39,928

10%167.4(6.8)

39,809168.4(7.3)

39,570169.4(7.9)

39,332

15%174.3(6.9)

39,451175.9(7.5)

39,094177.5(8.1)

38,736

표주 안의 숫자는 비 증가함에 따라 각 비용별 증가액을 나타냄: ( ) 5% .

< 4-10 실률별 단순 비> BESS LCOE

장 태양 경 4 ･ 97

충 방 기 손실률 를 가정했을 때 를 태양 풍15% BESS

력 발 설비의 출력보상용으로 활용할 경우 그 지 않았을 때15%

에 비해 당 비용 단순 은 태양 은 당 원 풍력은 kWh ( LCOE) kWh 29.3 ,

원 상승한다 이 경우도 가 가스 터빈 뿐만 아니라 석탄화20.4 . BESS

력 등의 비력 발 원의 백업보다 더 경제 인 기술 안임을 알 수

있다.

출력보상용의 비용이 가스 터빈의 비용과 비슷해지는 의 비BESS

발 설비 비 은 태양 비 약 일 때이며 풍력 비 약 ( ) 56% , 78%

일 때이다 석탄화력의 비용과 비슷해지는 의 비 은 태양 . BESS

비 약 풍력 비로는 약 정도이다 즉 가 출력보상용31%, 43% . , BESS

으로 활용될 때 태양 보다는 풍력 발 설비에 장착될 때 더 높은 비

까지 경제성 있는 안이 될 수 있음을 알 수 있다.

라 의 계통 편익을 고려한 경제성 분석. BESS

의 에서 검토한 바와 같이 태양 이나 풍력 발 설비에 , BESS

를 장착함으로써 발 단가가 일정 부분 상승하는 것을 알 수 있었다.

하지만 의 분석에서는 가 변동 재생에 지의 출력 변동을 , BESS

완화하여 발생하는 주 수 조정 효과나 압 안정화 효과에 한 편

익은 반 되지 않았다 개발자의 입장에서 이를 실질 인 사업의 .

흐름에 직 반 할 수 없는 성격의 항목이기 때문이다.

반면 체 계통운 차원에서는 를 장착하지 않는다면 주, BESS

수 조정용 발 기를 별도로 운 한다든지 압 안정화를 한 장치를

별도로 설치해야 하는 비용이 발생한다 는 이러한 비용을 체. BESS

함으로써 간 인 편익이 발생한다 국가 체의 에서나 계통운.

98

자의 입장에서는 정책 수립에 이러한 편익을 반 하는 것이 필요하다.

본 에서는 의 기능 주 수 조정 기능에 한 편익을 반BESS

하여 발 단가를 산출하 다.

변동 재생에 지에 장착하는 는 재 석탄화력이 담당하고 BESS

있는 주 수추종용 비력의 일부를 체할 수 있다 즉 의 경. , BESS

제 편익은 감소되는 주 수추종용 석탄화력 발 량의 경제 가치

라고 할 수 있다 체되는 석탄화력 발 량에 석탄발 의 정산단가.

(2 년 자료를 기 인 원 을 용하여 이를 산출할 수 있013 ) 58.85 /kWh 다.

노 석 외 는 주 수추종용 의 경제 편익을 산출하는 (2014) BESS

다른 방법을 제시하고 있다 재 석탄화력이 담당하고 있는 주.

수추종 비력의 일부를 변동 재생에 지에 장착하는 가 체BESS

를 하면 비력에서 자유로워지는 석탄화력의 발 비 만큼을 일반

발 용으로 용할 수 있다 그 게 되면 발 비용이 높은 발. LNG

기의 가동을 이는 효과가 있다 즉 의 경제 편익은 발. , BESS LNG

비용과 석탄화력의 발 비용 간의 차이라고 할 수 있다 년 자. 2013

료를 기 으로 할 때 발 의 정산단가는 원 으로 석LNG 160.75 /kWh ,

탄화력 정산단가와의 차이인 원이 출력조정용으로 를 통101.91 BESS

해 나간 발 량에 한 당 편익이라 할 수 있다kWh 32).

앞의 분석 결과에 따르면 태양 발 설비에서 가 , +ESS(10%) BESS

출력변동으로 활용한 발 량은 첫해에 다 이 발 량에 2,628MWh .

32) 한국 력공사 경제경 연구원 은 송배 연계형 실증사업의 편익 항목(2012) ESS

으로 신재생이용률 향상 편익 력수요 리 회피비용 편익 에 지비용 편익 정, , ,

회피 편익 보조서비스 편익 송배 설비투자 회피 편익 부가가치 편익 등을 , , ,

포함하고 있음 이 송배 설비 투자비와 통 발 설비 투자비를 회피하는 .

설비회피비용 편익의 산정 결과 복합의 경우는 원 유연탄의 경, LNG 110.9 /kWh, 우

는 원 로 나타났음 본 연구에서는 채택한 항목은 경제경 연구원43.3 /kWh . (2012)

의 편익 항목 설비회피비용 편익과 유사하며 그 결과도 비슷함을 알 수 있음, .

장 태양 경 4 ･ 99

석탄화력 정산단가인 원 이나 와 석탄화력 정산단가의 58.85 /kWh LNG

차이인 원 의 편익을 용하면 총 편익은 각각 약 백101.91 /kWh 154.6

만 원과 백만 원이 된다 발 소의 생애주기 동안 매년 이런 편267.8 .

익이 발생하며 앞의 분석에 이 편익을 반 하여 이 를 , LCOE( LCOE

계통 라 칭한다 를 산정하면 각각 원 과 원“ LCOE” ) 254.0 /kWh 248.3

이 된다 두 가지의 를 구분하기 해 자를 계통 /kWh . LCOE

후자는 계통 라 칭한다LCOE(1), LCOE(2) .

태양 단독의 발 단가와 태양 발 단가 그리고 태양+ESS ,

의 계통 편익을 고려한 를 비교하면 아래 그림 +ESS LCOE [ 4-8 과 같]

다 태양 만 설치할 경우 발 단가는 원 이며 여기에 . 242.3 /kWh , BESS

를 장착할 경우 발 단가는 원 으로 원 이 높아진261.7 /kWh , 19.4 /kWh

다 여기에 계통 편익을 고려할 경우 발 단가 계통 의 경우. ( LCOE(2) )

는 원 으로 태양 의 발 단가보다 원 가 낮248.3 /kWh , +ESS 13.4 /kWh

아진다 태양 단독의 발 단가 비로는 원 만 높아진. 6.0 /kWh 다.

그림 태양 계통편 고 한 비[ 4-8] +ESS LCOE

단 원( : /kWh)

100

풍력 발 의 경우는 풍력 발 설비에서 가 출력변+ESS(10%) BESS

동으로 활용한 발 량은 첫해에 다 이 발 량에 석탄화4,052MWh .

력 정산단가와 와 석탄화력 정산단가의 차이를 각각 용하면 LNG

첫해의 총 편익은 각각 약 백만 원과 백만 원이 된다 태양238.4 412.9 .

발 과 같은 방법으로 이 편익을 반 하여 를 산정하면 각각 LCOE

원 과 원 이 된다159.6 /kWh 154.0 /kWh .

풍력 단독의 발 단가와 풍력 발 단가 그리고 풍력 의 +ESS , +ESS

계통 편익을 고려한 를 비교하면 아래 그림 LCOE [ 4-9 와 같다 풍력] .

만 설치할 경우 발 단가는 원 이며 여기에 를 장착할 153.9 /kWh , BESS

경우 발 단가는 원 으로 원 이 높아진다 여기에 167.4 /kWh , 13.5 /kWh .

계통 편익을 고려할 경우 발 단가 계통 경우 는 원( LCOE(2) ) 154.0

으로 풍력 의 발 단가보다 원 가 낮아진다 풍력 /kWh , +ESS 13.4 /kWh .

단독의 발 단가와 거의 같은 수 이다.

그림 계통편 고 한 비[ 4-9] +ESS LCOE

단 원( : /kWh)

장 태양 경 4 ･ 101

계통운 자가 의 출력변동 기능을 고려하여 하게 계통을 BESS

운 한다면 를 추가하더라도 계통 편익의 측면에서 국민에게 BESS

가되는 비용은 상 으로 낮다 태양 의 경우는 국민에게 가되는 .

비용이 원 이 아니라 이보다 은 원 이었으며 풍력19.4 /kWh 6.0 /kWh ,

은 추가되는 비용이 거의 없다 같은 용량의 에 해 태양 에 . BESS

부착했을 때와 풍력에 부착했을 때 효과가 차이가 나는 주요 이유는

에 한 이용률의 차이 때문이다 태양 은 이용률이 이기 BESS . 15%

때문에 최 출력 기 으로 하루 평균 시간만 가동이 되며 따라서 3.6 ,

의 이용률도 하루 평균 시간 가동된다 기 시간이 없다고 BESS 3.6 .

가정하면 충 하는 시간과 방 하는 시간이 각각 시간의 반이 3.6

된다 풍력의 이용률은 로 태양 발 설비보다 높으며 최 . 23.13% , ,

출력 기 으로 하루 평균 시간 가동된다 따라서 를 풍력에 5.6 . BESS

설치하면 태양 에 설치할 때 보다 이용률이 높고 따라서 출력 변동,

에 활용하는 발 량도 높다.

를 장착하는 변동 재생에 지 발 사업자에게 이런 계통편BESS

익이 히 보상되어야 하며 계통운 자든 어떤 주체든 간에 이러한 ,

비용을 리하는 기 에서는 계통운 시 의 기능을 고려할 필BESS

요가 있으며 한 이러한 편익이 발 사업자에게 달될 수 있도록 ,

할 필요가 있다.

가 용 태양 경 4.

그림 [ 4-10 에는 제 에서 기술한 방법론과 모수를 활용하여 산정] 2

한 가정용 태양 시스템의 단순 즉 발 단가를 요약하+ESS LCOE,

여 정리하 다 본 분석에서는 발 단가를 가정용 소비자의 단 력.

102

요 과 비교하여 월 소비 력량 기 으로 어느 정도의 다소비 가구가

그리드패리티에 도달하 는지 알아보았다 분석 상 가구는 주택용 .

고객 단독주택 종합계약 의 압용 고객 총 만 가구APT 1,678.2

를 상으로 하 다 한 주요 도서의 력 공 비용과 비교하여 비.

용 측면에서 그리드패리티를 비교 분석하 다.

분석 결과 태양 만 설치할 경우 발 단가는 원 으로 단, 198 /kWh ,

력요 이 원 인 월 소비가구 이상이 경제성이 있207 /kWh 401kWh/

는 것으로 나타났다 경제성이 있는 상 가구는 년에 총 . 2014 1,678.2

만 가구의 약 인 만 가구이며 이 태양 을 설치할 수 있7% 118.2 ,

는 최 가구수는 체 가구의 인 만 가구로 추산되었다4.7% 79.3 .

그림 가 용 태양 경 [ 4-10] +ESS

장 태양 경 4 ･ 103

태양 에 를 장착하면 경제성은 다소 낮아지지만 그래도 그리ESS

드패리티에 도달한 가구들이 존재한다 년에 총 만 가구의 . 2014 1,678.2

약 인 만 가구가 태양 의 경제성이 있는 것으로 추산1.4% 33.5 +ESS

되며 제주도를 제외한 부분의 도서지역은 이미 경제성이 있는 것으,

로 나타났다.

월 소비가구의 단 력요 과 태양 의 발 단가가 501kWh/ +ESS

비슷한 수 이며 월 이상 소비하는 가구는 년 기 , 500kWh/ 2013

만 가구이다 태양 의 발 단가는 원33.5 . +ESS 267.3 /kWh33)으로,

월 소비가구의 단 력요 원 과 비슷한 수 이501kWh/ 274.4 /kWh

다 에 지경제연구원 의 년 에 지총조사 보고서 에 따. (2012) 2011⌜ ⌟

르면 월 소비가구는 평균 소득 백만 원월 거주 공간 , 500kWh/ 3~4 / ,

평 가구원수 인인 가구가 주를 이룬다 만 가구 에 단독30~39 , 5 . 33.5

주택에 거주하는 가구와 아 트에 거주하는 가구로 나 어 태양 을 설

치할 수 있는 가구수를 추산34)한 결과 최 만 가구가 산출되었다22.4 .

만 가구가 태양 설치할 경우 부지의 제약이 없다면 약 22.4 +ESS ,

총 의 보 이 가능한 것으로 추산1,945MW 35)되나 부지의 제약을 고,

33) 본 는 와 같이 할인율과 융비용이 같다는 가정 하에 산 LCOE Barclays(2014)

정된 수치임 이러한 가정 없이 할인율 를 가정하여 앞 의 유틸리티 규. 5.5%

모의 발 설비의 산정 방식을 용하면 태양 의 발 단가는 LCOE +ESS 298.2

원 가 됨 태양 단독의 발 단가 한 다소 상승함/kWh . .

34) 한국 력공사 의 자료에 따르면 년 말 기 거주 형태별로 체 가 (2014) , 2013

구 단독주택의 비 은 이며 아 트는 이었음 만 가구를 이 64.7% , 35.3% . 33.4

비 에 따라 분리하고 단독주택의 모든 가구는 태양 을 설치 할 수 있는 것,

으로 가정하 음 나머지 아 트 거주 가구에 해서는 옥상에만 설치할 수 있. ,

는 것으로 가정하 음 국토해양부의 보도자료 에 따르면 우리나라의 아. (2011)

트 평균 층수는 층임 즉 체 아 트 거주 가구 가 맨 층에 사는 15 . , 1/15

것으로 가정하여 이를 아 트 거주 가구 태양 을 설치할 수 있는 가구로

산정하 음 아래에서도 동일한 방법을 용하여 각각의 경우에 한 태양 .

설치 가능 최 가구를 산정하 음 지리 물리 여건을 감안하면 실질.

으로 설치가 가능한 가구는 이보다 낮을 것임을 밝 둠.

104

려하면 약 보 이 가능한 것으로 추산674MW 36)된다 각 가정이 력.

을 자립할 수 있는 용량의 가정용 태양 설치를 유도할 수 있+ESS

도록 부지 확보에 한 책 마련이 필요하다.

태양 의 발 단가는 제주도의 력 정산단가인 원 보+ESS 249 /kWh

다 높으며 력요 이 실화될 경우 그리드패리티의 달성이 곧 7% ,

가시화될 것으로 보인다 울릉도 덕 도 도 추자도 등 도서지역의 . , , ,

경우 화석연료의 발 단가보다 격히 낮아 이미 그리드패리티에 도

달하 다.

년에는 총 만 가구의 약 인 만 가구에 경제성2017 1,678.2 7% 118.2

이 있을 것으로 기 되며 력요 이 실화될 경우 상 가구는 더,

욱 확 가능하다 년까지 태양 설치비용 배터리 단가 . 2017 20%,

하락 가정 시 태양 의 발 단가는 원30% , +ESS 206.9 /kWh37)으로,

월 소비가구의 단 력요 원 과 비슷한 수 이다401kWh/ 207 /kWh .

년 기 월 이상 소비가구는 만 가구로 총 가구의 2013 400kWh/ 118.2 ,

수 이다 에 지경제연구원 에 따르면 월 소비가7% . (2012) , 400kWh/

구는 평균 소득 백만 원월 거주 공간 평 가구원수 인인 2~3 / , 20~29 , 4

가구가 주를 이룬다 만 가구 에 태양 을 설치할 수 있는 최. 118.2

35) 월 이상을 소비하는 각 가구의 력 자립을 제로 한 각 가정의 태양300kWh/

설비용량은 이다 여기서 월 이상 사용가구의 설치 용3.9kW~13.1kW . 500kWh/

량은 해당 구간의 표 용량을 기 으로 하 으며 표 용량은 해당 구간의 하,

백분 에 해당하는 용하여 체 보 가능 용량을 추산하 음33 8.7kW .

36) 부지의 제약을 고려한 총 설비용량의 계산에서 가구당 태양 의 단 설치용량

은 태양 여사업의 주요 보 형 용량인 을 기 으로 하 으며 이를 기3kW ,

으로 총 보 가능 용량을 추산하 음 가정용 태양 의 기 설치면. 1kW

은 약 25m2 약 평 임( 7.6 ) .

37) 본 한 와 같이 할인율과 융비용이 같다는 가정 하에 LCOE Barclays(2014)

산정된 수치임 이러한 가정 없이 할인율 를 가정하여 앞 의 유틸리티 . 5.5%

규모의 발 설비의 산정 방식을 용하면 태양 의 발 단가는 LCOE +ESS

원 가 됨 태양 단독의 발 단가 한 다소 상승함230.8 /kWh . .

장 태양 경 4 ･ 105

가구수는 체 가구의 인 만 가구로 추산되었다 만 가4.7% 79.3 . 79.3

구가 태양 설치할 경우 부지의 제약이 없다면 약 최 +ESS ,

의 보 이 가능한 것으로 추산3,239MW 38)되나 부지의 제약을 고려,

하면 약 보 이 가능하다2,378MW .

태양 만 설치할 경우 발 단가는 원 으로 단 력요158.5 /kWh ,

이 원 인 월 이상 소비가구가 경제성이 있을 것으158.6 /kWh 304kWh/

로 분석되었다 상 가구는 총 만 가구로 체 가구의 약 . 376.9 22%

에 해당한다 이 태양 을 설치할 수 있는 최 가구수는 총 . 242.7

만 가구로 체 가구의 약 에 해당한다, 15.1% .

제주도의 경우 력 정산단가인 원 의 수 으로 력, 249 /kWh 83% ,

요 이 실화될 경우 정부의 지원 정책 없이도 보 이 가속화 될 수

있다 년에 가정용 력요 이 인상될 경우 태양 발. 2017 10% +ESS

설비는 월 이상 소비가구를 상으로 그리드패리티에 도달373kWh/

할 수 있을 것으로 망된다 력요 이 인상될 경우는 . 20%

월 소비가구 인상될 경우는 월 소비가구가 그333kWh/ , 30% 306kWh/

리드패리티에 도달할 수 있을 것으로 측되었다.

38) 월 사용가구의 표 용량은 해당 구간의 하 백분 에 해당 400~500kWh/ 33

하는 을 용하여 추산하 음5.7kW .

장 책 시사 5 107

장 책 시사5

태양 과 풍력 발 과 같은 변동 재생에 지는 출력이 기상

기후의 변화에 따라 시시각각 변하는 특성과 출력 변동을 사 에 정

확하게 측하기가 어려운 특성으로 인해 력시스템의 안정성에

향을 미친다 본 연구에서는 태양 과 풍력 발 의 출력 변동이 야기.

하는 주 수 압의 변동에 을 두고 력시스템의 안정성에

미치는 향을 검토하 고 기술 안들이 그 향을 완화하는 데 어, 느

정도의 효과가 있는지를 문헌 연구 모의실험을 통해 분석하 다.

한 기술 안들 리튬이온 지 를 상으로 하여 태양 , BESS( )

풍력 발 설비가 야기하는 출력 변동에 응하여 계통을 안정화하

기 한 가상 시스템의 경제성을 분석하 다 추가 으로 가정용 . ,

태양 에 배터리를 장착한 발 시스템의 경제성 한 분석하 다 이.

번 장에서는 앞의 분석 결과를 바탕으로 태양 과 풍력 발 설비와

같은 변동 재생에 지의 보 확 에 있어 계통안정성의 측면에서

고려해야할 시사 을 정리하 다.

틸리티 규모 태양 풍력 비에 한 시사1.

외국의 재 경험과 문헌연구를 토 로 단할 때 여러 국가에서

력시스템의 안정성을 유지하는 범 에서도 우리나라가 설정한 발

부문 년 신재생에 지 보 목표인 특히 변동 재생에2035 13.4%,

지의 비 인 이상을 무리 없이 수용하고 있는 것으로 나타났다7.5% .

의 총 개 국가들 변동 재생에 지 보 비 이 를 OECD 34 7.5%

108

상회하는 국가가 개 있으며 덴마크의 경우는 에 이른다 력8 , 33.6% .

시스템의 유연성 자원 측면에서도 최소한 의 변동 재생에 지 25%

비 을 수용할 수 있으며 아주 비 인 시나리오에서도 는 , 5~10%

수용할 수 있는 것으로 나타났다.

하지만 환 에 따르면 우리나라의 경우는 년까지 계획(2014) 2027

된 풍력 발 설비 가 계통에 연계될 때 풍력의 최 출력 감소17GW

량이 우리나라 운 비력 확보 기 보다 높은 시기가 다수 발생할

수 있는 것으로 나타났다 이 경우 계통의 주 수를 정 범 내에서 .

유지할 수 없기 때문에 계통안정성에 문제를 래할 수 있다 여기에 .

태양 발 설비까지 고려하면 문제는 보다 심각해 질 수 있다.

년 변동 재생에 지의 발 비 목표인 를 달성하기 2035 7.5%

해서는 계통안정성을 유지하기 해 필요한 수단들을 다각 으로

검토하여 종합 인 계획을 수립하고 이를 철 하게 이행해 나갈 필요

가 있다 운 비력 측면에서는 원믹스를 면 하게 검토하여 충분.

한 운 비력을 확보할 수 있는 방안을 강구할 필요가 있다 새로운 .

비력 자원의 개발과 이를 확보하기 한 노력도 필요하다 기존의 .

양수발 시스템을 가변속 양수발 시스템으로 환하는 것은 이러한

비력 자원을 일부 확보할 수 있는 방안이 될 수 있다 박민수 외( ,

한 이러한 검토를 바탕으로 재의 주 수 유지 기 을 재2014). ,

검토할 필요가 있다 이를 통하여 국내 계통의 상황에 맞는 주 수 유.

지 기 을 설정하는 것이 필요하다.

제 장에서 제시한 계통안정성 련 기술 안들의 보 도 확 해 2

나가야 한다 다양한 에 지 장장치와 부하 리 그리고 이를 통합하. ,

는 기술 컨 스마트그리드 기술의 보 확 가 요구된다 한 계, .

장 책 시사 5 109

통안정성과 련된 력시스템의 기술 운 상의 제약을 식별하

여 이를 보완해 나가는 것이 필요하며 이를 한 연구를 시 히 시작,

할 필요가 있다 아래에서는 변동 재생에 지의 보 확 에 있어 .

계통안정성의 측면에서 보 확 를 한 시사 을 도출하 다ESS .

첫째 주 수추종의 측면에서 는 계통안정성 유지에 효과가 , BESS

있으며 여기에 소요되는 비용이 가스 터빈 뿐만 아니라 석탄화력 등,

의 비력 발 원을 통한 백업의 비용보다 기 때문에 경제 인 기

술 안인 것으로 평가되었다 력시스템 체의 측면에서는 . BESS

의 보 에 의한 경제 편익이 존재하며 이러한 편익이 에 한 , BESS

정부 지원의 근거가 될 수 있다 제 장의 경제성 분석에서 가 출. 4 BESS

력 변동을 완화함으로써 얻는 계통의 편익을 고려하면 그 지 않았을

때 보다 경제성이 격히 개선되는 것을 알 수 있었으며 풍력의 경우,

는 의 비용을 부분 상쇄하는 것으로 나타났다BESS .

이러한 편익은 력 가격의 하락을 통해 소비자 후생의 향상으로

이어질 수 있다 하지만 개발자의 입장에서는 이러한 외부 편익을 내.

재화할 수 없어 비용만 높아지기 때문에 에 투자할 유인이 없다BESS .

따라서 외부 효과에 의한 시장 실패가 있고 이 때문에 이를 개발자가 ,

내재화할 수 있도록 정부의 개입이 필요한 것으로 단된다 즉 외부 . ,

편익에 해당하는 부분만큼이 개발자들에게 보 될 수 있도록 보조

등의 지원이 필요할 것으로 보인다.

둘째 풍력 발 의 경우는 외부 편익 계통 의 경우 에 해당, ( LCOE(2) )

하는 부분을 개발자에게 보상할 경우 의 투자비를 거의 부 보BESS

상할 수 있다 하지만 태양 발 의 경우는 계통편익을 내재화 하더.

라도 태양 단독의 발 단가보다 다소 높다 그 차이를 이기 해.

110

서는 의 단가 하락이 최선의 방법이다 유틸리티 규모의 산ESS . BESS

업은 아직 기 단계이며 그 간 보 확 를 통해 신재생에 지 기술,

이 경험한 격한 단가하락의 기회가 있을 수 있다.

그동안 신재생에 지 기술의 단가는 격히 하락해 왔으며 주요 요,

인은 기술개발의 효과와 격한 보 확 에 따른 규모의 경제 효과

로 알려져 있다 따라서 앞에 언 한 보조 을 통한 보 확 와 더불.

어 기술개발을 한 에 지원이 필요할 것으로 보인다 의 R&D . BESS

비용 하락에 따른 우리나라 기업의 해외 가격경쟁력 제고라는 부수

인 효과도 있을 것으로 기 된다.

셋째 최근 정부는 신재생에 지 지원 정책의 틀 내에서 에 , ESS

한 보 과 투자를 장려하고자 하는 정책 방향을 설정하 다 를 . ESS

신재생에 지공 의무화제도 에 포함하여 신재생에 지공 인증(RPS)

서 의 가 치를 부여한다는 구상이다 이러한 구체 인 정책 수(REC) .

단의 개발에 있어 실효성을 담보하기 해서는 기존 신재생에 지 설

비에 한 단 당 지원규모보다 에 한 단 당 지원의 규모가 더 ESS

커야 한다 즉 태양 이나 풍력 설비에 한 가 치보다 에 지. , REC

장장치에 한 가 치가 높아야 한다는 의미이다REC .

제 장에서 분석한 바와 같이 태양 이나 풍력은 투자 규모가 확4 ,

되면 그만큼 발 설비용량이 늘어나기 때문에 발 단가에 미치는

향이 거의 없다39) 하지만 변동 재생에 지 발 설비에 를 추. , BESS

가로 설치하는 경우에는 투자비용은 높아지는 반면 충 방 기

손실에 따라 매 할 수 있는 발 량이 감소하여 결국은 발 단가가

높아진다 특히 태양 의 경우 추가에 따른 투자규모의 . , +ESS BESS

39) 오히려 규모의 경제 효과로 인해 발 단가가 하락하여 경제성이 향상된다 .

장 책 시사 5 111

증가율 비 발 단가의 증가율이 약 배 이상 높기 때문에 태양1.5

의 가 치에 비해 의 가 치가 최소 배 이상은 높아야 REC BESS 1.5

된다는 것을 알 수 있다.

단순하게 계산했을 때 태양 에 를 추가함에 , 20MW BESS 2MWh

따라 생애주기 동안 발생하는 비용의 순 재가치를 손실되는 력량

의 순 재가치로 나 면 원 이 산출된다 한국 기연구원390.6 /kWh .

에서 수행한 신재생에 지 공 인증서 가 치 개정방안(2014) 의 태

양 가 치 개정 방안 제 안에 따르면 가 과되는 태양 의 1 , 1MW

가 치는 이다 이를 본 연구의 결과를 이용하여 해석하면 태양 0.7 . ,

발 단가 원 과 년 상반기 계통한계비용인 원242.3 /kWh 2014 147.9

과의 차이인 원 에 한 경제 손실을 보상하기 해 /kWh 94.4 /kWh

의 가 치를 주는 것이다 를 추가함에 따른 경제 손실인 0.7 . BESS

원 은 원 의 약 배이므로 의 가 치는 390.6 /kWh 94.4 /kWh 4.2 BESS 0.7

의 배인 약 정도가 되어야 함을 알 수 있다4.2 2.9 .

넷째 가 장착되는 신재생에 지원별로 에 한 지원 규, BESS BESS

모의 차별화를 고려할 필요가 있다 동일한 규모의 를 추가. BESS 10%

할 때 총 투자비 증가율과 발 단가 증가율의 차이는 태양 과 풍력

이 각각 배와 배로 다르게 나타났다 증가율의 차이가 크지 1.53 1.46 .

않은 것처럼 보이지만 각각의 발 단가 증가액은 태양 이 원, 19.7

이고 풍력은 원 으로 다소 차이가 난다 정책의 단순성 /kWh 13.5 /kWh .

측면에서 단 당 지원 규모를 단일화하는 방안도 있지만 보다 세부,

으로 경제 투자 환경을 조성하기 해서는 상이 되는 신재생에

지원별 경제성을 고려하여 차별화하는 것이 필요할 수 있다.

마지막으로 합리 인 지원의 수 을 결정하기 해서는 세부 기술,

112

들에 한 추가 인 정보의 취합과 연구가 필요하다 를 들어. ,

의 충 방 기 손실률이 발 단가에 미치는 향이 다소 BESS

높은 반면 이에 해 검증된 자료가 부족하여 합리 인 지원 수 을 ,

정하기가 어렵다 유틸리티 규모의 에 한 상업 인 활용의 역사. ESS

가 짧고 설치되어 운 된 사례도 많지 않기 때문에 아직까지는 실험,

실 규모에서 테스트를 통해 도출한 손실률에 한 자료는 일부 가용

하지만 상업 으로 검증된 데이터가 존재하지 않는다 이에 한 , .

문가의 의견도 스펙트럼이 다양하다.

손실률의 변화에 따른 경제성의 민감도를 분석한 결과 태양 의 경,

우 를 로 추가할 때 투자비 증가율 비 발 단가 증가율은 BESS 15%

손실률 을 가정하면 배인 반면 손실률이 인 경우BESS 15% 1.54 25%

는 배로 높아진다 발 단가는 각각 원 과 원1.80 . 271.6 /kWh 276.7 /kWh

으로 그 차이가 원 이다 같은 조건에서 풍력은 손실률 , 5.0 /kWh . BESS

일 때와 일 때 투자비 증가율 비 발 단가 증가율이 15% 25% 1.47

배에서 배로 높아진다 손실률 증가에 따른 실질 인 발 단가의 2.70 .

차이는 원 이다 손실률의 변화에 따라 경제성에 다소 차이를 3.2 /kWh .

보이는 것을 알 수 있으며 보다 정교한 정책 수립을 해서는 향후, ,

상업 규모에서 의 충 방 기 손실률 등 세부 사항에 BESS

한 검증된 데이터 확보가 필요하다고 할 수 있다.

가 용 태양 비에 한 시사2.

일부 력 다소비 가구의 경우 태양 단독 시스템이 이미 그리드

패리티에 도달하 고 여기에 를 장착한 시스템의 경우 경제성이 , ESS

다소 하락하지만 그리드패리티에 도달한 가구가 일부 존재한다 향후 .

장 책 시사 5 113

설치단가가 지속 으로 하락한다면 정부 지원 없이 자가 설치 확 가

가능하다 배터리를 고려하지 않을 경우 이미 많은 가구가 보조 없.

는 자가 설치 여건이 이미 조성되었다 집계는 되지 않았지만 보조 . ,

없이 태양 을 설치하는 가구가 격히 증가하는 것으로 업계는 추산

하고 있다.

부분의 력소비 가구가 력계통에 연계되어 있는 을 감안하

면 우리나라의 경우 각 가정의 입장에서는 를 장착할 경제 유인ESS

이 부족하다 하지만 체 력시스템 차원에서는 력계통의 안정성 . ,

차원에서 의 장착을 고려할 필요가 있다 최근 일본에서 태양 ESS .

발 의 비 이 격하게 증가함에 따라 력계통의 불안정성에 한

우려가 두되고 있으며 이에 따라 의 도입을 고려하는 것도 이, ESS

러한 맥락에서 이해할 수 있다 이러한 측면에서 의 보 을 가속. ESS

화하기 한 환경 조성이 필요하다.

첫째 에 지 가격체계 합리화를 통해 정부 보조 없이도 가정용 ,

태양 의 보 확 를 가속화할 수 있는 여건을 조성할 수 있다 가정.

용 력요 이 실화될 경우 태양 의 경제성이 더욱 개선되어 +ESS

그리드패리티 상 가구가 확 되는 효과가 있다 특히 력 공 비. ,

용이 높은 도서지역의 경우 력요 이 실화된다면 즉시 그리그패

리티에 도달 가능하다 제주도의 경우 추가 인 력계통망 보완 없이 .

가정용 태양 설치를 한 경제 여건이 조성될 수 있다+ESS .

둘째 단기 으로 이미 그리드패리티에 도달한 가구를 상으로 태, ,

양 보 확 를 한 정책 추진이 필요하다 그리드패리티 도+ESS .

달 가구의 경제 여건이 다양하여 소득 계층별 여건에 합하게 차,

별화된 다양한 보 비즈니스모델을 개발할 필요가 있다 를 들면. ,

114

기 설치비 부담이 낮은 계층 소득 력사용 기 설치비 부담( / ),

이 높은 계층 소득 력사용 등을 구분하여 태양 여사업의 ( / )

계약 조건을 다양화할 수 있다 즉 소득과 력사용량을 조합하여 계. ,

층별 계약 조건 계약 기간 임 료 등 이 다른 다양한 태양 여( )

사업 상품을 개발하는 것이 가능하다 재의 태양 여사업 계약 .

조건은 장기 여 약정 기간 년 월 임 료 만원 약정기간 이후 소7 ( 7 ),

비자 선택에 따라 계약 연장이 가능하다 월 임 료 만원( 3.5 ).

소득구간백만원월( / )

미만1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 이상9 총계

가구수 7 29 51 102 39 10 8 9 18 273

비 3% 11% 19% 37% 14% 4% 3% 3% 7%

< 5-1 월 상 비가 득 포 > 500kWh/

자료 에 지경제연구원: (2012)

셋째 경제성이 확보된 가구들의 보조 없이도 극 으로 자가 설,

치를 확 할 수 있는 환경 조성이 필요하다 를 들어 그리드패리티. ,

에 도달한 가구들을 주택지원 등 정부 보조 사업에서 제외하여 이들

이 자가 설치를 하도록 유도할 필요가 있으며 정부는 이를 이미 시행 ,

에 있다 월평균 력사용량을 기 으로 년에는 이상. 2013 550kWh

을 소비하는 가구를 주택지원사업의 태양 분야 보조 상자에서

제외하 다 년에는 이를 로 하향 조정하 으며 년. 2014 500kWh , 2015

에는 로 하향 조정할 정이다450kWh .

넷째 주민 수용성 제고 비 경제 인센티 강화 등의 정책을 통해 , , -

태양 자가 설치 확 를 한 친환경 문화의 조성이 필요하다 재. ,

장 책 시사 5 115

태양 설치 기업의 과다 경쟁에 따른 과 허 고로 소비자 신뢰

가 하되어 있어 태양 기기 설치에 한 부정 이미지가 있다 이.

에 해 공신력 있는 기 에서 신뢰도 높은 자료 정보를 생성하여

홍보함으로써 정확한 정보에 기반을 둔 소비자 의사결정(informed deci-

을 지원하여 태양 에 한 낮은 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다sion) .

한 가격이 다소 높아도 친환경 인 제품을 선호하는 소비자층 확,

를 한 친환경 문화를 정착할 필요가 있다 이는 그리드패리티의 한계.

에 있는 소비자의 자가 설치 유도에 효과 인 수단이 될 수 있다.

다섯째 부지 등 설치 여건이 좋은 가구를 상으로 설비용량 규모,

가 큰 태양 을 설치할 수 있도록 인센티 제공이 필요하다 일례로. ,

행 상계제도 하에서는 잉여 력의 처리에 한계가 있어 용량 설치

를 한 인센티 가 미흡하다 잉여 력이 발생할 경우 이하. 10kW

의 일반용 기설비 는 기 매사업자 한국 력 와 상계처리가 가능“ ” ( )

하지만 를 과하는 자가용 기설비 는 연간 발 량의 , 10kW “ ” 50%

범 내에서 력 매가 가능하게 되어 있다 자가용 기설비 의 잉. “ ”

여 력을 매하기 해서는 일정 비용이 발생하며 부분의 경우 잉,

여 력량이 많지 않기 때문에 매를 한 비용이 매출액보다 높아

경제 활용이 제한되어 있다 상계를 할 수 있는 용량의 범 를 확.

함으로써 태양 의 경제성을 제고하여 규모 설치를 유도할 수 있다.

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123

록

록 변동 재생에 지 압 변동 계1.

태양 발 설비 풍력발 설비 이하 분산 원으로 칭함 가 력( )

계통의 선로에 연결될 경우 그 출력으로 인하여 압변동이 발생하게

된다 그 변동에 하여 다음에 기술한다. .

부하가 없는 의 임피던스를 갖는 그림 과 같은 압배R+jX 10.7.3

선로에 분산 원만이 연결되는 경우를 상정하여 분산 원에 의한 선

로의 압변동 압상승 을 단순식으로 나타내면 아래의 식과 같다( ) .

∆

단 여기서 는 분산 원의 출력 류 는 분산 원의 운 역률각, I , θ

지상운 시 진상운 시 을 나타낸다 이 식은 분산 원의 출력 ( +, -) .

유효 무효 력인 에 한 연계 에서의 선간 압상승치 Ppu+jQpu

를 구하면 다음과 같이 구할 수 있다 단 는 분산 원 정격V [pu] . ( , I

출력 류)

124

분산 원

선로임피이던스Z = R+jX : VS

V

분산 원출력: Spu = Ppu + jQpu

역률(pf): cos θ

VG

I

그림 산 원만 연결 압 [ 1]

△

cos

sin

cos sin

×

cos sin

× cos sin

cos sin

125

압변동 선간 압상승 은 분산 원의 유효 력과 무효 력 출( ) V

력량에 의하여 조정될 수 있으며 특히 유효 력을 출력함으로써 일어,

난 압상승분은 무효 력을 흡수함으로써 진상운 상쇄될 수 있다( ) .

따라서 태양 발 설비 풍력발 설비가 력계통에 연결되어 ,

운 하게 되면 압변동이 발생하게 되어 수용가의 압을 법정유지

범 인 를 유지하기가 어렵게 된다 이에 하여 력회사의 220V±6% .

연계기 에 순시 압변동률의 허용기 을 범 로 하고 있다3% 6% .

한 분산형 원 배 계통 연계기술기( )

126

록 리튬 지 계통안 효과 시뮬레2.

태양 발 설비의 계통안정화용 차 지 력 장장치 이하 2 ( BESS

로 칭함 의 용량범 는 술의 주 수 조정용 압변동 등을 고려)

하여 태양 발 설비의 경우 그 인 1MW 10% BESS 100kW 1hr,

풍력발 설비의 경우도 그 인 로 각각 2MW 10% BESS 200kW 1hr

가상 설비를 구성하고 이에 한 모델링을 수행하여 출력 특성상에,

서 가 가져오는 계통안정성 효과를 분석하 다BESS .

태양 발 설비 의 효과분석1) + BESS

태양 발 설비 모델링

태양 발 설비의 원은 내부 항이 인 압원 1 MW 0 DC Varef,

Vbref, Vcref을 각각 상의 압으로 모델링 하고 각 설계요소는 a, b, c ,

다음과 같이 하 다.

� 인버터 출력변압기: 1MW, 180V/380V(=0.4737)

� 연계리액터 필터 압강하 즉 (L ): 15% , ×,

×÷

×

÷ ×

� 정격출력 류: max ××

� 류제어기에서의 연계리액터 와 출력변압기 를 포: 15% 5%

함하여 총 압강하에 한 수치20%

= ×× ×

≈.

127

그림 [ 2 태양 비 모 링 ] 1MW

제어기는 아래와 같이 연계 의 압 Va, Vb, Vc를 측정하여 이를

변환하고 이로부터 기 으로 추정된 연계 의 압 상Clarke , cosine

을 근간으로 측정된 출력 류 ia, ib, ic를 변환하여 태양 출력DQ

류값 id_ref1과 비교시켜 인버터의 출력기 압 Vdref1과 Vqref1을 발생시

킨다.

그림 [ 3 태양 비 출 류 어 모 링 ] 1MW

128

발생된 인버터 출력기 압 Vdref1과 Vqref1을 상하한 리미터를 걸어

서 변환을 통하여 시간 역에서의 태양 설비의 DQ - Clarke abc

인버터 출력 압 Varef, Vbref, Vcref를 발생시키도록 한다.

그림 [ 4 태양 비 출 압 어 모 링] 1MW

한편 태양 출력변동장치 의 출력인 , (Id Controller) id_ref1은 태양 발

설비의 출력이 동안 정 인 주기로 1 5%(950kW±50kW),

변동이 일어나도록 설계10%(900kW±100kW), 15%(850kW±150kW)

하 다.

모델링BESS

출력안정화장치인 는 내부 항 을 갖는 직류 압원으BESS 0.01 [ ]Ω

로 그림 [ 5 과 같이 모델링 하 고 의 연계리액터값을 갖는 ] , 0.003 [H]

것으로 하 다.

129

그림 [ 5 태양 비 출 안 장치 모 링 ] BESS

제어기 설계에 있어서는 먼 변동하는 태양 발 설비의 BESS ,

유효 력 출력 를 역필터를 통과시켜 아래 그림 PPV [ 6 에서와 같이 ]

PPVLF를 얻고 이를 태양 발 설비의 최종 출력값 , Pref로 한다 역.

필터의 차단주 수는 간의 출력변동을 고려하여 평균값이 나오도1

록 설정하 다 역필터의 상지연 특성을 고려하여 의 출력. , BESS

기 값은 Pref-PPV로 된다 가 력을 받는 것을 기 으로 하면 . BESS

그림 [ 7 과 같이 ] -(Pref PPV 로 된다 최종 으로 실제 태양)=deltaP .

발 설비의 출력과 의 출력이 합산되어 배 계통에 주입될 력BESS

량의 기 값이 된다.

130

그림 [ 6 태양 비 최 출 값 모 링 ] Pref Qref

그림 [ 7 출 값 는 향 모 링 ] BESS ( )

의 출력기 값 받는 방향 기 을 실제출력값과 비교한 후 이BESS ( )

를 제어기를 통과시켜 출력 류값을 얻는 력제어기를 그림 PI [ 8 과 ]

같이 구 하고 이 류를 흘리기 한 의 압을 얻기 , BESS PCS

한 류제어기를 그림 [ 9 과 같이 설계하 다] .

그림 [ 8] PI Power Controller

131

그림 [ 9] PI Current Controller

체계통 모델링

술한 바와 같이 모델링된 태양 발 설비 “ 1MW + BESS

를 배 용변 소이하 배 선로의 말100kW 1hr” 154kV/22.9kV 19km

단에 연결한 체계통을 그림 [ 10 에 제시한다] .

132

133

풍력 발 설비 의 효과분석2) + BESS

풍력 발 설비 모델링

풍력발 설비는 터빈 극 구자석형 동기발 기2MW 2MW , 60

이하 측 컨버터 계통측 컨버터 연계변압기로 구성( PMSG), PMSG ,

하 다.

그림 비 모 링 [ 11] 2MW

134

제어기는 각각 개의 로 구성하며 방식을 용한다6 IGBT , SPWM .

측 컨버터는 최 력추종PMSG (MPPT: Maximum Power Point

방식의 류제어기를 아래 그림과 같이 설계하고 모델링Tracking)

한다.

측 컨버터 모델링 a) PMSG

계통측 컨버터 모델링b)

그림 어 모 링 [ 12]

135

측 컨버터의 제어를 해서는 먼 상의 순시 압PMSG MPPT , 3

류의 값을 동기 상각 를 고려하여 동기좌표계로 좌표변환 하고

축 기 류 dq 와 실제 피드백 류 로부터 류제어기를 구성

하여 기 압을 생성한다 생성된 기 압은 삼각 비교방식의 .

을 통하여 력변환장치의 입력이 된다SPWM .

계통 측 컨버터에서는 풍력발 기로부터 버스로 입력되는 력DC

과 계통 측으로 출력되는 력의 상 계를 수학 으로 연산하여

버스의 압을 일정하도록 설계하고 모델링한다 측 컨버터DC . PMSG

의 제어 블록은 버스 압 일정 제어기와 이를 통한 기 류DC ( )

신호발생기로 구성된다.

한편 풍력발 설비의 출력변동은 동안 정 인 주기로 , 1

5%(1,900kW±100kW), 10%(1,800kW±200kW), 15%(1,700kW±300

변동이 일어나도록 설계하 다kW) .

모델링BESS

출력안정화장치인 는 내부 항 을 갖는 직류 압원으BESS 0.01 [ ]Ω

로 그림 [ 13 과 같이 모델링 하 고 의 연계리액터값을 갖] , 0.003 [H]

는 것으로 하 다.

136

그림 비 출 안 장치 모 링 [ 13] BESS

제어기 설계에 있어서는 먼 변동하는 풍력발 설비의 유무BESS ,

효 력 출력 PGRID(i1r 를 그림 ) [ 14 과 같이 역필터를 통과시켜 ]

PGRID_LP를 얻고 이를 풍력발 설비의 최종 출력값 , i2r으로 한다 역.

필터의 차단주 수는 간의 출력변동을 고려하여 평균값이 나오도1

록 설정하 다 역필터의 상지연 특성을 고려하여 의 출력. , BESS

기 값은 i1r-i2r로 된다 가 력을 받는 것을 기 으로 하면 그. BESS [

림 15 과 같이 로 된다 최종 으로 실제 풍력발 설] -(i1r-i2r)=detalP .

비의 출력과 의 출력이 합산되어 배 계통에 주입될 력량의 BESS

기 값이 된다.

137

그림 최 출 값 [ 14] PGRID_LF(i2r 모 링 )

그림 출 값 는 향 모 링 [ 15] BESS ( )

의 출력기 값 받는 방향 기 을 실제출력값과 비교한 후 이BESS ( )

를 제어기를 통과시켜 출력 류값을 얻는 력제어기를 그림 PI [ 16]

과 같이 구 하고 이 류를 흘리기 한 의 압을 얻기 , BESS PCS

한 류제어기를 그림 [ 17 와 같이 설계하 다] .

그림 [ 16] PI Power Controller

138

그림 [ 17] PI Current Controller

체계통 모델링

술한 바와 같이 모델링된 풍력발 설비 “ 2MW + BESS 300kW

을 배 용변 소이하 배 선로의 말단에 1hr” 154kV/22.9kV 19km

연결한 체계통을 그림 [ 18 에 제시한다] .

139

140

소 진

에 지경제연구원 연구 원現

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기본연구보고서

계통안정성을 고려한 태양 풍력 발 의 경제성연구

년 월 일 인쇄2014 11 26

년 월 일 발행2014 11 28

자 소 진

발행인 손 양 훈

발행처 에 지경제연구원

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등 록 년 월 일 제 호1992 12 7 7

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에 지경제연구원 2014 ISBN 978-89-5504-511-6 93320

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