ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 4, pp. 455~460, 2014 http
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1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 4, pp. 455~460, 배터리충방전특성을고려한제주계통의적정 ESS 용량과탄소배출량산정에관한연구 A Study on the Evaluation of the ESS Capacity of Considering for Charge-Discharge Characteristic and CO 2 Emission in Jeju 구본희 * 차준민 (Bon-Hui Ku Jun-Min Cha) Abstract - South Korea s power consumption is increasing every year. For stable electric power supply, more generation facilities are needed. But it is not easy to build nuclear power generation facilities, so provision of renewable energy is thought of as the solution. For the system s stable management, practical use of energy storing system is needed. Currently, pumping up electric power station is considered most useful. In this study, we have calculated the least amount of energy storing device by considering the renewable energy, HVDC, and change in power for the appliance of ESS in Jeju system, according to The 6 th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand. Also we have calculated the amount of the battery and about the load equalizing effect to use battery as power storing device. Finally, we have calculated the reduction of electricity generation and the reduction of CO 2 emission with this study. Key Words : ESS, BESS, CO 2 emission, The basic plan for long-term electricity supply and demand 1. 서론 소를통한탄소배출감축량을산정하였다. 산업의발전과전기기기의보급으로인하여우리나라의전력소비는매년증가하여평균 4.4% 의증가율을보이고있다. 피크부하에대응하기위하여전력수요의증가에따라발전소의증설및신재생에너지의보급이대안으로제시되고있지만변동성이큰신재생에너지의직접적인계통투입은다른발전원의대응이필요하며, 원자력발전은설비의증설뿐만아니라부하변동에즉각적인대응이어려운특성을보이고있다. 계통의안정적인운영을위하여에너지저장에대한필요성은항상있어왔으며이에대한역할을주로양수발전소에서담당하여왔다. 6차전력수급기본계획에따르면스마트그리드확산을위하여에너지저장시스템 (Energy Storage System: ESS) 을 2015년 500MW, 2020년까지 2,000MW로확대할예정이다 [1]. ESS의적용으로풍력발전등의변동이심한발전원의출력을효율적으로사용가능하며, 계통발전원의구성에따라 ESS를도입하여효과적인운영이가능하다. 본연구에서는제주계통의에너지저장장치적용을위하여제 6차전력수급기본계획을바탕으로신재생에너지, HVDC, 출력변동량등을고려하여에너지저장장치의최소용량을산정하고, 배터리를전력저장장치로사용하기위한특성을반영하여용량을산정하고부하평준화효과에대하여연구하였다. 또한, 이를통하여화력발전설비를이용한발전량감 Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Daejin University, Korea chamin@daejin.ac.kr * Dept. of Electrical Engineering, Daejin University, Korea Received : December 30, 2013; Accepted : February 18, 에너지저장장치 2.1 에너지저장장치 ESS는전력의공급과수요의균형을유지하기위하여사용가능하며, 전력수요가적을때유휴전력을저장하고과부하이거나비상시에전력을공급하여피크부하의분산을통하여투자비를절감하고전력예비력을높여대규모정전사고에효과적으로대응할수있다. 전력계통에서의에너지저장장치의역할은충방전주기에따라장기와단기로구분가능하다. 단기적인역할로는주파수및전압조절, 전력품질개선, 신재생에너지원출력변동성개선등의역할이가능하며장기적인역할로는첨두부하삭감 (peak shaving) 과부하평준화 (load leveling) 를통한부하의이동을목적으로한다. ESS는신재생에너지의불안정한출력을보상해주는역할도함께하고있다. 현재사용중인 ESS중양수발전은경부하시에잉여전력으로양수하고피크부하시에발전하여계통안정도를높이는방법으로사용되고있다. ESS의종류는배터리에너지저장장치 (Battery Energy Storage System : BESS), 플라이휠, 압축공기에너지저장등이있으며현재양수발전이가장널리사용되고있다. 2.2 배터리를이용한에너지저장장치배터리에너지저장장치는화학적인방법을통하여전력에너지를저장하는것을말하며부하평준화뿐만아니라전력품질및피크부하대응용으로사용되고있다. BESS에는리튬이온전지, NaS전지, 납축전지등이있다. 이중가장광범위하게사용중인리튬이온전지는에너지밀도와효율이높 배터리충방전특성을고려한제주계통의적정 ESS 용량과탄소배출량산정에관한연구 455
2 전기학회논문지 63 권 4 호 2014 년 4 월 으나비용이많이들고셀용량이작기때문에부하평준화용으로는 NaS전지가주로이용되고있다. NaS전지는에너지밀도가높고대용량화가가능한반면고온시스템사용으로인한위험성이존재한다. BESS는출력변동이큰신재생에너지원과연계되어중요한요소로작용한다. 특히제주와같이풍력발전의생산이심야에집중된계통의경우는풍력발전의출력을 BESS 가저장하고부하시간에방전하여일정한전력을공급하는역할을한다. 현재세계적으로 BESS의계통연계프로젝트가실증단지로운영되고있으며주파수조정, 예비력, 부하평준화등의목적을가지고운영되고있다. 3. 배터리특성을고려한 ESS용량산정알고리즘제주계통에적용가능한최소 ESS용량을산정하기위하여최대수요와발전기의출력가능용량, HVDC연계선등을고려하고, BESS의최소용량을부하패턴에적용한경우 BESS운영효과와탄소배출감축량을산정한다. BESS용량산정과탄소배출량산정방법은그림 1과같다. ; 풍력발전기의이용률 [PU] 에너지저장장치의최소설비용량 을결정하기위하여계통의최대수요에서 HVDC용량, 출력변동량을차감하여값을산정한다. HVDC 설비용량은예비선로로이용되는용량과 1회선의송전용량의여유분을고려하여설비의이용비율 의변화에따라 를산정한다. max (2) 단, ; 에너지저장장치의최소설비용량 [MW] max ; 최대수요 [MW] ; HVDC용량 [MW] ; HVDC 송전용량의비율 [PU] ; 설비예비율 [PU] 3.2 배터리특성을이용한 ESS의운영 BESS의동작은충전상태와방전상태로나누어정의할수있다. 다음식은배터리의충방전상태의배터리내부의에너지이다. 다음식 (3) 과식 (4) 는배터리의충방전상태의에너지를나타낸다 [4-5]. 충전 : (3) 방전 : (4) 단, : t시간에배터리내부축적에너지 [kwh] : t시간에배터리모듈의입력전력 [kw] : 충전효율 : 방전효율 그림 1 BESS용량산정및효과분석방법 1 Evaluation of the BESS Capacity and Effect Analysis method 3.1 에너지저장장치용량산정전력계통에적용가능한에너지저장장치의적정설비용량을산정하기위해서는먼저전체계통의출력변동을고려한출력가능용량 ( ) 을산정한다. 출력가능용량은전체발전기의설비용량에발전기의고장정지확률을적용한용량과풍력발전기의설비용량에이용률을반영한결과의합으로현할수있다. 모든발전기의고장정지확률은 0.5[%] 를일괄적용하며, 풍력발전기의이용률은 20[%] 를적용한다 [2-3]. 충전상태의배터리는충전효율에의해배터리내부에충전이되고, 유지상태에서는주변설비가전력을소비하며, 방전상태에서방전효율을고려하여정격전력보다소비되는에너지가많게된다. 충전가능전력은방전심도 (Depth Of Discharge: DOD) 에의해판단한다. 방전심도는배터리의방전상태를나타내는수치로, 일반적으로정격용량에대한방전용량의비로나타낸다. 즉, 100% 의방전심도는배터리내부에축적된에너지를모두방전하여사용하는것이고, 80% 의방전심도는배터리에축적된에너지의 20% 는사용하지않고 80% 만출력 (1) 단, ; 출력변동을고려한출력가능용량 [MW] ; 전체발전기의설비용량 [MW] ; 발전기의고장정지확률 [PU] ; 풍력발전기의설비용량 [MW] 그림 2 배터리의방전심도와사이클 [5] 2 Depth of Discharge and Cycle of Battery 456
3 Trans. KIEE. Vol. 63, No. 4, APR, 2014 하여사용하는것을의미한다. 방전심도는배터리의충방전사이클과수명에영향을준다 [5]. 4.1 제주계통의특징 4. 사례연구 제주는육지계통에비하여규모가작고사용하는에너지의대부분을육지계통과의연계선을통한공급에의존하고있어불안정함을보이고있다. 현재 3기의석유화력발전소와제주-육지간해저연계선 (HVDC) 으로전력을공급받고있는제주계통은제 6차전력수급계획에따르면화력발전 ( 석유 ) 설비를더이상증설하지않을계획이며, 대규모신재생에너지원이투입될예정이며 2027년에는설비용량이 938MW까지증가할전망이다 [1,6,7]. 제주계통의화력발전총설비용량은 740MW이다. 중유와등유를사용하는기력, 내연, 복합화력이 575MW이며 110MW의조상기를포함한가스터빈이 165MW 포함된용량이다. 다음 2는 2012년한국전력통계에실린제주화력발전설비와발전현황이다 [8]. 연도 1 제 6 차전력수급계획에따른제주계통의전원구성 Table 1 The 6th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand in Jeju 석유 정격용량 신재생 피크기여 HVDC ( 단위 : MW) 최대수요 발전원별발전량과전력소비량 Table 3 Power generation and power consumption ( 단위 ; [MWh]) HVDC 1,146,540 1,015,469 1,181,431 1,175,007 1,144,895 기력 1,923,483 1,988,474 1,967,511 2,014,840 2,211,899 내연 334, , , , ,713 복합 24,282 48,214 46,244 44, ,602 가스터빈 ,168 1,085 2,333 신재생 71, , , , ,313 발전량 3,501,179 3,678,310 3,895,810 4,033,539 4,207,755 소모량 3,183,210 3,352,343 3,574,624 3,710,080 3,864,639 수요의증가뿐만아니라무더위로인한열대야로야간에부 하가집중되는특징을보인다. 시간별부하의패턴을구하 기위하여 1일중의최대부하를 1로설정한후, 시간별부하 의값 을구할수있다. 첨두부하를이용하여정규화된 1 일동안의시간별부하 를각시간에따라평균값을구하 여 24시간동안의값을얻을수있으며, 계산결과의최대값 은 1보다작기때문에최대값을 1로보정하여부하패턴을 얻을수있다. 다음그림 3은 2009년 1월 2011년 8월까지 의부하데이터를사용한부하의패턴이다 년제주화력발전설비와화력발전현황 Table 2 Thermal Power Generating Unit and Condition of 2012 in Jeju 발전소명 설비용량발전량 [MW] [MWh] 기력 제주 ,427 ( 중유 ) 남제주 200 1,310,473 복합화력 ( 등유 ) 한림 ,603 제주GT 165 2,313 내연제주내연 ,846 ( 중유 ) 남제주내연 40 49,900 합계 740 2,856,562 제주계통의전력소비량은꾸준히증가하여매년약 5% 의증가를보이며, 연간전력소비량과발전량은약 10% 의차이를보이고있다 [8]. 제주계통의최대전력수요는빠른속도로증가하여 2013년 8월 8일오후 9시에 715MW의최대전력이발생하여 2014년도최대수요예상치 (720MW) 에근접한수요가발생하였다. 제주계통은전체전력사용량의 48% 정도를서비스업에서사용하고있을정도로관광산업의비중이크게나타나며, 관광 그림 년 2011 년의부하패턴 3 Load Pattern in 그림 3의부하패턴에서최대부하는저녁 9시사이전후로, 기저부하는새벽 4시전후로발생하는것을알수있다. 부하패턴을통하여다음 4와같이제주의시간대별부하상태를구분하였다. 4 제주의시간대별부하상태 Table 4 Hourly load Condition in Jeju 시간대 부하상태 1 02:00 06:00 경부하 2 06:00 19:00 중간 3 23:00 02:00 중간 4 19:00 23:00 최대 ESS의이용은기저부하시간에충전하고최대부하시간에방전을하는것이다. 그러나신재생에너지중풍력발전에서생산된에너지가차지하는비중이큰것에비하여전력을 배터리충방전특성을고려한제주계통의적정 ESS 용량과탄소배출량산정에관한연구 457
4 전기학회논문지 63 권 4 호 2014 년 4 월 생산하는시간은심야시간이기때문에공급가능한용량과실제부하가발생하는시간과일치하지않는다. 그러므로 6 차전력수급기본계획의피크기여도를적용하여공급가능한 ESS용량을산정할수있다. ESS의용량를산정하기위하여 HVDC의이용은예비선로로사용되는 HVDC 1회선의용량을총용량의 50% 로가정하여 1회선만사용하며, 송전용량을 100% 이용하는경우와송전에사용되는 HVDC의송전용량에여유를두고 50% 의송전용량을갖는경우를가정한다. BESS의운영은충전을시작하여정격용량으로충전을완료하면충전상태를유지하다가수요가증가하면방전하여방전심도까지방전하여동작하는것을가정하였다. 5는 NaS배터리의사양에대하여나타낸다 [5]. 5 BESS(NaS) 의사양 [5] Table 5 BESS(NaS) Specification 배터리용량 4MW 28MWh 운영방전심도 90% 보조설비용량 136kW 충전효율 90% 방전효율 95% 4.3 ESS 적용후탄소배출량산정 탄소배출량산정은사용한에너지량에탄소배출계수를곱하여산정하며, 신재생에너지원의투입으로인한탄소배출저감량산정방법은전력을사용하여발생하는탄소배출량과화석연료를통해발생하는탄소배출량에서신재생에너지를이용한발전량과연간수전량에해당하는탄소배출량을뺀값과같으며다음식 (5) 와같다. 우리나라는국가고유배출계수를개발중에있어 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 에서만든배출계수를적용한다 [9]. (5) 단, ; 연간탄소저감량 : 연간전력수요 (kwh) : 전력의탄소배출계수 : 기존시스템발전량 : 발전원별탄소배출계수 : 신재생에너지원발전량 : 신재생에너지도입이후의연간수전량 (kwh) 6 IPCC 탄소배출계수 Table 6 IPCC Carbon Emission Factor 에너지원 탄소배출계수 [kg C/kWh] 석탄 석유 가스 바이오매스 태양광 수력 풍력 지력 전력 제주계통에적용가능한최소 ESS 설비용량산정 결과 Table 7 Calculation Results of the Minimum Installed Capacity of ESS in Jeju 설비용량반영 [MW] 피크기여반영 [MW] 배터리를이용하여계통에필요한 ESS를운영할경우 DOD에의하여설비용량 100% 로운영하는것은배터리수명에영향을미치기때문에 80% 로운영하는것을가정한다면 2013년을기준으로필요한 33.15MW를공급하기위하여 41.15MW의배터리가설치되어야한다. BESS를이용한계통운영방법은크게두가지방법으로나눌수있다. 첫번째는에너지비용저감을위한운영방식이고, 두번째는최대전력수요감소를위한부하평준화운영이다. 부하평준화효과를산정하기위하여 년의데이터를통하여일간전력수요패턴을구한후, 2013년최대부하를반영하여일간패턴을만든후 3의부하상태에따라 BESS를분배한다. 다음그림 4는에너지비용의저감을위해일부하에일정용량의 BESS를분배하여정해진시간에충방전동작을 4.4 사례연구결과제주계통에적용가능한 BESS의최소용량을산정하기위하여설비용량과피크기여도를반영하는두가지방법으로사례연구를수행하였다. 실제최대수요가발생하는시간인피크기여용량을반영한경우 ESS의필요성이더크다는것을알수있다. 그림 4 에너지비용저감을목적으로한부하평준화효과 4 Load Leveling Effect for Cost Reduction 458
5 Trans. KIEE. Vol. 63, No. 4, APR, 2014 시행한부하곡선을나타낸다. 그림 5는부하패턴을예측하여충방전을위한동작을유지하도록운영하여최대부하의감소를위한부하평준화운전을나타낸다. 로연간발전량을산정할수있다. 발전원별연간발전량산정을위하여설비이용률을고려하였다. 설비이용률은 2008년 2012년 5년간의발전원별설비이용률의평균으로가정하였으며 8과같다. 제 6차전력수급기본계획의발전설비에설비이용률을반영한발전량은 9와같다. 10 BESS HVDC 신재생에너지를 적용한 탄소배출량 과감축량 Table 10 Result of Carbon Emissions and Reductions using BESS HVDC Renewable Energy ( 단위 : T-C) CO2 전력탄소탄소화력신재생 HVDC 배터리감축량소비배출량감축량 [T-CO2] ,484,021 1,927,138 2,269 12, ,426,669 40, ,374 그림 5 최대부하감소를목적으로한부하평준화효과 5 Load Leveling Effect for the Reduction of peak load BESS의적용을통하여전력계통의안정적인전력공급이가능하게될것이며, 피크부하의분산을통하여부하율의증가하는효과를얻을수있다. BESS를적용하여발생하는탄소배출량을산정하기위하여제 6차전력수급계획의전력소비량과설비용량을기준으 8 발전원별설비이용률 Table 8 Power Source Capacity Factor ( 단위 : [%]) HVDC 기력내연복합가스터빈신재생 평균 제 6차전력수급기본계획에의한발전원별발전 전력량 Table 9 Generation Electricity by 6 th National Electricity Supply and Demand Planning ( 단위 : [MWh]) 전력소비량 화력발전기력 내연가스 복합 신재생 HVDC ,864,639 2,854,214 2, ,313 1,144, ,937,000 2,976,867 1, , ,132, ,058,000 2,976,867 1, , ,020, ,183,000 2,976,867 1, ,076,043 3,020, ,839,000 2,976, ,758,412 4,530, ,363,000 2,976, ,758,412 4,530, ,720,000 2,976, ,758,412 4,530, ,511,808 1,943,264 3,073 12, ,471, , , ,558, ,505 6,578 33,225 1,405 2,000,985 1,625,2896,988, ,606,272 89,744 11,836 33,225 1,124 1,742,201 1,933,585 8,314, ,858, ,343 10,387 3,626 1,891,930 2,043,503 8,787, ,059, ,343 13,861 5,0592,098,053 2,044,936 8,793, ,196, ,343 18,181 5,0592,239,461 2,044,936 8,793, 년 2012년운영실적 [8] 에따르면제주계통의발전 량이전력소비량보다약 10% 크게나타나므로, 제주계통에 필요한총발전량은전력소비량의 110% 를가정하였다. 배터 리와 신재생에너지가 화력발전을대체하여우선 투입되고 발전량의부족분을 HVDC로공급할때, 탄소배출량산정결 과를 10에나타내었다. 화력발전설비중기력 내연 복합 발전기를사용하지않더라도조상기로사용하기위한가스 터빈은운영하는것으로가정하였다. 2012년제주계통의전력소비량은 3,864,639MWh이고, 총 발전량은 4,207,755MWh 이다. 사례연구결과 2012년에필요 한 BESS의용량은 23MW로, 1년동안사용한다면배터리의 연간발전량은 58,765MWh이다. 배터리를계통운영에사용한 다면유류를이용한화력발전소의발전량을 2,759,449MWh 로 감축할수있다. 탄소배출량을비교하여보면 BESS를적용하 기전탄소배출량은 3,466,988T-C에서 3,426,669T-C로 40,319 톤만큼의탄소를감축할수있는것으로나타났다. 이것은 173,374톤의이산화탄소를감축하는것과같은효과이다. 5. 결 론 본논문에서는제주계통에에너지저장장치를적용하기위 하여 6차전력수급기본계획의전원설비구성전망을바탕으로 에너지저장장치의 최소용량을 산정하였다. 에너지저장장치 중 첨두부하삭감과 부하평준화 역할을 동시에수행가능한 전력용 배터리에너지저장장치 (BESS) 의 특성을 이용하여 BESS의 최소용량을 산정하고 운영효과를 알아보았으며, BESS의계통적용시의탄소배출감축량을산정하였다. 1. 발전기의 출력변동량과 풍력발전, HVDC의 설비이용률 등을고려하여에너지저장장치의최소용량을산정한결 배터리충방전특성을고려한제주계통의적정 ESS 용량과탄소배출량산정에관한연구 459
6 전기학회논문지 63 권 4 호 2014 년 4 월 과신재생에너지의용량이증가할수록에너지저장장치를 통한계통운영의필요성이큰것으로나타났다. 2. 배터리에너지저장장치의 충방전특성과 방전심도를 고려 하여 BESS를운영하기위한용량을산정하였고, 전력수 요패턴을 이용하여 부하상태에 따라 BESS를 분배하여 최대수요감소효과와부하평준화효과가있음을확인하 였다. 3. 제주계통은 신재생에너지를 통한 발전량이 전력소비량 보다 커질 것으로 전망되므로 화력발전을 대체하여 BESS와신재생에너지원으로계통운영이가능하다. 화력 발전설비의대체 효과로 탄소배출량을 산정을통하여 탄소와이산화탄소배출저감효과가있음을확인하였다. 4. 추후비용최적화및부하수준등을고려한최적 ESS용량 산정에이용가능하며, ESS적용시경제성분석에관한 연구가필요하다. 감사의글 이논문은 2012년도정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구 재단의지원을받아수행된연구임. (NRF ) References [1] Ministry of Trade, Industry and Energy, The 6th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand [2] Jae-Gul Lee, Jeong-Hoon Sjin, Young-Do Choy, Su-Chul Nam, Tae-Kyun Kim, A Study on the Method to Evaluate Minimum Capacity of Energy Storage System(ESS) for Micro-Grid Design, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers Vol.23, No.10, pp, [3] Bon-Hui Ku, Jun-Min Cha, A Study on Necessity for the Application of ESS in Jeju power system, the Korean Institute of Electrical Engineers Summer Conference [4] Sung-Min Cho, Hee-Sang Shin, Jae-Chul Kim, Modeling of Battery Energy Storage System at Substation for Load Leveling and Its Economic Evaluation, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 61, No. 7, pp. 950~956, 2012 [5] Carl Johan Rydh, Bjorn A.Sanden, Energy analysis of batteries in phothvoltage system. part 2: Energy return factors and overall battery effieiencies, 2005 [6] KPX, 2012 Power System Operating Actual Results in Jeju, [7] KPX, 2012 Generating Equipment Current State, [8] KEPCO, KEPCO Statistics, [9] Jong-Hyun Lee, So Yeong Seol, Won-suk Ko, Si-Hwa Bae, Jung-In Choi, Jun-Hee Hong, Calculating the Optimal Capacity of Energy Storage System to Reduce CO₂Emission for Power System in Je-Ju, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol.59 No.7, [10] Korea Energy Economics Institute, 2012 Energy Statistical Yearbook, 저자소개 차준민 ( 車濬敏 ) 1964년 5월 9일생. 1989년고려대공대전기공학과졸업. 1991년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 1996년동대학원전기공학과졸업 ( 공박 ). 1996년 현재대진대전기전자통신공학부교수. Tel : Fax : chamin@daejin.ac.kr 구본희 ( 具本熙 ) 1984년 5월 4일생. 2008년대진대공대전기정보시스템공학과졸업. 2010년동대학원전기공학과졸업 ( 석사 ). 2010년 현재동대학원전기전자통신공학부박사과정. Tel : Fax : kbonhui@nate.com 460
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