부하평준화 기능을 고려한 주택용 ESS의 적정 지원금 산정에 관한 연구

A Study on the Decision of Appropriate Subsidy Levels for Energy Storage Systems Considering Load Leveling in Smart Place

Abstract

Construction of power plants and T&D facilities is so difficult because of the civil complaints and the additional cost according to the concerning field conditions. Therefore, various researches and methods have been considered to get solutions in the demand side and energy storage systems have been in the spotlight because of the various functions such as peak shaving, load shifting, and power system stabilizing, and so on. Residential small size batteries are considered in this paper and the economic analysis is carried out to evaluate the reasonable subsidy levels for the deployment of energy storage systems. Various economic parties are considered to find reasonable subsidy level comparing each other, which parties consist of utilities, participants and non-participants in general. The evaluation is based on California Standard Practice Test and the results are able to be used as subsidy guidelines.

1. 서 론

전력수요 예측 결과에 따라 발전소에서 일괄적으로 전기를 생산하여 고객에게 직간접적으로 공급하는 전통적인 전력계통은 중앙 집중형 방식으로서 전체 전력공급량을 조절하면서 발생하는 수요와 공급의 불일치 가능성으로 인하여 첨두수요 대비 예비전력을 보유함으로써 손실되는 전력자원이 많고 화력발전소의 경우에는 다른 종류의 발전소에 비하여 이산화탄소와 같은 온실가스를 상대적으로 더 많이 배출 하게 되어 환경오염 문제를 발생시키는 문제가 있다. 이러한 배경에서 최근 몇 년 사이에 기존의 중앙 집중형 송배전시스템에 정보통신기술을 접목한 스마트그리드를 통하여 전력손실을 최소화하고 전력수급의 정전사태를 미연에 방지하여 신뢰도를 제고하고자 하는 연구가 활발히 진행되어왔다. 스마트그리드와 전통적인 전력계통의 주요한 차이점 중 하나가 에너지저장장치(Energy Storage System, 이하 ESS)의 도입과 운용인데, ESS를 통하여 경부하 시에 전력을 저장하고 첨두부하 시에 저장된 전력을 사용함으로써 수요관리 기능의 하나인 부하평준화를 도모할 수 있다. 한편, 풍력이나 태양광과 같이 출력의 변동성이 심한 신재생에너지를 전력망에 직접 연계할 경우 계통에 물리적으로 무리를 줄 수 있고, 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 마이크로그리드 (Micro Grid) 역시 신재생에너지의 불안정한 출력을 보완하는 것이 중요하다는 측면에서 신재생에너지와 전력망 사이에서 완충 역할을 할 수 있는 ESS의 적용이 필요하다.

에너지저장장치의 이러한 부하평준화 기능 및 계통안정화기능에 관한 연구 및 실증이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라 우리나라 정부도 “에너지저장 기술개발 및 산업화 전략\”을 발표함으로써 세계 3대 에너지저장장치 산업 강국으로 도약하기 위한 첫 걸음을 내딛었고 RPS (Renewable Energy Portfolio Standard, 신재생에너지공급의 무화) 또는 EERS (Energy Efficiency Resource Standard, 에너지공급자 효율향상의무화) 시행 방안 중의 하나로서 ESS 설치 의무화를 추진하고 있다. 미국의 캘리포니아 주에서는 2009년 9월에 ESS 보급을 촉진하기 위한 AB2514 법안을 발표하였는데, 이 법안에 따라 2014년까지 최근 5년간 평균 최대 전력수요의 2.25% 용량 수준으로 계통연계형 ESS 설치를 의무화하고 2020년까지는 설치 목표를 최소 5%까지 증가시킬 계획을 갖고 있다[1].

구성 형태가 다양하고 운영방식에 따라 다양한 특징을 갖는 ESS의 설치 효과를 분석하기 위해서는 우선적으로 최소 용량 선정과 편익 분석 절차가 필요하다. 이에 따라 본 논문에서는 주택용 ESS의 설치 시 편익분석을 위해 부하평준화 효과를 수리모델링하고 이를 기반으로 부하평준화 효과를 분석한다. 그리고 5종의 ESS용 배터리 특성을 분석하여 최소용량과 방전심도에 따른 수명 및 경제성을 분석하여 종류를 선정하고 ESS 설치로 인한 편익을 수리적으로 계량화한다. 최종적으로 캘리포니아 테스트를 통하여 경제성을 평가하고 스마트 플레이스 고객을 대상으로 사례연구를 수행하여 적정 지원금 범위를 추정하고 가이드라인을 제시한다.

 

2. ESS의 기능 선정

2.1 ESS의 기능과 편익

ESS의 기능 및 각 기능에 대한 편익을 다음 표 1에 보였다[2]. 부하평준화 기능은 ESS가 충전 및 방전 패턴의 형태에 따라 첨두부하 삭감, 기저부하 증대, 부하이전, 가변부하 조성 등 전통적인 수요관리기법을 동일하게 구현할 수 있다는 점에서, 기존의 수요관리 편익과 마찬가지로 전력회사 입장에서는 전력공급설비의 건설과 비싼 연료 수입을 회피할 수 있고 고객 입장에서는 전기요금 감소의 편익을 갖는다. 한편, 일부 수요관리 프로그램을 통하여 계통보조서비스, 전력품질 보상 및 비상전원 등의 기능을 구현할 수는 있는 것과 마찬가지로 ESS 역시 목적에 맞게 설치 및 운용함으로써 이러한 기능을 구현할 수 있다. 또한, 신재생에너지와 함께 ESS를 동시에 설치 및 운용함으로써 필요에 따라 전력생산 시간을 조정하고 불안정한 출력을 보완해줄 수 있게 된다.

표 1ESS의 기능과 편익 Table 1 Functions and benefits of ESS

2.2 ESS 기능의 편익 계량화 방안 고찰

앞에서 언급한 네 가지 기능에 대한 편익을 계량화하기 위한 방안을 다음과 같이 고찰해본다. 부하평준화기능은 부하의 이전으로 인해 전력회사 입장에서는 전력공급설비의 투자 지연 및 LNG와 같은 비싼 연료의 수입을 줄일 수 있다는 측면에서 편익이 발생하고 고객의 입장에서는 비싼 시간대의 전기요금 감소만큼 편익이 발생하므로 각각의 편익을 계량화할 수 있다. 이에 대한 계량화는 전력공급설비회 피비용과 설비투자지연편익[3]은 알고 있는 값으로 주어지고 전기요금 편익은 부하평준화를 일반화한 식으로 계산한다.

ESS의 위치와 용량에 따라서 계통 보조 서비스 기능을 통하여 계통의 송전혼잡을 완화할 수 있는데, 송전혼합이 발생한 위치와 ESS가 대체하는 발전기의 종류에 따라 편익이 달라지기 때문에 그 편익을 계량화하는 것이 매우 복잡해진다. 또한, 예비력 및 주파수 안정화에 기여할 수 있는데 미국의 일부 전력시장과 같이 가격화하여 서비스를 제공하기도 하지만, 현재 우리나라의 경우에는 구체화되어있지 않기 때문에 본 논문에서는 대상으로 하지 않는다. 전력품질 및 신뢰도 개선기능 중 전력품질은 정전압, 정주파수, 깨끗한 전기 파형을 유지하는 것으로 전력품질비용으로 주어지고[4] 신뢰도 개선에 대한 이득은 정전을 방지하는 기능이므로 정전비용[5]으로 주어지나, 이들 비용은 그 자체적으로도 계량화하기 어려운 특성을 갖고 있다. 신재생 에너지 출력 제어 기능의 경우 신재생에너지의 출력이 불안정한 시점과 그 양에 따라 매우 다양한 경우가 존재하기 때문에 마찬가지로 계량화하기가 쉽지 않다.

이에 따라 본 논문에서는 ESS의 기능 중 상대적으로 계량화하기 용이하고 기존의 수요관리 편익을 그대로 적용할 수 있는 부하평준화 기능에 초점을 맞추고, 산정하기 복잡한 나머지 기능의 편익 계량화는 후속 연구에서 진행하기로 한다.

 

3. ESS의 종류 및 최소용량 결정

3.1 방전심도를 고려한 경제적인 ESS 종류 선정

ESS는 방전심도(Depth of Discharge, 이하 DOD)에 따라 수명이 달라지므로 선행 연구 결과[6]를 활용하여 수명을 고려한 1회 충·방전 시 비용을 표 2에 나타내었다. 최근에는 리튬이온(Li-Ion) 배터리에 대한 관심이 높고 관련 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나 아래 표에서 보는 바와 같이 아직까지는 경제성이 낮은 편이다. 이에 따라 본 논문에서는 ESS의 빠른 보급과 주택용 수준에서 적용하기 위해서는 기존의 저가형 배터리부터 추진하는 것이 바람직하다는 관점에서 표 2에서 보는 바와 같이 가장 경제적인 DOD 50%의 Drycell을 선택하였다.

표 2DOD에 따른 1회 충방전비용 [단위 : 원] Table 2 Charging & discharging cost by DOD [unit : won]

3.2 계절별·요일별·시간별 전력소비 행태

스마트 플레이스용 ESS의 최소용량을 결정하기 위하여 그림 1과 같은 전형적인 주택용 부하곡선을 고려했는데, 향후 구축되는 스마트 플레이스의 부하패턴이 어떤 형태로 구성될지 현재로서는 파악하기 어렵기 때문에 본 논문에서는 기존의 주택용 부하와 동일한 패턴을 갖는다고 가정하였다. 그림 1의 주택용 부하 특성은 전체 부하 특성과 달리 오후 시간에 피크부하가 나타나지 않고 야간시간대에 피크부하가 나타난다. 전체 계통의 피크부하는 오후시간대에 나타나므로 새벽시간대에 충전하여 오후시간대에 방전을 한다고 가정하였다.

그림 1계절별 주택용 부하곡선 Fig. 1 Seasonal load curves of residential sector

3.3 주택용 ESS의 부하평준화 방안

주택용 부하는 주로 저녁시간대에 피크가 발생하기 때문에, 경부하시간대인 심야전력을 이용하여 충전하고 주택용 부하의 피크시간이 아닌 계통의 피크시간대인 오전 근무시간 또는 오후 2시에서 4시 사이 즈음에 방전하는 것이 전체 전력계통의 관점에서 봤을 때 이익이 될 것이다. 따라서 본 논문에서는 그림 2와 같이 전력 사용이 적은 경부하시간대에 충전을 하고 전체 전력계통의 최대부하 및 중부하시간대 일 때 방전하여 부하를 이동하는 방법을 고려하였다. 만일 해당 주택용 부하가 단지 비상용으로만 ESS를 사용한다면 이러한 가정이 아니라 충전한 전력을 저녁시간대에 방전하는 것이 타당하겠으나, 본 논문에서는 전력계통의 관점에서 고려하고 있기 때문에 그림 2와 같은 패턴의 ESS 부하평준화 방안을 고려하였다.

그림 2ESS의 부하이전 효과 Fig. 2 Load shifting effect by ESS

 

4. ESS 부하평준화 기능의 모델링

4.1 캘리포니아 테스트

캘리포니아 테스트는 UC(전력회사), P(참여자), RIM(비참여자)로 나타나는 각 경제주체에 대하여 비용/편익 분석을 실시하고 지원금에 따라서 각 주체들의 비용/편익이 어떻게 달라지는가를 보여주는 방법론이다. 캘리포니아 테스트의 각 주체별 비용/편익은 다음과 같이 구한다. 여기서, AC는 회피비용, OC는 프로그램비용, UH는 전력회사 기기비용, PH는 참여자 기기비용, I는 지원금, LR은 요금 수입감소액을 의미한다.

캘리포니아 테스트를 통하여 BESS 설치에 대한 지원금(I)의 범위를 결정하기 위해서 3가지 주체의 회피비용( AC), 프로그램 비용( OC), 전력회사 기기비용( UH), 참여자 기기비용( PH)은 주어지는 값이고, 요금 수입 감소액( LR)은 위에서 언급한 바와 같이 계량화하는 수학적 모델링을 수립하여 구해야 한다. 지원금( I)은 변수로서 지원금을 변동시키며 각 주체의 비용/편익을 계산하고 적정 지원금의 범위를 결정하게 된다. 따라서 본 연구는 부하평준화에 의한 편익만을 산정하는 방법을 제안한다.

4.2 ESS 주요 기능의 계량화 방법

4.2.1 부하곡선의 단순화

현재 주택용 전기요금은 시간별 차등이 없으나 향후 ESS의 본격적인 보급에 따라 주택용 전기요금제가 시간대별로 차등을 둔 요금제로 개선될 수 있다는 가정 하에 일반용 전기요금을 적용한다. 수학적 모델링을 위하여 우리나라 요금제에서 채택하는 세 가지 시간대의 부하 값과 피크부하가 나오는 시간의 부하 값을 다음과 같이 단순화시켜 실제 부하곡선을 계량화한다.

그림 3모델링을 위한 단순화된 부하곡선 Fig. 3 A simplified load curve for modeling

4.2.2 부하평준화기능 모델링

아래의 식은 구간을 피크부하시간과 최대부하시간대, 중부하시간대, 경부하시간대로 나누어 경부하시간대에 충전을 하고 피크시간과 최대부하시간대에 방전을 하는 경우 부하 평준화를 계량화 할 수 있는 일반화된 식이다. 피크부하가 나타나는 시간대는 1시간이고 피크부하는 LP,최대부하시간대가 tH1부터tHl까지고 이때의 부하전력은 LH , 중간부하시간대가 tM1부터 tMn까지고 이때의부하전력은LB ,경부하시간대가 tB1부터 tBn 까지고 이때의 부하전력을 LB 라고 구분하다.

경부하시간대에 충전을 하게 되면 임의의 경부하 시간대에 부하전력 변화 ΔLBi 가 생긴다. 하지만 임의의 경부하 시간대에 최대로 충전할 수 있는 부하전력 V(ESS)B가 존재한다. 또한 피크부하와 최대부하가 나타나는 시간대에서도 각각 최대로 방전을 할 수 있는 부하전력 V(ESS)p , V(ESS)H가 존재한다. 그리고 경부하 시간대의 충전량을 EB , 중부하 시간대의 방전량을 EH, 피크부하 시간대의 방전량을 EP로 나타내고 방전을 할 때 전력손실이 일어나므로 효율을 η으로 나타낸다.

4.2.3 부하평준화기능에 의한 요금수입 감소액 산정

부하이동에 의해 비싼 최대부하시간대의 요금이 상대적으로 더 낮은 경부하시간대의 요금으로 대체되기 때문에 요금수입 감소가 발생한다. 여름의 대표일 요금 수입 감소액은 ΔCs이고 여름은 Ds만큼 지속된다. 봄·가을의 대표일 요금수입 감소액은 ΔCF이고 봄·가을은 DF만큼 지속된다. 겨울의 대표일 요금 수입 감소액은 ΔCW 이고 DF만큼 지속된다. 각 계절의 대표일 요금 수입 감소액은 식 (10)과 같이 구해지고 1년간 요금 수입 감소액은 식 (11)과 같이 구해진다.

 

5. 사례 연구

5.1 캘리포니아 테스트에 의한 적정 지원금 산정

주택용 고객을 대상으로 지원금에 대한 ESS 1대당 캘리포니아 테스트 결과는 다음 표 3과 같다. 적용된 회피설비 비용은 237천원/kW(발송배전 모두 포함), 회피에너지비용은 76.6원/kWh로서 LNG 복합화력에 준한 값이다. 실제 관련프로그램이 시행되면 발생할 수 있는 전력회사 기기비용, 프로그램 관리비용 등은 전체 계통 규모에서 경제성분석을 할때는 반영해야 하겠지만, 본 사례연구에서는 대당 경제성을 평가하기 위한 목적이므로 편의상 생략하였다. ESS 기기비용은 DOD 50%인 정격용량 550W인 Drycell의 경우로서 설치비용을 포함하여 42만원 수준으로 고려하였다. 표 3의 값들은 ESS 수명을 고려한 순현가비용 환산값이다.

표 3ESS 1대당 순현가비용 기준 B/C 결과[단위 : 천원] Table 3 B/C results of one ESS in net present cost

5.2 지원금 변동에 따른 각 주체들의 비용/편익 평가

선행 연구에서 지원금 수준을 평가한 방법과 마찬가지로[7] 지원금 수준을 변화시켜가며 주택용 고객을 대상으로 한 캘리포니아 테스트의 결과는 다음 그림 4와 같다. 지원금의 수준에 따라 전력회사와 참여고객의 입장은 정반대로 나타난다. 즉, 지원금 수준이 높아질수록 전력회사에게는 부담이 되고 고객의 입장에서는 지원금이 낮을수록 해당 프로그램에 참여하려는 의지가 낮아지게 마련이다. 따라서, 관련 주체들이 모두 만족할 수 있는 수준은 일정한 범위 내에서 결정되어야 하는데, 선행 연구의 사례와 같이 전력회사, 참여자, 비참여자가 모두 만족할 수 있는 교집합이 나타날 수 있는 경우(교점이 3개 존재)에는 3자가 모두 만족하는 수준에서 지원금이 결정될 수 있으나, 본 논문에서와 같이 그렇지 않은 경우에는 1∼2개의 교점 내에서 결정하는 방법이 합리적이라 할 수 있다. 만일 교점이 전혀 존재하지 않는다면 지원금 수준을 재조정하거나 프로그램 설계를 전반적으로 새로 하는 것이 바람직하다.

그림 4지원금 변동에 따른 각 주체들의 비용/편익 Fig. 4 B/C variation by subsidy levels

5.3 적정 지원금 제안

ESS 설치 시 가장 큰 편익은 부하평준화로 발생하는 회피비용이다. 반면에 ESS 설치로 인한 전기요금 편익은 참여자 기기비용에 비해 상당히 낮은 것이 현실이다. 그러므로 전력회사의 이익을 고객인 국민에게 적정한 지원금 형태로 지원해주어야 국가 전체의 이익을 얻을 수 있다. 앞의 그림 4와 같이 참여자의 비용/편익 지표인 P와 비참여자의 비용/ 편익 지표인 RIM이 동일한 값을 갖는 수준을 최소지원금으로, 전력회사의 비용/편익 지표인 UC와 동일한 값을 갖는 수준을 최대지원금으로 하여 이 두 값 사이에서 지원금을 결정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 한편, 만일 프로그램 예산이 충분 할 경우에는 상한선인 43만원, 예산이 부족할 경우에는 하한선인 34만원을 적정한 지원금으로 결정할 수 있다는 것을 가이드라인으로 제시할 수 있다.

 

6. 결 론

본 논문에서는 부하평준화 기능을 갖는 주택용 ESS를 대상으로 경제성 평가를 하기 위하여 비용 및 편익을 모델링하고, 향후 스마트 플레이스 환경 하에서 주택용 ESS가 보급되었을 경우를 가정하여 최소용량과 종류를 결정하였다. 국가적 관점에서 캘리포니아 테스트를 이용하여 ESS 설치 효과를 평가하고 ESS 보급을 위한 적정 지원금 수준의 범위를 제안하였다. 현실적으로 지급되는 지원금은 보급지원 예산의 한도 내에서 지원 프로그램 운영자의 판단에 따라 그 수준을 적절히 조정하게 된다는 측면에서 본 논문에서 제시하는 바와 같이 지원금 수준을 일정 범위로 제안하는 것이 합리적인 것으로 판단된다. 지원금 수준의 판단을 보다 정밀하게 하기 위해서는 ESS의 설치 및 보급과 관련하여 상세한 비용편익요소를 분석해야 하고, ESS의 생산 및 판매와 관련된 경제주체들의 입장과 시장전망을 고려한 다 양한 연구의 수행이 요청된다. 아울러 ESS의 보급 확산에 따라 변화하게 될 것으로 예상되는 전력계통 전체 및 각 용도별 부하패턴 변화와 이를 반영한 전력계통해석이 가능하도록 하기 위하여 ESS 특성을 정밀하게 반영한 부하모델의 개발이 서둘러 진행되어야 한다. 한편, ESS의 보급은 고효율기기 보급과 달리 제품의 보급확산 형태로 나타나는 것이 아니라 마이크로그리드와 같은 새로운 시스템의 확산을 동반하게 되므로, 보다 정밀한 ESS 지원금 산정을 위해서는 전력계통의 패러다임 변화를 반드시 고려해야 할 것으로 판단된다.