한국의 주파수조정 ess 프로젝트 사례 분석 · (출처: kemri 전력경제 review...
TRANSCRIPT
한국의 주파수조정 ESS 프로젝트 사례 분석 An analysis of success factors of FR ESS projects in South Korea
2017. 12
오상현 Oh, Sang Hyun
Master’s Program
Graduate School of Innovation and Technology Management, College of Business
Korea Advanced Institute of Science and Technology
송락경 Song, Lak Kyung
Advisor / Professor
Graduate School of Innovation and Technology Management, College of Business
Korea Advanced Institute of Science and Technology
A B S T R A C T
KEPCO has installed ESS projects for frequency regulation of 376MW in South
Korea power system. The capacity of Korea is one of the largest projects all over the
world. In 2011, South Korea experienced unprecedented power outages due to the
power system frequency. Since the incident, Korean’s interest in the stable operation
of the grid has increased. Among various applications, ESS is proposed as a solution
to operate power system reliably. This study analyzes not only the policies of South
Korea government, but also architecture analysis of ESS components and electricity
markets. From the study, we can find that KEPCO has core competencies about the
frequency regulation ESS system integration.
Keywords: ESS, Energy Storage System, Battery, Frequency Regulation, Success Factor
KEPCO, Power System, Lithium secondary battery, Grid, BESS
C
AS
E S
TU
DY
• I&T
M K
AIS
T
i
목 차
목 차 .................................................................................................................................... i
그림 목차 .......................................................................................................................... ii
1. 서 론 ............................................................................................................................. 1
2. ESS 개요와 기술소개 .............................................................................................. 3
3. 우리나라 프로젝트 현황 ....................................................................................... 9
4. 성공요인 분석 ........................................................................................................ 16
5. 아키텍처 관점 분석 ............................................................................................. 19
6. 결 론 .......................................................................................................................... 24
7. 참고 문헌 ................................................................................................................. 26
ii
그림 목차
그림 1. ESS의 특성에 따른 분류 ............................................................... 4
그림 2. ESS 구성요소 및 기능 ................................................................... 5
그림 3. Definition of Energy Storage Applications ............................ 7
그림 4. 주파수 유지의 개념 ........................................................................ 8
그림 5. 국가별 ESS 프로젝트 비교 ....................................................... 13
그림 6. 배터리 종류별 ESS 설치현황 .................................................. 13
그림 7. 사용 용도별 ESS 설치현황 ....................................................... 14
그림 8. 한국과 미국의 용도별 ESS 프로젝트 수 비교 ................. 15
그림 9. 한국과 미국의 용도별 ESS 프로젝트 용량 비교 ............ 15
그림 10. ESS 아키텍처 분석 로직 ......................................................... 19
그림 11. PCS 아키텍처 분석 .................................................................... 20
그림 12. 리튬이온배터리 아키텍처 분석 ............................................ 20
그림 13. SI 아키텍처 분석 ........................................................................ 21
1
1. 서 론
1887 년 경복궁 건청궁에서 대한민국 최초의 전기등이 점등된 이후 현재의
한국전력공사는 1961 년 조선전업, 경성전기, 남선전기의 3 사가 통합되면서
한국전력주식회사로 발족하게 된다. 일제강점기와 한국전쟁을 거치면서 많은 사회
인프라가 파괴되었으며, 발전설비 역시 많은 피해를 입게 되었다. 1964 년에
이르러서야 해방 후 처음으로 제한송전을 전면 해제하였다. 산업국가로
도약하는데 있어 가장 중요한 자원 중의 하나가 전기이다. 전기가 부족한 상황을
바꾸기 위해 1965 년 12 월 농어촌전화촉진법을 공포하여 발전소를 확보하였으며,
특히 1978 년 고리원자력 1 호기를 준공하여 원자력에너지를 우리나라의
기저발전원으로 사용하게 된다. 1982 년 한국전력공사로 발족하면서 공기업체제로
전환하여, 국내의 안정적인 전력공급을 목표로 원전의 국내 주도형 전환과 중장기
수급계획을 바탕으로 한 발전, 송변전, 배전설비를 확충하게 된다. IMF 이후 국내
전력산업의 비효율성에 대한 문제가 제기됨에 따라 2001 년 전력거래소가
신설되고, 한전에서 담당하였던 발전부문을 6 개의 자회사로 분리하여 출범하게
된다. 2014 년 삼성동 본사를 매각하고 나주 혁신도시 이전을 통하여 지역의
균형발전과 에너지신산업 시대를 열게 된다. 2016 년에는 매출 60 조원, 영업이익
12 조원을 기록하는 등 성과를 인정받아 “포브스 글로벌 2000”에서 글로벌
유틸리티 부문 1 위를 달성하였다.
주요 사업분야는 국내사업, 해외사업, 에너지신사업으로 구분할 수 있으며,
국내사업에서는 송배전, 전력판매, 수요관리를 담당하고 있다. 송배전분야는
발전소에서 생산된 전기를 일반 가정집이나 빌딩, 공장에 공급하기 위한 철탑,
2
변전소, 전주 등을 건설하고 유지보수 관리하는 업무를 담당하고 있다. 설비에
이상이 발생하여 정전이 되는 경우 긴급 복구하여 국민들이 편리하고 안정적으로
전기를 사용할 수 있도록 도와준다. 전력판매의 경우는 사용하는 전력량만큼
요금을 부과하기 위한 전력량계와 부속설비를 담당하며, 전기를 사용하기 위한
서류접수부터 고객이 최종적으로 전기를 사용할 수 있도록 행정적, 기술적 지원을
담당하고 있다. 또한 전기판매와 관련된 업무와 전기의 수급이 불안정한 경우
수요와 공급의 균형을 맞추기 위해 대용량 고객 중심으로 전기사용량을 관리하는
수요관리 업무를 담당하고 있다.
해외사업에서는 발전분야 EPC 를 수행하여 수익을 창출할 수 있도록 시장을
개척하고 있다. 지난 2009 년 계약된 UAE 원전건설 프로젝트가 순조롭게
진행되고 있으며, 아시아, 중동, 중남미, 아프리카 등지로 활동무대를 확대하여
성장하고 있다. 특히 필리핀 발전소 2 곳을 성공적으로 운영하는 등 안정적인
수익을 창출하고 있다. 2001 년부터 시작된 송배전분야의 해외사업은 국내에서
습득한 기술 노하우를 바탕으로 동남아시아, 중남미 지역에 송배전망 건설,
컨설팅 등의 사업을 수행하고 있다.
이러한 성과를 바탕으로 한계에 직면한 국내 전력사업과 온실가스 배출
저감을 위한 신재생에너지 활용 증가 등 에너지신산업 분야에 대한 진출계획을
수립하고 있다. 특히 정부의 정책적인 지원 등을 바탕으로 에너지저장장치나
마이크로그리드 등 에너지신산업분야의 비즈니스 모델을 개척하고 있다. 한편,
2011 년 발생한 9.15 순환정전 이후로 전력수급 조정의 중요성과 주파수의 안정적
운영에 대한 정부와 국민의 기대가 더욱 커졌다. 이러한 분위기에 따라
에너지저장장치(이하 ESS, Energy Storage System)를 활용하여 주파수를 조정하는
3
방안이 검토되었다. 한전에서는 지난 2014 년부터 주파수조정용 ESS 시범사업을
시작으로 2017 년 현재 우리나라에 총 376MW 의 ESS 가 설치되어
주파수조정용으로 사용되고 있다. 본 케이스 스터디에서는 ESS 의 다양한 적용
분야 중에서 우리나라에서 중점적으로 추진하고 있는 주파수조정 프로젝트
사례를 통하여 프로젝트를 성공적으로 추진할 수 있었던 요인에 대하여
분석하였다.
2. ESS 개요와 기술소개
2.1. ESS 개요
ESS 는 생산된 잉여에너지를 원래 성질 그대로 혹은 다른 성질로 변환시켜
저장하고 필요할 때 다시 사용할 수 있도록 공급하는 시스템이다. 넓은 의미에서
ESS 는 전기 또는 열을 저장하였다가 공급하는 장치를 의미하며, 일반적으로는
전기를 다양한 에너지 형태로 저장하였다가 다시 전기로 변환하여 공급하는
장치를 의미한다. 특히, 전력계통에서는 심야시간대 경부하 시 생산된 전기를
저장했다가 주간피크 시 등 필요한 시기에 전기를 공급하여 에너지 효율을 높일
수 있는 시스템으로 과거에는 양수발전기가 대표적인 ESS 장치였으며, 최근에는
기술의 발전에 따라 배터리를 이용한 ESS 가 널리 사용되고 있다.
ESS 는 그림 1 과 같이 크게 세가지로 구분할 수 있다(R. Hemmati, Gedayat
Saboori, 2016). 기계적인 특성을 이용한 저장장치로는 위치에너지를 이용한
Pumped Hydro 와 Compressed Air 방식이 있으며, 운동에너지를 이용한 Flywheel
방식이 있다. Pumped Hydro 는 우리가 이미 폭넓게 활용하고 있는 양수발전
4
개념의 저장장치이다. 전기적인 성질을 이용한 저장장치로는 Supercapacitor 와
SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)방식이 있으며, 우리나라에서는
아직 다양하게 사용되고 있진 않다. 마지막으로 화학적인 성질을 이용한 방식은
배터리와 Fuel Cell 로 나눌 수 있다. 배터리방식은 양극과 음극이 분리막에 의해
구분되어 있고, 두 전극 사이에 이온을 전달하는 전해질로 구성되며 화학에너지를
전기에너지로 변환하는 방식이다. 최근에는 에너지밀도가 높고 효율이 좋은
리튬이온전지를 주로 사용하고 있으며, 보급확대에 가장 큰 걸림돌이었던 배터리
생산단가가 지속적인 기술의 발달로 인하여 2017 년 현재는 2011 년에 비해
1/4 수준으로 하락하여 경제성을 확보할 수 있게 되었다. 일반적으로
우리나라에서는 ESS 를 배터리 방식의 에너지저장장치로 한정하여 사용하고
있으나, 용어의 혼동을 방지하기 위하여 외국에서는 BESS(Battery ESS)라는 용어로
사용하기도 한다.
(출처: R. Hemmati, Gedayat Saboori, 2016)
그림 1. ESS의 특성에 따른 분류
5
2.2. ESS 의 구성
ESS 는 일반적으로 배터리 셀, BMS(Battery Management System), PCS(Power
Conditioning Sytem), PMS(Power Management System) 등으로 구성되어 있다.
우선 배터리 셀은 화학적인 성질을 이용해 전기에너지를 저장하는 역할을
수행하며 각각의 셀단위 배터리가 모여 모듈과 랙을 구성하여 최종적으로
사용자가 원하는 용량의 뱅크단위로 구성하여 사용하고 있다. 이러한 배터리의
상태를 종합적으로 감시, 체크하기 위해 BMS 를 이용하고 있다. BMS 에서 측정한
배터리의 정보를 PMS 로 송신하고 이상현상이 발생되면 사용자가 즉시 조치를 할
수 있도록 알려준다. PMS 는 현재 전력계통의 주파수, 전압, 전기요금, 배터리
충전상태 등을 종합적으로 판단하여 ESS 의 운전상태를 총괄하여 관리하는
시스템이다. PMS 에는 ESS 운영의 핵심 알고리즘을 탑재하며, 컴퓨터의 CPU 와
같은 역할을 수행한다. ESS 의 다양한 적용분야를 구현하는 것이 PMS 의 역할이다.
배터리 셀: 에너지 저장
BMS: 배터리 관리, PMS 감시
PCS: 직류-교류 변환
PMS: ESS 운영 총괄
(출처: KEMRI 전력경제 REVIEW 2016 년 제 12 호)
그림 2. ESS 구성요소 및 기능
PCS 는 전력전자 소자(인버터, 컨버터 등)로 구성되며, PMS 의 지시에 따라
배터리 충방전, 직류-교류 변환 및 방전 전압 등을 결정하고 있다. 이러한
요소들이 개별 ESS 단위를 구성하고 있으며, 각각의 설비를 통합하는 것이 ESS 의
6
아키텍처 핵심 요소이다. 앞에서 말한 기능과 제품들은 모듈 성격이 강하여
독립적으로 제작될 수 있으나 PMS 나 PCS 에서 전력계통 정보와 설비의 정보를
통합하여 최적의 상태로 제어하며, 가장 경제적인 운영을 할 수 있도록 하는 것이
인테그럴 성격으로 판단된다. 개별 ESS 를 전력계통에 연계하기 위해서는
변압과정을 거쳐 최종적으로 우리나라의 전력계통 시장에 참여하게 된다.
계통연계를 위한 주요 설비는 변압기, 차단기, 송전선로, 배전선로 등이 있다.
2.3. ESS 의 적용분야
전기의 안정적인 수급과 주파수, 전압 등 전기품질을 중요시하는 반도체 공장,
병원, 데이터 센터 등은 일반적으로 ESS 를 무정전전력공급장치(UPS)로 사용하고
있다. 전력수요가 낮은 시간에 여유전력을 ESS 에 저장했다가 수요가 높은 시간에
전력을 공급해 피크수요에 대응하여 부하 평준화로 사용하기도 한다. 이러한
활용은 사용자의 전기요금을 줄일 수 있는 방법이다. 또한 태양광, 풍력 등
발전시간이 불규칙한 신재생에너지와 ESS 를 결합해 신재생에너지의 불안정한
출력 변동성을 완화하는 목적으로 사용하기도 한다.
다양한 ESS 의 활용분야에 대하여 정의하기 위해 EPRI 에서는 ESS 관련
백서를 발표하였으며, 그림 3 에서 확인할 수 있다(EPRI, 2010). 정의에 의하면
우리나라에서 주로 사용하고 있는 주파수조정용 ESS 는 Wholesale Energy
Service 의 ancillary services market 에 사용되는 분야이다. 많은 국가들에서는
기본적인 발전용량에 따라 참여하는 전력시장이 존재하며, 이외에 주파수조정,
전압조정 등 전력시장의 부가적인 기능을 담당하기 위해 보조서비스 시장을
7
운영하고 있다. 우리나라 전력시장도 도입 당시 미국의 모델을 벤치마킹하였기
때문에 유사한 점이 많이 있다.
(출처: EPRI, 2010)
그림 3. Definition of Energy Storage Applications
특히, Renewable Integration 의 경우에는 태양광, 풍력 등 신재생에너지
발전자원의 증가가 예상되면서, 앞으로 주력시장으로 부상할 수 있는 가능성이
높으며, Home Energy Management 의 경우도 가정의 BTM(Behind The Meter)
시장에서 저비용 소규모로 많은 수요 증가가 예상되고 있다.
8
2.4. 주파수조정의 기능
우리나라의 정격 주파수 및 유지범위는 60Hz ± 0.2HZ 로 전기사업법
시행규칙 및 전력시장 운영규칙에서 정하고 있는데, 이는 전기에너지의 특성상
전기의 공급과 수요가 실시간으로 균형을 이루어야 일정한 주파수를 유지할 수
있기 때문이다. 지난 2011 년 발생한 915 정전은 우리나라 전력계통의 주파수가
갑작스럽게 떨어지는 현상으로 인하여 발생한 것이었다. 이상 고온현상으로
전력의 수요는 급증한 반면, 발전소에서 생산하는 전력이 부족하여 수요와 공급
사이에 불균형이 발생하여 주파수가 규정치보다 하락하는 현상이 발생하였고,
결국 부하를 강제로 차단하여 일부 지역은 정전을 경험하였으나, 우리나라 전체의
대정전은 방지할 수 있었다. 이러한 전력수요의 갑작스런 증가나 대형 발전기의
정지 등에 대비하여 주파수 예비력을 1,500MW 이상 확보하여 전력계통을
운영하고 있다. 즉, 주파수조정 예비력을 확보하기 위해 유류발전기나
가스복합발전기는 발전용량의 약 5% 이내에서 발전량을 감소하여 생산하고 있는
것이다.
(출처: BESS Overview – Components, Drivers, Applications. ABB)
그림 4. 주파수 유지의 개념
9
앞에서 살펴본 다양한 ESS 의 종류 중에서 주파수조정에는 리튬이온배터리가
적합한 것으로 많은 자료에서 밝히고 있다. 리튬이온배터리는 에너지밀도가 높고,
동작속도가 빠르며, 설치면적이 적게 소요되는 장점이 있다. 리튬이온배터리
기술의 발전으로 인하여 배터리 생산단가가 상당히 낮아졌지만, 아직 일반적인
사용자에게 보급 확대를 위해서는 생산단가를 더 낮춰야 할 필요가 있다.
전력시장의 보조서비스 시장에서는 정단산가를 고려하여 적합한 배터리 종류를
선택하여 경제성을 확보하여야 한다. 우리나라의 경우 신재생에너지의 발전용량
비율이 낮고 전기사용자의 피크를 낮춰 얻는 이익보다는 주파수조정에 활용하는
것이 경제성 확보에 유리한 것으로 분석되었다. 또한, ESS 를 주파수조정서비스에
활용하게 되면 주파수조정 예비력으로 확보하고 있는 기존 발전기에서 생산되는
전기를 최대로 생산할 수 있어 에너지의 효율적 활용이 가능하고, 발전회사
입장에서도 추가적인 수익창출이 가능하게 되므로 국가 전체적으로 에너지
이익이 발생하게 된다.
3. 우리나라 프로젝트 현황
3.1. 프로젝트 추진 경과
지난 2011 년 지식경제부에서 K-ESS 2020 계획 수립을 시작으로 다양한 ESS
관련 정책이 발표되었다. 다른 분야의 신기술이나 에너지 정책과 마찬가지로
에너지 신기술 적용 초기에 투자비용이 많이 발생하므로 민간부문에서는 투자를
꺼리게 된다. 이런 경우 정부의 정책과 지원을 바탕으로 관련 산업의 활성화를
위하여 공기업에서 선도적으로 기술개발과 사업화를 추진하게 된다. 2011 년 이후
10
정부가 정책적으로 집중 지원한 결과 세계 최대 규모의 사업화에도 성공을
거두었으며, 해외시장 진출을 위한 Track Record 도 착실히 쌓아가고 있다. 특히,
국내 대기업과 중견, 중소기업의 기술 역량 강화와 해외시장 동반진출을 꾸준히
추진하고 있다.
한편, 정부에서는 2013 년 창조경제 에너지 수요관리 신시장 창출방안을
발표하였고, 한전에서는 ESS 종합추진계획을 수립하게 된다. 향후 2017 년 까지
총 투자비 6250 억원, 500MW 규모의 주파수조정용 ESS 를 한전의 17 개 변전소에
설치한다는 로드맵과 함께 2014 년 시범사업을 추진하는 기본계획을 수립하였다.
본 계획을 바탕으로 2014 년 3 월부터 9 월까지 기재부에서는 예비타당성 조사를
시행하였고, 같은 해 10 월 우리나라 최초의 주파수조정용 ESS 프로젝트의
시범사업을 서안성변전소와 신용인변전소에서 착공하게 된다. 약 10 개월간의
공사기간을 거쳐 2015 년 7 월 52MW 규모의 시범사업이 준공되고 상업운전을
시작하였다. 또한 연차적 사업에 따라 2015 년 8 월에는 184MW 규모의 사업을
신계룡변전소 등 7 개 변전소에서 동시에 착공하게 되었다.
2016 년 2 월 산업자원부에서는 전력분야 10 대 프로젝트를 발표하여 ESS
프로젝트에 대한 지원을 강화하였으며, 이어 한전에서는 140MW 규모의 2 차년도
프로젝트를 착공하고 7 월에는 2015 년에 시작한 184MW 프로젝트를 준공하였다.
2017 년 현재까지 총 374MW 의 주파수조정용 ESS 가 13 개 변전소에서 운영
중이다.
11
구분 2014 년 2015 년 2016 년 2017 년 합계
용량(MW) 52 184 140 124 500
개소 2 7 4 4 17
표 1. 주파수조정 ESS 프로젝트 구축계획
3.2. 해외 사례 비교
우리나라의 주파수조정 ESS 프로젝트의 특징을 알아보기 위해 해외의 자료를
수집하여 비교하였다. 분석을 위한 자료는 미국 에너지부 DOE(Department of
Energy) 홈페이지에서 제공하는 자료를 바탕으로 분석을 시행하였다. 각 국가에
설치된 ESS 에 대하여 Technology Type 은 Electro-chemical 을 선택하여,
PHES(Pumped Hydro Energy Storage) 등 전통적인 개념의 에너지저장장치는
제외하였다. 또한, 수집된 자료에서 계약(Contracted)만 되었거나,
공표(Announced)만 된 자료는 제외하여 현재 운영(Operational)되고 있는
프로젝트만 추출하였다.
현재 전세계에 운영되고 있는 ESS 프로젝트는 총 735 건 이며 설치용량은
2,057MW 가 설치되어 있는 것으로 조사되었다. 그림에서 확인할 수 있듯이
미국이 314 건으로 가장 많은 프로젝트를 추진 중이며, 한국, 중국 순으로 뒤를
잇고 있다. 프로젝트의 수와 용량 면에서 가장 앞서 있는 미국을 비교대상으로
선정하였으며, 국가별 설치현황은 표와 같다.
국 가 프로젝트(건) 설치용량(MW)
12
United States 314 724
Korea, South 61 432
China 57 46
Japan 42 242
Australia 40 251
Germany 40 42
Italy 31 56
Netherlands 23 18
United Kingdom 23 25
Spain 16 8
기타 88 113
합계 735 2,057
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
표 2. 국가별 ESS 프로젝트 현황
13
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
그림 5. 국가별 ESS 프로젝트 비교
배터리 종류별로는 리튬이온계열의 배터리가 70%가 넘게 차지하여 현재
트렌드를 반영하고 있다. 용도별로는 주파수조정용 22%, 요금관리와 Time Shift 가
각각 22%를 차지하고 있었다.
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
그림 6. 배터리 종류별 ESS 설치현황
52%
20%
8%
6%
6%4% 4%
Lithium-ion Battery
Lithium Iron Phosphate
BatteryVanadium Redox Flow
BatteryLead-acid Battery
Sodium-sulfur Battery
United States
Korea, South
Australia
Japan
Germany
Italy
China UK
단위:MW
단위:건
14
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
그림 7. 사용 용도별 ESS 설치현황
미국의 경우는 ESS 를 다양하게 활용하고 있으며, 프로젝트 수와 용량을
고려해보면 주로 소용량의 Electric Bill Management 와 Electric Energy Time
Shift 에서 사용하고 있으며, 유틸리티 급에서는 주파수조정용으로 사용하고
있음을 알 수 있다. 우리나라의 경우는 프로젝트 용도로는 다양한 활용분야에
사용하고 있으나, 설치용량을 보면 한전에서 주도하고 있는 주파수조정용이
88%를 차지하였다. 통계자료 분석 결과 우리나라와 미국은 전반적으로 EPRI 에서
제공하는 ESS 의 적용분야 중에서 실제로 다양한 분야에 ESS 를 적용하고
있었으며, 프로젝트 수와 설치용량을 고려할 때 전기요금을 낮추기 위하여 빌딩,
공장 등 소규모 분산설치 프로젝트의 성격이 강한 것을 확인하였다. 우리나라는
설치용량 면에서 주파수조정 ESS 프로젝트가 특징적인 모습을 보이고 있으며,
특히 한국(108GW)과 미국의 발전설비용량을(1,081GW) 비교해보면 상대적인
차이는 더욱 극명하게 나타난다.
22%
22%
22%
10%
9%
8%7%
Electric Bill
Management
Frequency Regulation
Electric Energy Time
Shift
Renewables Capacity
Firming
15
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
그림 8. 한국과 미국의 용도별 ESS 프로젝트 수 비교
(출처: DOE Global Energy Storage Database 추출자료 재구성)
그림 9. 한국과 미국의 용도별 ESS 프로젝트 용량 비교
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Electric Bill
Management
Frequency
Regulation
Electric Energy
Time Shift
Voltage
Support
Electric Bill
Management
with
Renewables
Distribution
upgrade due
to wind
Onsite
Renewable
Generation
Shifting
Microgrid
Capability
Distribution
upgrade due
to solar
Electric Supply
Reserve
Capacity -
Spinning
미국 한국
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Electric Bill
Management
Frequency
Regulation
Electric Energy
Time Shift
Voltage
Support
Electric Bill
Management
with
Renewables
Distribution
upgrade due
to wind
Onsite
Renewable
Generation
Shifting
Microgrid
Capability
Distribution
upgrade due
to solar
Electric Supply
Reserve
Capacity -
Spinning
미국 한국
16
4. 성공요인 분석
4.1. 정부 정책 측면
과거 진행된 정부의 정책을 분석하여 우리나라 주파수조정용 ESS 프로젝트의
성공요인에 대하여 살펴보았다. 우선, 2012 년 6 월 발표된 제 1 차 지능형전력망
기본계획에서는 AMI(Advanced Metering Infrastructure, 양방향 검침 인프라), ESS,
전기차 충전인프라 등 스마트그리드 핵심 기기에 대한 지원계획을 발표하기에
이른다. 실증사업, 보급사업 및 거점도시를 위해 표준화가 시급한 AMI, ESS,
전기차 충전인프라에 대한 표준을 개발하는 것을 목표로 설정하였다.
ESS 핵심기기의 국내 표준 제정을 통해 기술표준화를 추진하였으며, 세계시장
조기 창출을 위한 ESS 국제 표준화 활동을 추진하였다. 향후에는 민간
투자활성화를 위한 법제도 개정 수요를 발굴과 ESS 를 발전자원으로 인정하는
전기사업법 개정을 추진하고 신재생 발전량의 일정비율 이상의 ESS 보급을
의무화하는 신재생법 개정을 검토하는 것으로 밝혔다(지식경제부, 2012).
2013 년에 발표된 지능형전력망 시행계획에서는 매순간 변동하는 전력수요에
대비해 발전기 출력을 낮춰 운전하면서 대응하고 있으나, 이를 에너지저장장치가
담당하면 전력생산의 효율성이 향상되는 결과를 가져올 수 있으며, 현재
우리나라는 주파수조정을 위해 일부 석탄발전소 출력을 5% 감축하여
운전(1.1GW), 이를 모두 저장장치로 대체하면 연간 5 천억원 이상 절감할 수
있다는 의견에서 출발하였다. 본 계획을 토대로 신뢰도 향상을 위한 전력망 보강
및 시장창출을 위한 비즈니스 모델 개발을 중점에 두고 기술개발을 추진하게
17
되었다. 본 정책을 바탕으로 한전에서는 연구과제를 통하여 주파수조정용 ESS
운영시스템을 개발할 수 있었다. (산업통상자원부, 2013).
2014 년 2 월에는 에너지 기술개발 실행계획이 발표되었는데, 1 월에 발표된
기술개발계획에 대한 구체적인 실행계획을 담고 있다. 전력피크 부하 경감을 위한
중대형 에너지저장시스템 실증을 추진하고, 전력다소비 수용가 보급을 위한
에너지 저장장치 상용화 및 원천 R&D 투자를 확대하여 2020 년 까지 ESS 가격을
현재의 50% 수준으로 낮춘다는 계획을 수립하였다. 향후에는 대용량 ESS 에
적합한 저단가 레독스플로우 전지 시스템 확보를 위한 고출력화 기술을 확보하고,
단주기 전력저장기술의 시장진입을 위한 기술개발을 추진하여 리튬이온배터리의
가격을 낮춘다는 목표를 세우게 되었다(산업통상자원부, 2014). ESS 에 대한 정책
초기에 비해 상당히 구체적이고 현실적인 정책을 제시하였으며, 리튬이온배터리
이외에 다양한 저장장치에 대한 활용분야도 검토하게 된다.
한편, 2016 년 4 월 발표된 2016 년도 에너지기술개발 실행계획에서는
신기후체제 출범에 따른 에너지 산업의 혁신과 대규모 시장창출 촉진을 위한
범부처 중장기 계획을 수립하였다.(산업자원부, 2015) 세계 최고수준의 ICT 기술을
토대로 에너지 산업과의 접목을 시도한 결과 에너지 신산업의 핵심 요소가 되는
ICT 분야(IT 네트워크, ESS 등)에 있어 국내 기업이 세계 최고 수준의 글로벌
경쟁력을 보유하게 된다. 해외시장 판로 개척을 위한 글로벌 수준의 기술 및
신뢰성 확보를 위한 ESS 통합 실증 사업에 대한 지원을 강화하고, 주거밀집지역,
공업단지, 캠퍼스 등 대표 수용가 단지 내 에너지 거래를 통한 수익창출 모델
발굴 및 실증을 지원한다는 계획을 제시하였다(산업통상자원부, 2016).
18
앞에서 살펴본 바와 같이 굵직한 정부 정책만 분석하였으나, 지난 몇 년간
에너지신산업 분야와 ESS 분야에 정부의 많은 지원이 있었다. 특히 2013 년의
정책은 우리나라의 주파수조정 ESS 프로젝트를 탄생시킨 중요한 정책이었음을
확인할 수 있었다. 그러나, 정부의 일관된 정책 추진방향과 집중적인 재정 지원
없이는 에너지신산업분야에서 성장을 기대할 수 없다. 특히, 최근 재생에너지
3020 이행계획을 수립하기 위해 각 분야의 전문가들로 구성된 협의체를 운영하여
화력발전과 원자력발전 위주의 발전 자원에서 풍력과 태양광 위주로 구성된
재생에너지의 발전 비율을 2030 년까지 20%로 달성하겠다는 에너지전환정책
로드맵을 구상하고 있다. 우리나라와 같이 전력계통이 독립적으로 구성된
경우에는 재생에너지 출력의 간헐성으로 인한 전력계통의 안정화 운전을 위해서
ESS 는 필수적인 요소이다. 향후에도 지속적인 정부의 정책이 필요한 시점이다.
19
5. 아키텍처 관점 분석
한국의 주파수조정용 ESS 프로젝트의 아키텍처 관점에서 알아보기 위해 ESS
구성요소와 전력시장의 아키텍처를 세부적으로 분석하였다. 분석을 위한 로직은
그림과 같다. ESS 를 활용하기 위한 System Integration 의 관점에서 ESS 의
구성요소 중 PCS, 배터리를 선정하였으며, 알고리즘 구현에 필요한 전력시장을
분석 요소로 선정하였다.
그림 10. ESS 아키텍처 분석 로직
5.1. ESS 구성요소의 아키텍처 분석
PCS 는 AC 와 DC 의 변환하는 기능과 배터리의 충전, 방전을 제어하는 기능을
하는 구성요소이다. PCS 의 주요 부품은 DC 차단기, AC 차단기, 인버터, 컨버터
등으로 구성되어 있다. 제품의 특징은 완성품은 국내의 여러기업에서 자체
생산하고 있으나, 내부의 핵심부품은 수입에 의존하고 있다. 이러한 모습을
종합해볼 때, Modular-Inside Integral-Outside 로 분류할 수 있다.
PCS
배터리
전력시장
System
Integration
알고리즘
PMS
충방전 제어
전력공급
경제적 이득
20
그림 11. PCS 아키텍처 분석
리튬이온배터리는 PCS 나 PMS 에서 받은 명령에 따라 저장된 에너지를 충전
또는 방전하는 기능을 한다. 배터리는 주로 셀(양극재, 음극재, 분리막, 전해액),
BMS, 팩 등으로 구성된다. 국내의 기업 중 글로벌 수준의 기업이 다수 존재하며,
중국의 경우는 가격경쟁력을 보유하고 있으며, 미국과 일본은 원천기술을
확보하고 있다. 양극재, 음극재 등 핵심소재는 일본 기업이 강세를 보이고 있다.
리튬이온배터리의 경우도 Modular-Inside Integral Outside 로 분류할 수 있을
것이다.
그림 12. 리튬이온배터리 아키텍처 분석
21
SI(System Integration)은 각각의 구성요소와 PMS, 케이블, 통신, 제어, 계측
등의 기능을 수행하며, 이들 기능을 총괄적으로 조율하는 특징을 가지고 있다.
소규모 ESS 는 기능이 단순하고, 전력망에 미치는 영향이 적어 대체로 SI 가
단순하지만, 대규모 ESS 는 전력망의 안정성과 효율성을 복합적으로 고려해야
하므로, SI 가 복잡한 특징이 있다. 결국 ESS 의 SI 는 전체 시스템을
Integration 하는 역량이 중요하고 플레이어간의 협의와 조율이 성능에 많은
영향을 주기 때문에 Integral-Inside Integral-Outside 로 분류할 수 있을 것이다.
이러한 ESS 의 모듈성을 높이고자 IEEE 에서는 분산형 전력 자원에 대한 전력망
접속 기술의 표준화를 위한 IEEE 1547 표준을 정하였으며, UL 에서는
smart(advanced) inverter 를 활용한 전력망 접속의 표준으로 UL 1741 SA 를
발표하였다.
그림 13. SI 아키텍처 분석
22
5.2. 전력시장의 아키텍처 분석
미국의 전력시장은 기본적으로 시장자유화 정책을 시행 중이며, 각 주별
전력소매시장 경쟁 정도와 도입시기가 다르다. 각 사업자별로 정해진 역할에
충실하며 경제성 논리를 우선 고려하는 시장운영 방식이다. 이러한 특성을 보면
Modular-Inside Modular-Outside 의 성격이 강하다고 할 수 있겠다. 우리나라의
전력시장은 전력거래소, 한전, 발전회사 등으로 구성되어 있으며, 일부 경쟁체제를
도입하여 운영 중이다. 전력거래소의 운영에 따라 사업자간의 조율과 협의가
중요하며 전력망의 안정성을 우선 목표로 시장을 운영하고 있다. 미국과 비교할
때 상대적으로 플레이어간의 조율과 협의가 중요하여 Modular-Inside Integral-
Outside 로 분류할 수 있을 것이다.
미국의 전력시장 운영은 개별 사업자의 기능과 역할에 충실한 모듈성이
강하며, 사업자의 경우 기본 Tariff 와 보조서비스 시장에서 정산금액에 따른
경제적 이익이 우선 고려된다. 또한, MESA(Modular Energy Storage
Architecture)라는 협회를 조직하여 ESS 에 대한 전력망 적용의 모듈성을 높이기
위한 표준화 제정 활동을 추진 중이다.
한국의 전력시장 운영은 공공서비스의 성격을 강조하여 안정적인 시장운영에
바탕을 두고 있다. 따라서, 전력시장의 최상위에 위치하고 있는 전력거래소와
시장 참여자들 간의 조율과 협의를 중요시 하고 있다. 한국의 독립된
전력시스템도 인테그럴 성격을 강하게 하는 요인이다. 국가간 전력망을 연계하여
사용하고 있는 대륙 국가와 달리 지정학적 특성에 따라 독립망 형태로 전력계통
및 전력시장을 운영하고 있으며 우리나라 스스로 전력의 수요와 공급, 안정적인
23
운영을 책임져야 하는 에너지 안보적인 특징을 가지고 있다. 현재 주파수조정용
프로젝트의 설치 및 운영 경험이 증가하면서 국내 주파수조정 프로젝트는 점차
모듈화로 진행되고 있지만, 해외시장 진출을 위해 다른 국가에 적용할 경우에는
해당 국가의 상황에 맞게 알고리즘, HW 요구사항 등을 튜닝하고 실증하는 것이
필요하여 인테그럴 성격이 강해진다.
24
6. 결 론
우리나라는 대용량 ESS 의 활용분야 중에서 총 376MW 의 주파수조정 ESS
프로젝트를 설치하여 운영하고 있다. 자료의 비교를 통해 우리나라의 ESS
프로젝트의 진행 상황과 특징을 살펴보았다. 세계적으로 가장 앞서 있는 국가는
미국이지만, 국가의 산업규모, 인구규모, 발전설비 용량 등을 종합적으로
고려해보면 우리나라도 상당히 앞서 있는 모습이다. 이러한 ESS 프로젝트에
대하여 정부의 정책과 아키텍처 관점에서 분석하였으며, 특히 아키텍처 관점에서
나타난 특징을 바탕으로 ESS 프로젝트의 추진전략을 분석하였다.
PCS 및 배터리 등 주요 구성요소는 상당부분 모듈화가 진행되어 정해진
기능을 구현하고 있으며, 이들 부품을 전력망에 안정적으로 Integration 하는 것이
기술이며 경쟁 우위 요소라고 볼 수 있다. 국내 주파수조정 프로젝트는 다년간의
연구와 사업경험으로 모듈화로 발전되고 있다. 전력시장 측면에서 미국의
모듈적인 성격과 한국의 인테그럴 성격이 ESS 프로젝트의 활용분야에서도 차이가
발생하는 요인이다.
앞으로 해외시장에 성공적으로 진출하기 위해서는 국가별, 시장별 특성이
다르기 때문에 연구개발 및 사업추진 시 적기에 사업에 참여할 수 있도록 System
Integration 과 알고리즘 개발에 모듈성을 확보할 수 있는 방향으로 전개하여
경쟁력을 강화할 필요가 있다(Integral-Inside Modular-Outside 전략). 또한,
우리나라의 주파수조정 ESS 에 대한 Integration 역량이 지속적으로 경쟁우위의
확보가 가능하다면 Integral-Inside Integral-Outside 전략을 통하여 이 자체를
차별화 전략으로 전개하는 것도 방법이 될 것이다.
25
또한, 앞에서 살펴본 주파수조정 이외에 사용할 수 있는 다양한 ESS
활용분야에 대하여 아키텍처 개념을 확장시켜 적용해보았다. 많은 시장분석
기관과 컨설팅 기업들은 미래의 전력시장을 에너지기술과 통신기술의 결합으로
개념상 FTM(Front of the Meter)과 BTM(Behind the Meter)로 분류하고 있다. FTM
시장에서는 기술역량과 안정적 계통운영, 사업 경험이 중요하여 Integral-
Outside 의 모습이 될 것이며, 대용량 신재생에너지 연계 등의 비즈니스 모델이
개발될 것이다. BTM 시장에서는 가격경쟁력과 서비스 경쟁이 심화되어 고객
유치에 많은 기업이 진출하여 Modular-Outside 의 모습이 될 것이며, Electric Bill
Management, Electric Time Shift 등이 주요 비즈니스 모델이 될 것이다. 이러한
시장과 기술에 대한 아키텍처 관점의 해석을 반영하여 연구개발이나 사업화 추진
전략에 적용하는 것이 필요할 것이다.
26
7. 참고 문헌
A. Malhotra et al., (2016), Use cases for stationary battery technologies: A review
of the literature and existing projects, Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 56, 705-721
E. Telaretti, L. Dusonchet, (2017), Stationary battery technologies in the U.S.:
Development Trends and prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews,
75, 380-392
D. Rastler, (2010), Electricity Energy Storage Technology Options, EPRI
유가람, 최우영, 국경수, (2016), 주파수추종서비스 제공을 위한 다수
배터리전기저장장치(BESS)의 통합제어 전략, 전기학회논문지, 65, 1169-1175
R. Hemmati, Gedayat Saboori, (2016), Emergence of hybrid energy storage systems
in renewable energy and transport applications – A review, Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 65, 11-23
KEMRI 전력경제 REVIEW 2016 년 제 12 호, (2016), 한국전력공사
제 1 차 지능형전력망 기본계획, (2012), 지식경제부
2013 년도 지능형전력망 시행계획(안), (2013), 산업통상자원부
제 2 차 에너지기술개발계획, (2014), 산업통상자원부
2014 년도 에너지기술개발계획(안), (2014), 산업통상자원부
에너지신산업 창출방안, (2015), 산업통상자원부
전력분야 10大 프로젝트, (2016), 산업통상자원부
2016 년도 에너지기술개발 실행계획(안), (2016), 산업통상자원부