기본연구보고서 14-23 에너지저장시스템 (ESS) 수요관리효과분석및시장조성방안연구 이성인

참여연구진 연구책임자 : 연구위원이성인 연구참여자 : 위촉연구원김진경

< 요약> 1. 연구필요성및목적 에너지저장시스템 (Energy Storage System, ESS) 은생산된에너지를 저장했다가필요한시기에공급할수있는시스템또는장치를말한 다. 에너지저장시스템은안정적이고효율적인에너지수급체계구축에 효과적인수단으로막대한시장잠재력이기대되며, 새로운성장동력 으로최근국내외에서주목받고있다. 이미주요선진국은에너지저장 시스템의확대를위해기술개발지원과함께정부예산으로에너지저 장시스템실증사업을추진하고보조금지급, 세금감면및의무화등 을실시하고있다. 기업도구체적인성과가예상되는에너지저장시스 템시장에적극적인관심을보이고있다. 현재국내전력시장의특징은산업용소비자의전기소비패턴변화 로평균부하증가율에비하여최대전력증가율이급격히증가하고 있다. 또한전체적인부하율은점차낮아지고있는반면, 계절별및 시간대별부하변동은커지는경향을보이고있다. 이러한상황에서안 정적인전력수급을위하여시간대별전기부하를평준화하여전력피크 에적극대응하고대규모정전사고등에효과적으로대응하는방안으 로에너지저장시스템의이용이급부상하고있다. 또한전력공급예비 력저하문제, 신재생에너지도입비중확대로계통에미치는출력변 동을고려할때에너지저장시스템의필요성은더욱증진될것으로예 상되는바이다. 에너지저장기술은최근빠르게진화하고있으나, 모든저장기술이 요약 i

다양한적용분야의활용용도에서요구되는기술적성능요건을모두 충족하고있는것은아니다. 대부분저장기술이개발중이거나아직 적용초기단계에있어위험과불확실성이크고, 아직은더많은검증 이필요하다. 따라서에너지저장시스템의보급확대를위해서는적용 가능한분야및용도를살펴보고용도별로요구되는기술적요건과 저장기술의현재수준및특성에대한검토분석이필요하다. 국가차 원에서상당한잠재적효과가기대될경우, 기술개발초기혹은시장 태동기에는정책적인재정적지원및법적제도적보완이요구된다. 또한설치및운영주체인소비자측면에서도경제성을확보하여시 장보급에활성화를이룩해야한다. 왜냐하면시장초기단계에있는에 너지저장시스템이빠르게시장보급이확산되지못하게되면에너지저 장시스템양산체제로의전환도더디어가격하락도그만큼지체되기 때문이다. 국내에너지저장시스템시장은아직초기단계로실증사업과시범보 급사업이추진중에있다. 특히, 초기높은투자비용의부담으로에 너지저장시스템시장형성에난항을겪고있으므로, 본연구에서는에 너지저장시스템의활용가능분야별수요관리( 부하관리) 효과와에너 지저장시스템보급활성화를위한제도적, 경제적, 정책적측면등을 종합적으로고려하여필요성및활용방안등에대한검토를통해정 책대안제시하고자한다. 2. 주요내용 에너지저장기술은현재국내외적으로다양하게상용화되어활용되 고있고, 또한기술개발도활발하게진행중이다. 이미개발된기술 ii

에대한실증사업도국내외에서활발하게추진되고있다. 에너지저장시스템의활용은전력계통에서전력수요와공급의불균 형을해소하기위해사용되는전력저장장치로발전소~ 송전~ 변전소~ 배전~ 수용가에이르는전과정에서다양한용도로이루어질수있다. 에너지저장시스템의발전서비스이용은전력계통의기존발전기와연 계하여발전자원으로전력시장에서전력판매와보조서비스제공을위 한활용과전기를저장한후필요시공급하여피크수요시점의전력 부하조절을통해전력계통의운영효율을최적화하는데이용될수 있다. 송전망서비스로는송배전망에연계하여송배전망의안정적운 영을위해필요한각종전력설비의역할을에너지저장시스템이담당 하여, 신규설비투자의지연과전력계통의신뢰성안정성을높일수 있다. 수용가측면에서는에너지저장시스템을이용하여전기생산및 소비환경의변화로발생하는전력계통의품질및신뢰성저하를방 지하는역할을수행할수있다. 특히신재생에너지발전과전기자동차 충전에따른전력수급의변동성이높아져전력망의불안정성이심해 질수있는상황에서에너지저장시스템은변동성이높은전기의공급 과수요를조절하고수시로변화하는주파수를조정하여전력망의신 뢰도향상기능을수행한다. 돌발적정전과같은전력계통의비상상 황에대비할수있을뿐만아니라또한수용가측면에서과거공급자 에게전적으로의존하던전기공급에서벗어나필요시자체공급으로 전기요금을절감하고, 외부계통의문제로야기될수있는구역내전 력계통의문제에효과적으로대응할수있다. 이러한에너지저장시스 템의효과는다양한용도로실증적용을통해입증되고있는만큼명 확하다. 요약 iii

국가별로시장의에너지저장시스템필요성및전력요금체계에따라 에너지저장시스템시장형성및발전방향도상이한형태를보일것으 로예상된다. 에너지저장시스템실증사례및보급정책을살펴보면, 미 국은전력노후화로전력계통용, 일본은비상전원확보를위해가정 용, 독일은출력변동성이높은신재생에너지발전의활성화를위해 신재생에너지발전용, 한국은전력피크수요감축을위해건물및공 장용에너지저장시스템시장에정책의우선순위를두고있다. 에너지저장시스템의설치투자의결정에있어서사업비투자계획 ( 비용) 에따른편익을추정하여당해사업이경제적인투자가치가있 는지를확인하는것이무엇보다우선한다. 에너지비용편익추정을위 하여저장시스템의효율을 90% 로가정하고, 현행전기요금체계에서 경부하시간대에충전하여최대부하시간대에방전할경우를가정하 여 1kwh 당사용량요금편익만을산정한결과, 현행요금체계에서에 너지저장시스템을설치활용할경우소규모전력사용고객보다는대 규모전력사용고객이유리한것으로나타났다. 계절별로는하절기에 가장큰편익을창출할수있었다. 일반용과산업용수용가가에너지 저장시스템을설치하여얻을수있는최대에너지편익을산정한결과 일반용전력( 갑) 고객은선택요금제에따라 46,858 58,769원의편익 을창출할수있고, 산업용전력( 갑) 고객의경우선택요금제에따라 56,418 59,988 원의에너지편익을창출할수있었다. 일반용전력 ( 을) 과산업용전력( 을) 고객의경우선택요금제에따라 139,402 142,376 원을에너지편익을창출할수있었으며, 고압A 선택의요금 제를선택한고객이가장적은편익을창출하였고, 고압A 선택요 금제를선택한고객이가장높은편익을창출할수있는것으로나타 iv

났다. 일반용전력( 을) 과산업용전력( 을) 고객중수요관리요금제도 를선택한고객은에너지편익을선택요금제에따라연간 139,583 141,327 원창출할수있어, 이는일반요금선택한경우의연간에너지 편익과비슷한수준이었다. 이는일반요금제에비하여최대부하요금 이높음에도불구하고주중최대부하시간대가연간 990 시간으로줄어들기때문이다. 1,488시간에서 에너지저장시스템의설치에대한경제성분석결과현재에너지저 장시스템설치비용이상당히높은수준이기때문에순현재가치가음 (-) 으로나타나고있어선택요금에관계없이모두경제성이전혀없는 것으로나타났다. 현재의상황에서투자비를에너지저장시스템의수 명기간이내에회수하기는불가능하기때문에에너지저장시스템을활 용하여설치비용이감소하거나연간에너지비용편익이증가되어야 경제성확보가가능하다. 에너지저장시스템설치비용하락과수요관리형선택요금 의최대 부하시간을늘리는에너지저장시스템전용수요관리형선택요금제의 도입을가정하여경제성민감도를분석한결과, 투자비회수기간은 8.1 8.3 년, B/C는 1.25 1.27, IRR은 12.3 12.8% 수준으로경제성 이있는것으로분석되었다. 또한현행일반용( 을) 과산업용( 을) 요금 체계에서에너지저장시스템설치비용이하락할경우경제성민감도 분석에서는일반용( 을) 과산업용( 을) 수용가는현행요금체계에서에 너지저장시스템의설치비용이 IkWh당 100만원수준으로하락할경우 경제성이있는것으로나타났다. 설치비용이 IkWh당 50만원수준으 로하락할경우 B/C는 2.04 2.04 수준, 투자비회수기간은 4.2 4.3 년, 내부수익률은 33.0 33.4% 수준으로나타났다. 에너지저장시스 요약 v

템전용선택요금제도에서경제성은설치비용이하락할수록경제성 이확대되었다. 3. 정책제언 현재에너지저장시스템은태동기의시장으로전망기관에따라상 이하나성장전망이밝은상황이다. 전망기관들의시장전망도점차적 으로낙관적으로바뀌고있다. 최근세계각국에서에너지저장시스템 실증프로젝트가활발하게진행되고있어 업적성장의초기단계를맞이할것으로예상된다. 2015년을전후하여서는상 그럼에도에너지저장시스템사업은아직초기단계로실제기업의 수익으로까지는연결되지못하고있다. 아직기업의수익성으로연결 되고있지는않지만, 조만간에너지저장시스템시장이활성화될것으 로예상된다. 국내외에서시행되고있는실증과정을통해에너지저장 시스템의효과가차츰입증되고있고기술신뢰성이확인될경우시 장이형성되어빠르게전개될것으로보인다. 빠른시장개화가예상되는국제에너지저장시스템시장과달리, 국 내에너지저장시스템시장은아직정부주도의초기시장단계이다. 현재민간주도의에너지저장시스템프로젝트는거의전무한상황으 로정부에서는에너지다소비민간기업들에게에너지저장시스템설치 를독려하고있지만권고에불과하며국내기업의관심에도불구하고 구체적인사업화수준으로연결되지못하고있는실정이다. 현재에너 지저장시스템보급에있어가장큰장애요인은에너지저장시스템의 경제성과기술적신뢰성확보이다. 에너지저장시스템의시장조성을위해서는우선적으로초기투자비 vi

의부담을완화해야한다. 우선적으로에너지저장시스템의초기투자 비부담완화를위한설치보조금지원이필요하다. 또한초기설치투 자비용에대해정부의보조금지원과함께에너지저장시스템을리스 (Lease) 하는방식또는제3자가투자하여설치운영하는방식으로초 기투자비에대한부담을완화하는방안도추진될필요가있다. 둘째 로현재와같이경제성이없는상황에서는고객이에너지저장시스템 의운영을통해전기요금절감효과를확실히볼수있는전용요금제 의도입이필요하다. 둘째로에너지저장시스템의기술신뢰성확보를위해정부-산업체가 긴밀한협력시스템을구축하여공동의노력이필요하다. 기술개발은 기술의신뢰성확보뿐만아니라가격경쟁력확보에도필수적인요인 이다. 첫째로비용경쟁력있는에너지저장기술의개발을위해서는 저장기술의성능( 저장효율, 저장밀도및수명등) 향상기술개발, 에너 지저장시스템에서원가비중이높은핵심구성요소의소재개발, 시스 템엔지니어링기술개발지원과함께제조능력제고, 새로운에너지저 장원천기술의개발확대노력이요구된다. 둘째로정부는응용분야별 기술개발전략과부품소재분야전문기업육성을위한지원을확대해 야한다. 에너지저장시스템산업은부품소재등후방산업에기회가 큰산업으로강소중소기업육성을통해양질의일자리창출및원천 기술확보문제를해결해야한다. 그리고저장기술을활용하여부가가 치를높일수있는산업군에대한차별화된기술개발및산업지원전 략이필요하다. 셋째로에너지저장시스템의기술신뢰성의확보하기위한검증확 인및정보공유가필요하다. 현재대규모저장용량에너지저장시스템 요약 vii

에대한충분한기간의실증경험부족으로기술적신뢰성에대한시 장의우려가있다. 보급확대를위해서는초기단계에서신뢰성을검 증하고확인하는것이중요하다. 따라서충분한기간동안의실증운영 을통하여발생가능한다양한문제들을확인하고적절한대책마련 이필요하다. 마지막으로에너지저장시스템의보급확산을통해전력피크수요 절감효과( 수요관리효과) 를거두기위해서는전력수용가( 전력소비 자) 의수용성이중요하다. 본격적으로에너지저장시스템의보급확산 사업이추진하기되기에앞서지금부터단계적으로추진되어야한다. 경제성이확보되어새로운비즈니스모델이확립되면수용가의수용 성확보의실질적주체는사업자가되겠지만, 초기단계인현시점에서 정부차원의수용가수용성확보방안및지원책이수립되어추진될 필요가있다. viii

ABSTRACT Energy storage technologies provide for multiple applications(backup power, load leveling, frequency regulation, voltage support, and grid stabilization). Importantly, not every type of storage is suitable for every type of application, motivating the need for a portfolio strategy for energy storage technology. Energy storage technologies have recently been in the spotlight, discussed as essential grid assets. Though they can provide numerous grid services, there are a number of factors that restrict their current deployment. Typically, new energy storage deployments have relied on government financial assistance, but in a few cases, they may be the preferred economic alternative at current price points. This report identifies the key barriers restricting further energy storage development and also includes a discussion of possible solutions to address these barriers. The most significant barrier to deployment is high capital costs. Though there are a number of regulatory and market barriers preventing the increased deployment of energy storage technologies, the primary barrier to deployment is high capital costs. Despite other barriers that exist, in most situations, this prevents a potential owner from creating a business case and further research is needed to decrease costs. Government, academia and manufacturers have an opportunity to play a key role Abstract i

here. Research should focus on reducing costs rather than improving marginal performance with the goal of a system that meets grid requirements at lowest possible costs. In addition to research focused on decreased storage system costs, additional initiatives aimed at opening market access for all resources to provide any services of which it is capable, should be implemented. Progress has been made in this effort, but much remains to be done and will require continued engagement from regulators, policy makers, market operators, utilities, developers and manufacturers. In this regards, A proactive regulatory intervention could be helpful in several areas to allow the emergence of new business models. This includes for instance the promotion of market access for aggregators which would allow for the participation of small scale electricity storage. Energy storage should be a well accepted contributor to realization of smart grid benefits specifically enabling confident deployment of electric transportation and optimal utilization of demand side assets. It is expected that early deployments will be in high value applications, but that long term success requires both cost reduction and the capacity to realize revenue for all grid services storage provides. Energy storage has a great potential to be a major electricity system asset. However, it requires regulations that enable market access, and research that reduces costs. ii

제목차례 제1 장서론 1 1. 연구배경및필요성 1 2. 연구목적 2 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 5 1. 에너지저장시스템 (ESS) 의개념및구성요소 5 가. 에너지저장시스템 (ESS) 의개념 5 나. 에너지저장시스템 (ESS) 의구성요소 7 2. 에너지저장시스템의종류및특징 8 가. 에너지저장기술 8 나. 전기저장기술 10 다. 열에너지저장기술 18 제3 장에너지저장시스템의활용분야및기대효과 23 1. 에너지저장시스템의활용분야및요구성능 23 가. 에너지저장시스템의활용분야 23 나. 에너지저장시스템의가치창출극대화 25 다. 에너지저장시스템활용용도별요구성능 28 2. 에너지저장시스템활용방안및기대효과 31 가. 발전자원으로활용 32 나. 송배전망연계활용 47 차례 i

다. 신재생에너지연계활용 55 라. 수요자원으로활용( 수용가) 57 제4 장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 61 1. 국내외에너지저장시스템실증및보급정책분석 61 가. 미국 63 나. 일본 64 다. 유럽 67 라. 한국 69 마. 시사점 74 2. 수용가에너지저장시스템경제성분석 76 가. 분석의필요성 76 나. 경제성판단기준계량화방법 78 다. 에너지저장시스템의비용및편익산정 81 라. 에너지저장시스템경제성및민감도분석 93 3. 에너지저장시스템시장조성정책제언 99 가. 경제성확보직접적지원방안 100 나. 기술신뢰성확보방안 103 다. 수용성확보방안 106 제5 장요약및결론 109 참고문헌 115 ii

표차례 < 표 -1> 저장방식에따른에너지저장기술의분류 9 < 표 -2> 생산에너지및용도에따른에너지저장기술분류 10 < 표 -3> 주요전기저장기술의원리및특징 11 < 표 -4> 전기저장기술별성능수준및기술적특성 12 < 표 -5> 주요국가정부문전기온수난방의전력소비 21 < 표 -1> 에너지저장시스템활용서비스분야 25 < 표 -2> 에너지저장시스템용도별복합활용매트릭스(Matrix) 27 < 표 -3> 에너지저장기술별기술성능특성 28 < 표 -4> ESS 활용분야별요구되는최소기술적요건(DOE) 30 < 표 -5> ESS 활용분야별요구되는기술적요건(IEA) 30 < 표 -6> 국내 ESS 의활용가능분야 31 < 표 -7> 발전기별특성비교 32 < 표 -8> 전력수급경보의종류, 경보요건 39 < 표 -9> 자체기동및계통복구흐름 45 < 표 -10> 저압표준전압및허용오차 51 < 표 -11> 전력계통전압조정목표및전압유지범위 53 < 표 -1> 주요국의 ESS 보급확산정책 61 < 표 -2> 국내외 ESS 실증프로젝트사례 62 < 표 -3> 일본이차전지기술개발로드맵 65 < 표 -4> 일본의에너지저장시스템보조금지원환산공식 66 < 표 -5> Terna 의전기저장시스템계약현황 68 차례 iii

< 표 -6> 국내 ESS 기술개발현황및기술수준 69 < 표 -7> ESS 구성분야별대중소기업현황 71 < 표 -8> 한국의 ESS 기술개발및산업화비전과목표 72 < 표 -9> 국가별 ESS 시장필요성및시장발전방향 74 < 표 -10> 에너지저장기술별비용특성 82 < 표 -11> 리튬배터리 ESS 설치비용 83 < 표 -12> 전기요금계절별시간대별구분 86 < 표 -13> 일반용( 갑) 및산업용( 갑) 고객연간에너지편익 산정결과 90 < 표 -14> 일반용( 을) 및산업용( 을) 연간에너지편익산정결과 91 < 표 -15> 수요관리형요금선택연간에너지편익산정결과 92 < 표 -16> 경제성분석을위한기본가정및적용상수 93 < 표 -17> 일반용( 갑) 및산업용( 갑) 계약수용가경제성 분석결과 94 < 표 -18> 일반용( 을) 및산업용( 을) 계약수용가경제성 분석결과 95 < 표 -19> ESS 전용수요관리형선택요금의경제성분석결과 96 < 표 -20> ESS 설치비용의하락에따른경제성변화분석결과 97 iv

그림차례 [ 그림 -1] 에너지저장기술종류및기술성숙도 6 [ 그림 -2] 에너지저장시스템의구성요소 7 [ 그림 -3] 원형리튬이온전지구조및원가구성도 15 [ 그림 -4] UTES 기본개념 20 [ 그림 -1] 예비력개념및분류 36 [ 그림 -2] 국내운영예비력운영기준 38 [ 그림 -3] 주파수조정서비스의유무에따른계통부하 40 [ 그림 -4] 주파수조정용 ESS 와발전기의운영방식비교 42 [ 그림 -5] 전력계통의송배전망설비구성 47 [ 그림 -1] 리튬이온이차전지공급체인(supply chain) 70 [ 그림 -2] 일방산업용( 갑): ESS 1kWh 방전에너지편익 ( 원/kWh) 87 [ 그림 -3] 일방산업용( 을): ESS 1kWh 방전에너지편익 ( 원/kWh) 88 [ 그림 -4] ESS 설치비용과투자회수기간( 일반요금) 98 [ 그림 -5] ESS 설치비용과투자회수기간( 수요관리요금 ) 98 [ 그림 -6] ESS 설치비용과투자회수기간( 전용요금제도입) 98 차례 v

제1장서론 1. 연구배경및필요성 에너지저장시스템 (Energy Storage System, ESS) 은생산된에너지를 저장했다가필요한시기에공급할수있는시스템또는장치를말한 다. 에너지저장시스템은안정적이고효율적인에너지수급체계구축에 효과적인수단으로막대한시장잠재력이기대되며, 새로운성장동력 으로최근국내외에서주목받고있다. 이미주요선진국은에너지저장 시스템의확대를위해기술개발지원과함께정부예산으로에너지저 장시스템실증사업을추진하고보조금지급, 세금감면및의무화등 을실시하고있다. 기업도구체적인성과가예상되는에너지저장시스 템시장에적극적인관심을보이고있다. 에너지원중전기는편리성으로생산활동및일상생활에서가장 광범위하게사용되고있다. 그러나생산과소비가동시에균형을맞추 어야하는특성으로인해시시각각변화에대응하기위한신속한출 력조정속도가필요하고, 생산단가가높은발전원가동과예비용량을 갖추어야하는단점을가지고있다. 그럼에도불구하고전력수요는사 용의편리성으로인하여향후에도꾸준히증가될것으로전망되며발 전용량확대가불가피한상황이다. 현재국내전력시장의특징은산업용소비자의전기소비패턴변화 로평균부하증가율에비하여최대전력증가율이급격히증가하고 있다. 또한전체적인부하율은점차낮아지고있는반면, 계절별및 시간대별부하변동은커지는경향을보이고있다. 이러한상황에서안 제1장서론 1

정적인전력수급을위하여시간대별전기부하를평준화하여전력피크 에적극대응하고대규모정전사고등에효과적으로대응하는방안으 로에너지저장시스템의이용이급부상하고있다. 또한전력공급예비 력저하문제, 신재생에너지도입비중확대로계통에미치는출력변 동을고려할때에너지저장시스템의필요성은더욱증진될것으로예 상되는바이다. 에너지저장시스템의보급확대를위하여일본은대지진이후, 불안 정한전력문제해결을위해서에너지저장시스템에대하여중앙정부 및지방자치단체에서도입시 1/3 정도의보조금및지원프로그램을 운영하고있다. 미국캘리포니아의회는법안을통해 2020년까지피 크전력의 5% 를담당한에너지저장시스템설치의무화를진행하였다. 유럽에서는 2011년 5월에에너지저장시스템의 R&D에 2014년까지 2 억유로의투자계획을발표한바있다. 한국정부도 2011년 5월에 너지저장기술개발및산업화전략(K-ESS 2020) 계획을수립하여 기술개발및실증사업을추진해오고있다. 동계획은 2020년국제 에너지저장시장의점유율 30% 달성을목표로총 6.4 조원( 기술개발 2 조원, 설비구축 4.4 조원) 규모의연구개발및설비투자를주요내용 으로하고있다. 한국은 2013년부터설치보조금지원을통해공공부 문건물용에너지저장시스템시범보급사업을추진하고있다. 2. 연구목적 에너지저장시스템은발전소~ 송전~ 변전소~ 배전~ 수용가에이르는전 과정에설치되어다양한용도로활용될수있다. 특히, 신재생에너지 발전은정확한출력예측이어렵고출력변동률이높은특성으로전 2

력계통에연계할경우계통전압및주파수의변동을초래할수있다. 이문제를에너지저장시스템으로보완하여신재생에너지이용확대에 일조할것으로예상된다. 우리나라는전력수요의갑작스런급증에대 비하여주파수조정용으로석탄화력발전소의출력을평상시 여운전하고있다. 이를에너지저장시스템으로대체하면효율향상에 기여할수있다. 에너지저장시스템을전력계통과연계하여활용하면 에너지저장시스템은생산전기의충방전기능을통해발전, 송배전 설비의효율적이용에기여하고, 나아가서신규발전소의건설및송 배전망시설투자의회피또는지연하는효과도기대된다. 이러한에 너지저장시스템의효과는국내외에서다양한실증적용을통해입증되 고있는추세이다. 그럼에도불구하고에너지저장시스템의운영을통 한경제적수익창출및편익극대화경험이아직충분히축적되지못 한상태이므로이를보급확대하려는노력이필요하다. 에너지저장기술은최근빠르게진화하고있으나, 모든저장기술이 다양한적용분야에서요구되는기술적성능요건을모두충족하고있 는것은아니다. 대부분저장기술이개발중이거나아직적용초기단 계에있어위험과불확실성이크고, 아직은더많은검증이필요하다. 따라서에너지저장시스템의보급확대를위해서는적용가능한분야 및용도를살펴보고용도별로요구되는기술적요건과저장기술의현 재수준및특성에대한검토분석이필요하다. 국가차원에서상당한 잠재적효과가기대될경우, 기술개발초기혹은시장태동기에는정책 적인차원에서재정적지원과법적제도적보완이요구된다. 또한에 너지저장시스템이국가전체측면에서다양한효과로경제성혹은사 업타당성이있어도설치하여운영하는주체인소비자측면에서경제 5% 줄 제1장서론 3

성이없으면시장보급이불가능하다. 따라서에너지저장시스템이시 장에서보급되기위해서는소비자측면에서경제적타당성확보가핵 심이다. 시장초기단계에있는에너지저장시스템이빠르게확산되지 못하게되면에너지저장시스템양산체제로의전환도더디어가격하락 도지체된다. 국내에너지저장시스템시장은아직초기단계로실증사업과시범보 급사업이추진중에있다. 특히, 초기높은투자비용의부담으로에 너지저장시스템시장형성에난항을겪고있다. 본연구에서는에너지 저장시스템의활용가능분야별수요관리( 부하관리) 효과를살펴보고 에너지저장시스템보급활성화를위한제도적, 경제적, 정책적측면 등종합적으로필요성및활용방안등에대한검토를통해정책대안 을제시하고자한다. 이를위해서제2장에서는에너지저장시스템개 념과구성요소, 에너지저장기술의종류와현재수준을살펴본다. 제3 장에서는에너지저장시스템의활용분야및용도, 용도별로요구되는 기술적요건을살펴보고국내에서활용가능한분야별활용방안을검 토한다. 제4장에서는국내외실증사례및정책동향을살펴보고시장 잠재력이큰일반용및산업용수용가시장을중심으로에너지저장시 스템설치운영에따른경제성과민감도를분석한다. 그리고이를종 합하여에너지저장시스템의시장조성방안을도출한다. 제5 장에서는분석및연구결과를종합적으로요약정리한다. 마지막으로 4

제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 1. 에너지저장시스템 (ESS) 의개념및구성요소 가. 에너지저장시스템 (ESS) 의개념 에너지저장기술 (Energy Storage Technology) 은다양한형태의에너 지를저장하였다가필요한시기에사용할수있게하는기술을말한 다. 대용량의에너지를저장할수있는다양한에너지저장기술들이 상용화됨에따라에너지저장시스템이스마트그리드구축에필수적인 시스템으로부각되고있다. 에너지저장시스템의개념은직관적으로 이해할수있을정도로쉽다. 에너지저장시스템은생산된잉여에너지 를그자체로또는변환하여저장하고필요할때사용할수있도록공 급하는시스템을말한다. 전기뿐만아니라열을포함한에너지를수요 가적을때에저장했다가필요할때에사용할할수있는장치또는 시스템을총칭한다. 즉, 저장기술은에너지공급과수요간의시간적 간극을연결해주는가교역할을수행한다. 오래전부터석유나가스와 같은에너지자원은저장탱크, 비축기지건설등의기술들을이용해 저장해왔으며현재는기술의발달로열에너지와전기에너지의저장 기술이상용화단계에있다. 현재다양한에너지저장기술이국내외적으로상용화되어활용되고 있고, 또한기술개발도활발하게진행중이다. 이미개발된기술에 대한실증사업도국내외에서활발하게추진되고있다. 에너지저장기 술개발은현재전력저장위주로진행되고있다. 현재가장성숙된에 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 5

너지저장기술은양수발전이다. 대규모전력저장을위한양수발전이 현재세계적으로설치된전기저장용량의약 99% 를차지하고있다. 현재개발중이거나상용화된에너지저장기술의종류와저장기술별 성숙도는 [ 그림 -1] 과같다. 리튬배터리, 플라이휠( 저속), 나트류황 배터리및압축공기에너지저장기술이실증보급단계에있다. 초전도 에너지저장, 슈퍼커패시터, 플라이휠( 고속) 및흐름배터리등의저장 기술은아직연구개발단계에있다. 에너지저장기술의성능을결정하 는주요요인은저장용량, 저장밀도, 충방전효율, 충방전속도, 수 명등이다. 이들요인에따라적용가능한분야가달라지고상대적인 장단점을가지게된다. 국내외에서저장기술의성능개선과비용을 낮추기위한연구개발이활발하게수행되고있다. [ 그림 Ⅱ-1] 에너지저장기술종류및기술성숙도 자료 : IEA, Technology Roadmap- Energy Storage. 2014 6

나. 에너지저장시스템 (ESS) 의구성요소 에너지저장시스템은저장장치( 저수지, 압축공기저장소, 배터리등), 변환장치(PCS, 압축기/ 팽창기, 발전기등) 와제어장치를기본구성으 로한다. [ 그림 -2] 는배터리( 리튬이온전지 ) 를이용한에너지저장시 스템의기본적인구성요소를보여준다. 배터리방식의에너지저장장치 는배터리( 전지) 시스템과배터리의충방전상태관리및제어를위 한배터리관리시스템 (BMS, Battery Management System) 을기본으로 하고, 추가적으로생산된전력의주파수와전압을계통및부하특성 에맞추어변환하고관리하기위한전력변환장치 (PCS, Power Conditioning system) 와에너지저장시스템을모니터링하고제어하기 위한에너지관리시스템 (EMS, Energy Management System) 혹은전 력관리시스템 (PMS, Power Management System) 으로구성된다. [ 그림 Ⅱ-2] 에너지저장시스템의구성요소 에너지저장시스템의핵심장치인배터리장치는양극, 음극, 전해질, 분리막으로구성된배터리셀(cell) 들이모여모듈(module) 을이루고 이모듈이모여트레이(tray) 를이루고, 그리고트레이가모여랙(rack) 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 7

을구성하고이랙이모여시스템(system) 을구성한다. 배터리시스템 은 PCS를통해전력을공급받아특정한형태로변환해저장해두었 다가필요할경우방전하는역할을수행한다. 배터리셀마다특성이 다르기때문에배터리가최대성능을발휘할수있도록제어관리하 는배터리관리시스템 (BMS) 이필요하다. BMS는배터리의충전상태 등을외부인터페이스를통해알려주고, 과충전과방전방지등셀용 량보호, 수명예측등배터리의효율적사용을위한제어관리기능 을수행한다. 또한전력저장과사용의특성이서로다르므로전력을 실제사용가능하도록특성을바꿔주는전력변환장치가필요하다. PCS 는발전원에서생산한전력을흡수하여배터리에서저장하거나 방출하여사용하기위해전기의특성(AC/DC, 전압, 주파수) 을변환하 는시스템이다. EMS는배터리상태및 PCS 상태에대한모니터링과 PCS 를제어하는역할을수행한다. 2. 에너지저장시스템의종류및특징 가. 에너지저장기술 에너저장기술은기준에따라다양하게분류된다. 에너지저장기술은 생산에너지를기준으로전기저장시스템 (Electricity Storage System) 과열저장시스템 (Thermal Storage System) 으로크게분류할수있고, 저장형태또는방식에따라물리적, 화학적, 전자기적방식으로분류 된다. 또한에너지방출지속기간(duration) 에따라단주기와장주기로 구분된다. 에너지저장형태에따른분류에서물리적방식에는대표적으로양 8

수발전, 압축공기저장이있으며, 이들은대규모저장에적합하나설치 장소에대한지리적환경에제약되는특성이있다. 화학적방식으로는 리튬이온전지(LIB, Li-ion Battery), 나트륨황전지(Nas), 흐름전지 (RFB, Redox Flow Battery) 등이있다. < 표 Ⅱ-1> 저장방식에따른에너지저장기술의분류 전기저장방식 물리적저장 (mechanical) 화학적저장 (electrochemical) 전자기적저장 ( 에너지저장시스템종류 양수발전 (PHS, Pumped Hydro Storage) 압축공기저장장치 (CAES, Compressed Air Energy Storage) 플라이휠 (flywheels) 리튬이온전지 (LiB, Lithium Ion Battery) 나트륨황전지 (NaS) 납축전지 (Lead acid) 흐름전지 (RFB, Redox Flow Battery) 슈퍼커패시터 (Super-capacitor 또는 Ultra-capacitor) 초전도에너지저장 (SMES, superconducting magnetic energy storage) 자료: IEA(2014) 및 DOE(2013) 자료활용작성 에너지저장장치의지속기간을기준으로한분류에서단주기는보 통 4 시간이내의전력수급균형을맞추는데목적이있다. 대표적으로 반응시간이빠른고출력, 고효율특성을갖는리튬이온전지 (LIB) 와플 라이휠(Fly wheel) 이있다. 장주기에너지저장시스템은심야의잉여전 력을저장하여피크시간에방전하는목적으로설치하기때문에보통 10 시간정도지속가능하며고용량, 저비용특성을갖는나트륨황 (NaS) 전지, 흐름전지(Flow Battery) 가대표적이다. 경제적측면에서 살펴보면단주기에너지저장시스템은 kwh당생산단가가낮아야하 며, 장주기용에너지저장시스템은 kwh당생산단가가낮아야하는특 성이요구된다. 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 9

< 표 Ⅱ-2> 생산에너지및용도에따른에너지저장기술분류 저장기술 생산에너지 용도 설치장소 효율 (%) 초기투자비 (US$/kW) 양수발전전기장주기공급 50 85 500 4,600 CAES 전기장주기공급 20 70 500 1,500 배터리전기단주기공급/ 수요 75 95 300 3,500 수소저장전기장주기공급/ 수요 22 50 500 750 Flywheels 전기단주기송전/ 배전 90 95 130 500 슈퍼커페시터전기단주기송전/ 배전 90 95 130 515 SMES 전기단주기송전/ 배전 90 95 130 515 UTES 열장주기공급 50 90 3,400 4,500 Pit저장열중열저장공급 50 90 100 300 열화학열저장 열 저중고열저장 공급/ 수요 80 90% 1,000 3,000 Molten salts 열고열저장공급 40 93 400 700 Solid media 열중온저장수요 50 90 500 3,00 빙축열열저온저장수요 75 90 6,000 15,000 온수저장( 가정) 열중온저장수요 50 90 냉수저장열저온저장수요 50 90 300 600 자료 : IEA. Technology Roadmap-Energy Storage. 2014 나. 전기저장기술 전기저장시스템의이용으로파생되는장점으로인하여다양한종류 의전기저장기술이현재개발되고있다. 전기저장기술종류별원리와 장단점을비교정리하면 < 표 - 3> 과같다. 10

< 표 Ⅱ-3> 주요전기저장기술의원리및특징 종류 PHS ( 양수발전) CAES ( 압축공기저장시스템 ) Flywheel ( 플라이휠) 납축전지 (Lead-acid) LIB ( 리튬이온전지 ) NaS ( 나트륨황전지) RFB ( 레독스흐름전지) Super Capacitor 작동원리및특징 ( 원리) 전기에너지를위치에너지 ( 하부상부저수지 ) 로변환저장하여, 필요시전기로변환 ( 장점) 대용량화용이, 낮은비용( 낮은발전단가 ) ( 단점) 낮은에너지효율, 환경파괴, 입지제약 ( 원리) 공기를동굴이나지하에압축저장후, 필요시압축된공기를가열하여전기생산 ( 장점) 대용량화용이 ( 대규모저장), 낮은발전단가 ( 단점) 낮은에너지효율, 입지제약, 높은비용( 초기비용 ) ( 원리) 전기에너지를회전하는운동에너지로저장했다가다시전기에너지로변환하여사용 ( 장점) 높은에너지효율, 긴수명, 급속저장( 분단위) ( 단점) 초기구축비용과다, 낮은에너지밀도 ( 원리) 전기에너지를납이온을이용한화학에너지로변환저장후, 필요시전기로변환 ( 장점) 낮은비용, 안전성및신뢰성검증 ( 단점) 낮은에너지밀도 ( 원리) 리튬이온이양극과음극을오가며전위차발생 ( 장점) 높은에너지밀도, 높은에너지효율 ( 단점) 안전성수명검증, 높은비용 ( 원리) 300 350 의온도에서용융상태의나트륨이온이전해질을이동하면서전위차발생 ( 장점) 높은에너지밀도, 낮은비용, 대용량화용이 ( 단점) 고온시스템필요, 낮은에너지효율 ( 원리) 전해액이온들의산화환원전위차를이용하여전기에너지를충방전하여이용 ( 장점) 낮은비용, 대용량화용이, 장시간사용가능 ( 단점) 낮은에너지밀도, 낮은에너지효율 ( 원리) 소재의결정구조내에저장되는전지와는달리, 소재의표면에대전되는형태로전력을저장 ( 장점) 높은출력밀도, 긴수명, 안정성 (( 단점) 낮은에너지밀도, 높은비용 자료: 지식경제부, 에너지저장기술개발및산업화전략 (K-ESS 2020 전략), 2011 IEA, Technology Roadmap Energy Storage. 2014 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 11

전기저장기술의현재성능수준은 < 표 -4> 와같으며, 초전도에너 지저장(SMES), 슈퍼커패시터 (Super-capacitor), 수소저장(H2) 등의기 술들은아직개발단계에있다. < 표 Ⅱ-4> 전기저장기술별성능수준및기술적특성 Power rating (MW) Energy rating (MW) Response time s min Energy density (Wh/ ) Power density (W/ ) Self-dischage (%/d) Round trip efficiency(%) Life (year) Cycles PHS CAES Li-ion NaS Flywheel SMES Super Capacitor 100 5,000 100 300 0.001 0.1 0.5 50 0.002 20 0.01 10 0.01 1 0.001 50 1 24h+ 1 24h+ min h s h 5 15min 15S 15min ms 5min H 2 ms 1h s 24h+ ms ms ms ms ms s 0.5 1.5 30 60 75 250 150 240 5 130 0.5 5 0.1 15 800 104 150 315 90 230 400 1,600 500 2,000 0.1 10 500+ 0 0 0.1 0.3 20 20 100 10 15 2 40 0.5 2 75 85 42 54 85 100 85 90 85 95 95 85 98 20 50 50 100 25 40 5 15 10 15 20+ 20 20+ 5 15 20,000 50,000 5,000 20,000 1000 10000+ 2000 105 107 10,000 104 108 1,000+ 4500 자료 : EUROPEAN COMMISSION, The future role and challenges of Energy Storage, Working paper 1) 양수발전 양수발전은가장오래되고널리사용되고있는대표적인에너지저 장기술이다. 양수발전은위치에너지를이용하여발전하는기술로, 잉 여전력을이용하여하부저수지의물을상부저수지로끌어올려저장 12

하고필요시낙차를이용해전력을생산한다. 발전방식은수력발전과 유사하다. 양수발전은대용량이발전이가능하고기동성이뛰어나예 비전력용의역할수행과전력수요변동에신속히대응할수있다. 양수발전은대용량화가용이하고발전단가가낮은장점이있으나, 잦은에너지저장효율, 환경파괴, 입지제약이단점으로거론된다. 현 재전세계적으로활용되고있는전력저장장치의 95% 이상이양수발 전이다. 2) 압축공기에너지저장 (Compressed Air Energy Storagel, CAES) CAES(Compressed Air Energy Storage) 는전기가남을때잉여전 력을이용해공기를압축하여암반공동, 암염공동, 대수층, 천연동굴, 폐갱도및폐터널등저장시설에저장하고, 필요할때저장된압축 공기를이용하여전력을생산한다. CAES 기술은 20MW급부터수백 MW 급까지대용량에너지저장이가능하며, 발전단가가낮고유지및 보수가용이한장점을가지고있다. 또한출력이높고내구연한이통 상 30 년으로수명이긴장점이있다. 그러나지리적제약이따르고초 기구축비용이높은단점이있다. 독일은 1978년세계최초로 Huntorf 발전소에 290MW급 CAES 플 랜트를건설하였고, 저장효율이 45% 로비교적낮지만현재까지운영 되고있다. Huntorf 이후추가적으로 EnBw(600MW), ADELE(200MW) 에서 CAES 프로젝트가추진되었다. 미국도 91년 Alabama주의 McIntosh 발전소에 110MW급상용 CAES 플랜트를완공하여현재는 348MW 까지확장운영중이다. McIntosh 발전소는배기열회수이용 으로독일의 Huntorf 발전소보다 CAES의효율을 77% 수준으로높였다. 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 13

또한스마트그리드사업의일환으로 PG&E(300MW) 및 NYSEG(150MW) CAES 구축사업이추진되고있다. 아시아권에서도일본과중국에서 연구와실증사업이진행중이다. 일본은 98년부터기존탄광을활용 한 MW급 CAES Pilot 플랜트를건설하여운영하고있으며, 중국은 미국 ES&P 에 EPC 역할을부여하고자국내 CAES 건설을추진 중에있다. 3) 플라이휠 플라이휠(Flywheel) 저장장치는전기를회전에너지로저장했다가 이회전력을이용해다시전기를만들어내는방식이다. 무엇보다단기 간에 MW 급으로많은양의전기를만들수있고, 에너지효율이 95% 에달하기때문에독일등선진국들이기술개발에앞장서고있다. 플 라이휠저장장치는에너지효율이높고수명이길다는장점이있지만 아직까지초기구축비용이비싸다는단점이있다. 4) 리튬이온전지(LIB) 리튬이온전지(lithium ion battery) 는양극활물질, 음극활물질, 전 해질, 분리막등의 4 개물질로구성되어있다. 이온상태로존재하는 리튬이온(Li+) 이방전시에는양극에서음극으로, 충전시에는음극에 서양극으로이동하면서전기를생성한다. 즉, 방전시양극에서리튬 이온을활성화시켜음극으로전달해주고충전시에는음극의리튬이 활성화되어양극으로이동하게된다. 양극재료의리튬이온활성화능 력및음극재료에서리튬이온을삽입(intercalation) 할수있는충분한 14

공간의존재가전지의성능을좌우한다. 전해질의종류에따라리튬이 온전지와리튬폴리머전지로구분되며, 전지의형상에따라원통형과 각형으로구분된다. 그리고양극활물질의종류에따라리튬코발트산 화물(LiCoO2), 리튬니켈산화물 (LiNiO2), 리튬망간산화물(LiMn2O4), 리튬인산철산화물 (LiFePO4) 등으로나눌수있다. 현재리튬이온전 지는값비싼코발트계열을사용하고있으며, 이를대체하기위한소 재연구가활발히진행중에있다. 리튬이차전지는양극재, 음극재, 전해질, 분리막을조립하여만들 어지며, 양극재, 음극재, 전해질, 분리막 4대소재가전체생산원가의 50% 를차지하고있다1). 소재부분의원가에서양극재가 44%, 분리막 14%, 음극재 10%, 전해질 7% 순으로차지하고있다. [ 그림 Ⅱ-3] 원형리튬이온전지구조및원가구성도 자료: 한국수출입은행조사자료 리튬이온전지는가볍고, 무게대비에너지밀도가다른어떤전지보 1) 한국수출입은행해외경제연구소리튬이차전지산업동향,, Issue Briefing Vol. 2014-G-01, 2014.06.23 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 15

다도크고, 자가방전에의한전력손실이적고, 기억효과(memory effect) 가나타나지않는장점이있지만, 안정성과수명이아직완벽히 검증되지않고비용이높다는단점이있다. 5) 나트륨황전지(NaS) 나트륨황전지는일본의 NGK 사와도쿄전력이공동개발하여 06 년에최초로상용화에성공하였다. NaS 전지는양극에황(Sulfur), 음 극에나트륨(Na), 전해질로세라믹고체를사용하여, 양극과음극사 이를나트륨이온이이동하면서충전과방전을반복하는원리이다. 에 너지밀도가높고( 납축전지의 3 배이상), 사이클수명이길고(15년이 상), 자가방전이없는장점이있다. 그러나작동을위해서는나트륨 의용융상태를유지해야하기위한 300도가넘는고온이필요하므로 높은운영비용이요구되고, 또한화재예방시설설치가필요하다는단 점이있다. 6) 레독스흐름전지(RFB) 레독스흐름전지(Redox-flow Battery, RFB) 는전해질내이온의전 기화학적산화-환원전위차를이용하여전기를저장하고사용하는장 치로산화(Reduction)- 환원(Oxidation) 반응물질의조합에따라전지 의전위가결정된다. 전해조의크기에따라전기저장량을조절하며, 스택의크기에따라출력을조절할수있다. RFB 는대용량, 장시간 사용이필요한조건에적합하고, 상대적으로낮은비용, 용이한대용 량화, 장시간사용이가능한장점이있다. 반면에낮은에너지밀도, 낮 16

은에너지효율이단점으로지적된다. RFB 의기본구조는전력의출력을담당하는스택과용량을담당하 는양극(+) 전해액탱크, 음극(-) 전해액탱크, 그리고전해액을스택 에공급하는펌프로이루어져있다. 양극음극전해액에포함되어있 으면서전기에너지를저장할수있는물질을통칭레독스커플 (redox couple) 이라부른다. 어떤레독스커플을사용하는가에따라특성이 달라지며, 대표적인 RFB 로는바나듐(Vanadium) 화학흐름전지 (VRB), Polysulfide bromide 화학흐름전지, Zn-Br 화학흐름전지등 이있다. RFB 는독일, 미국등에서이미오래전에상용화단계에들어섰다. 일본에서는 2013년 7월홋카이도지역에 60MWh급 RFB를건설해 실증하고있으며, 중국에서도 1GWh 5GWh급 RFB가베이징지역에 건설되어실증단계에있다. 7) 슈퍼커페시터 (Super Capacity) 슈퍼커패시터는화학반응을이용하는배터리와달리전극과전해질 계면의단순한이온이동이나표면화학반응에의한충전현상을이용 하여급속충방전이가능한기술이다. 구동원리에따라전극/ 전해질 계면간전기이중층에서의정전기적인력에의한전하의분리로발현 되는전기이중층커패시터(electric double layer capacitor) 와전극/ 전 해질계면간가역적인산화- 환원반응에의한커패시터(redox capaci- tor) 로구분된다. 일반커패시터의장점인고출력특성과전지의장점 인고에너지밀도특성의중간단계에위치한소자로, 축전용량이커서 울트라커패시터또는슈퍼커패시터라고도불린다. 화학적현상에의 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 17

해충전되는배터리에비해충방전속도가빠르다. 또한전극자체를 손상시키지않아수명은거의무한대이다. 다만유일한단점으로는전 기저장능력이떨어진다는점이다. 축전기의저장용량은두판사이의 거리에반비례하고면적에비례한다. 일본, 러시아, 미국등주요국가들이 1990년대들어상용화를목적 으로기술개발을시작하여 1995 년에상용화되었다. 국내의경우는 2004 년고출력전기화학적전기에너지저장장치로분류하여차세대 전지성장동력사업으로선정하였다. 다. 열에너지저장기술 열에너지저장기술은냉열또는온열을필요한시기에사용하기위 해저장하는기술이다. 열저장기술은에너지시스템의생산단계및소 비단계에서적용되어열에너지의공급관리와수요관리측면에서활용 되고있다. 건물의냉열및온열수요는에너지소비의약 45% 를차지 하고있어열저장기술은에너지수요관리측면에서매우유용한수 단이다. 열저장기술은열에너지수요와공급이시간, 강도( ), 공간 상에서매칭되지않는문제를완화혹은해소할수있어열에너지시 스템의최적운영에중요한수단이다. 열저장방식으로현열( ) 저장, 잠열( ) 저장, 화학반응열저 장등세가지방법이주로활용되고있다. 현열저장기술은물체의 상태( 액체, 고체등) 변화없이온도변화로나타나는열을저장하는 기술로, 냉온수보온저장탱크가가장대표적이다. 잠열저장기술은 온도변화없이상태변화( 액체고체, 고체액체, 액체기체) 에따라 잠열( 열저장), 방열( 열방출) 원리를활용하여열을저장하는기술이다. 18

잠열은융해열( 고체액체), 기화열( 액체기체), 액화열( 기체액체), 응고열( 액체고체) 이있다. 잠열저장시스템으로는빙축열시스템이 대표적이다. 화학반응열저장은시스템이복잡하고높은기술수준과 낮은조작가능성으로현재까지실험연구단계에있다. 현열저장기술은폭넓게응용되고있지만열저장재료의열저장밀 도가낮아대용량열저장시스템을건설하기위해서는방대한체적이 필요하다. 잠열저장기술은현열저장기술에비해열저장밀도가높 고, 또한상변화온도범위내에서비교적큰에너지양흡수와방출이 가능하며저장과방출온도범위가좁고열저장및열방출과정에서 온도의안정성을유지하는데유리하다. 열저장은저장열의온도를 기준으로저열(<10 ), 중열(10 250 ) 및고열(>250 ) 저장으로분 류된다. 1) 저열에너지저장시스템 냉수저장탱크는상업및산업체에서설치되어전세계적으로널리 활용되고있다. 대규모열저장시스템도상업화되어활용되고있다. 지 하열에너지저장 (UTES: Underground thermal energy storage) 시스템 은냉수와온수를깊은지하에저장해필요에따라활용하는시스템 이다. 여름에는따뜻한햇볕을받아뜨거워진온수를저장해겨울에 난방용으로사용하고겨울에는지표에서차가워진냉수를지하에저 장해여름에냉방목적으로사용하는방법이다. 지하열저장은대수층 열에너지저장 (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage), 굴착공열에 너지저장(BTES: Borehole Thermal Energy Storage) 을포함한다. 지하 열에너지시스템은네덜란드, 스웨덴, 독일, 캐나다등의국가에서이 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 19

미상업화되어활용되고있다. 냉방목적으로는현열저장방식에비하여에너지저장밀도가높은 상변화물질을활용한잠열저장방식이널리활용되고있다. 미국에서 는피크전력수요를줄이기위하여빙축열시스템이널리활용되고있 으며설치용량이 1GW 에달하는것으로추정되고있다. 냉방용으로이용하기위해물이외에상변화물질(PCM) 개발연구 가진행되고있으며, 또한현열저장방식에비하여에너지밀도가 5 20 배높은열화학저장방식기술개발도활발하게진행되고있다. [ 그림 Ⅱ-4] UTES 기본개념 자료 : 네덜란드, Ministry of Spatial Planning and the Environment( 공간계획및환경부 ) 2) 중열에너지저장시스템 뉴질랜드, 호주및프랑스등많은국가에서지난수십년동안전 기온수저장히터의열저장기능을활용하여열저장하고있다. 일부국 가에서는구역전력공급의혼잡완화, 가정용전력수요피크절감을 20

위해전력회사가수용가의온수저장기능을직접제어할수있도록 하고있다. 프랑스의경우전기온수히터의열저장기능을활용하여전 력피크수요의약 5%(5GW) 를절감하고있는것으로보고되고있다. < 표 Ⅱ-5> 주요국가정부문전기온수난방의전력소비 온수난방전기사용량 (TWh) 자료 : IEA, Energy Technology Perspectives 2014, 2014.3.19 가정전기사용중전기온수난방비중 (%) EU( 유럽연합) 93 22 독일 23 27 프랑스 20 43 이태리 7.4 25 영국 6.1 9 스페인 5.8 11 벨기에 3.3 29 체코 2.9 31 네덜란드 2.1 13 아일랜드 1.8 34 오스트리아 1.8 21 스웨덴 1.8 20 핀란드 1.0 19 그리스 1.3 38 미국(2005 년기준) 123 20 상변화물질을이용한열에너지저장은물이얼음으로변하는것처 럼어떤물질이특정의상태에서다른상태로변화하면그과정에서 상당한양의에너지가흡수되거나방출되는원리를이용하는것이다. 적당한물질을사용하면이와같이 잠복해있는에너지( 잠열) 를이 제2 장에너지저장시스템 (ESS) 개요 21

용하여열에너지를저장할수있다. 특정한소금이나밀랍종류를포 함하여열에너지를저장하는데적합한물질들이현재상변화물질 (PCM) 에너지저장용구조재로상업화되었다. 이런제품들은셀형태 나구조용시팅(sheeting) 에이르기까지다양한제품으로사용되고있 다. 공기나글리콜(glycol) 등의상변화물질순환액은패시브솔라시스 템으로생산된열에너지를저장하여야간이나구름이낀주간과같이 시스템이작동하지못하는기간에사용될수있기때문에패시브솔 라난방시스템에적합하다. 22

제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 1. 에너지저장시스템의활용분야및요구성능 가. 에너지저장시스템의활용분야 편리성으로인해가장광범위하게사용되고있는전기는생산과소 비가동시에균형을이루어야하는특징으로저장이어렵고시시각각 으로변화하는전기수요에맞추기위한신속한응답속도가요구되며 생산단가가높은발전원가동및예비용량보유해야하는점이단점으 로거론되고있다. 그러나빠르게발전하고있는저장기술을전력분야 에활용하여이러한단점을보완할수있는에너지저장시스템이최근 주목을받고있다. 에너지저장시스템은전력계통에서전력수요와공급의불균형을해 소하기위해사용되는전력저장장치로발전소~ 송전~ 변전소~ 배전~ 수 용가에이르는전과정에서다양한용도로활용될수있다. 에너지저장시스템의발전서비스이용은전력계통의기존발전기와 연계하여발전자원으로전력시장에서전력판매와보조서비스제공을 위해활용될수있다. 또한전기를저장한후필요시공급하여피크 수요시점의전력부하조절을통해전력계통의운영효율을최적화하 는역할을수행한다. 송전망서비스로는송배전망에연계하여송배전 망의안정적운영을위해필요한각종전력설비의역할을에너지저장 시스템이담당하여, 신규설비투자의지연과전력계통의신뢰성안정 성을높일수있다. 수용가측면에서는에너지저장시스템을이용하여 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 23

전기생산및소비환경의변화로발생하는전력계통의품질및신뢰 성저하를방지하는역할을수행할수있다. 특히태양광, 풍력등신 재생에너지발전과전기자동차충전에따른전력수급의변동성이높 아져전력망의불안정성이심해질수있는상황에서에너지저장시스 템은변동성이높은전기의공급과수요를조절하고수시로변화하는 주파수를조정하여전력망의신뢰도를향상하는기능을수행한다. 그 리고돌발적정전에도에너지저장시스템은안정적인전력공급이가 능하도록한다. 정보통신환경의발달로단몇초의정전만으로도데 이터센터, 제조공정설비, 각종통신장비등에치명적손실이발생할 수있으므로에너지저장시스템을활용하여빠른시간에비상전력을 공급하고장기정전시에는자체전원역할까지수행하면서전력계 통의비상상황을대비하게해준다. 또한수용가가에너지저장시스템 을설치활용할경우공급자에게전적으로의존하던전기공급에서 벗어나필요시자체공급으로전기요금을절감하고, 외부계통의문제 로야기될수있는구역내전력계통의문제에효과적으로대응할수 있다. 이러한에너지저장시스템의효과는다양한용도로실증적용을 통해입증되고있는만큼명확하다. < 표 -1> 에서보는바와같이, 에너지저장시스템활용가능한시장을보다세분화하면 이르고있다. 17개분야에 24

활분야 발전서비스 전력계통보조서비스 송전망서비스 배전망서비스 신재생보조서비스 수용가에너지관리서비스 < 표 Ⅲ-1> 에너지저장시스템활용서비스분야 세부활용서비스 전력공급이전 (Electric Energy Time-shift): Arbitrage 전력공급용량 (Electric Supply Capacity) 주파수조정 (Regulation) 예비력용량 (Reserve) 전압보조 (Voltage Support) 발전기기동 (Black Start) 기타 (Other Related Uses) 송전망투자지연 (Transmission Upgrade Deferral) 송전망혼잡완화 (Transmission Congestion Relife) 배전망투자지연 (Distribution Upgrade Deferral) 전압보조 (Voltage Support) 신재생에너지순간출력변동완화 (Renewable Capacity Firming) : 신재생에너지원의급격한출력변동완화 지속적출력변동완화(Renewable Grid Integration): 신재생에너지원의출력을일정하게유지 전력품질 (Power Quality) 전력신뢰도 (Power Reliability) 전력부하이동 (Retail Electric Energy Time-shift) 피크수요부과금관리 (Demand Charge Management) 주: DOE 자료를바탕으로신재생에너지서비스추가자료 : U.S DOE, Grid Energy Storage, 2013.12 나. 에너지저장시스템의가치창출극대화 에너지저장시스템은특정용도로설치되었다하더라도 < 표 -2> 에 서보는바와같이다른용도로도활용될수있다. 어떤경우에너지 저장시스템이단일용도로사용해도충분한수익을창출할수도있지 만, 상황에따라서복합용도로사용할경우에만수익창출이가능할 수도있다. 따라서에너지저장시스템을복합적으로활용하여가치를 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 25

극대화하여이용할수있다. 에너지저장시스템의다양한분야( 발전, 송배전, 수용가단계) 에서의다양한활용을바탕으로에너지저장시스 템활용편익을극대화하기위해서는가능한다용도로활용하는것 이중요하다. 물론, 특정용도로설치된에너지저장시스템이다른용 도로동시에활용함에있어제약이있을수있으므로다용도활용을 위해서는기술적으로가능한범주내에서운영상충돌요인이없어 야한다. 현재에너지저장시스템은아직실증단계로다양한용도로활용하 여편익을극대화한경험과지식이충분히축적되지못한상태이다. 총편익(benefit aggregation) 에있어다음과같은선결과제들이남아 있다. 1) 기술적, 운영상의충돌가능성 2) 시장진입의장벽( 규제, 허가필요사항등) 3) 4) 엔지니어링기준및툴부재 에너지가격신호미흡및시장부재 5) 신기술에대한전력산업의소극적태도등 26

< 표 Ⅲ-2> 에너지저장시스템용도별복합활용매트릭스(Matrix) Excellent Good Fair Poor Incompatible 활용 부하평준 ( 차익거래) 부하평준 공급용량 부하추종 주파수조정 예비용량 전압관리 송전혼잡완화 송배전투자지연 요금관리 피크부가금 전력신뢰 전력품질 신재생발전연계 신재생계통통합 풍력계통통합 공급용량 * * 부하추종 주파수조정 예비용량 ² 전압관리 송전혼잡완화 송배전투자지연 TOU 요금관리 피크부가금 전력신뢰 전력품질 신재생연계 신재생발전계통 풍력발전계통 자료 : Sandia National Laboratories, Energy Storage for the Electricity Grid: Benefits and Market Potential Assessment Guide, 2010.2 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 27

다. 에너지저장시스템활용용도별요구성능 에너지저장시스템이전력계통보조서비스전력용 (power application) 으로활용될경우에는보통높은출력전력이필요하며몇초에서몇 분사이의짧은시간동안사용된다. 에너지용(energy application) 으 로사용할경우보통몇분에서몇시간까지방전이요구되어상대적 으로큰배터리용량이필요하다. 단주기고출력운전특성을갖는전 력용으로사용하기위한에너지저장시스템의배터리용량은정격출 력전력을낼수있을정도의적은용량만필요하다. 전기저장기술별 성숙도, 기술성능수준및특성은 < 표 -3> 과같다. 저장기술 < 표 Ⅲ-3> 성숙도 에너지저장기술별기술성능특성 출력 (MW) 반응시간 효율 (%) 년 수명 사이클 양수발전성숙 100 5,000 초분 70 85 30 50 20,000 50,000 CAES 설치 100 300 분 50 75 30 40 10,000 25,000 플라이휠설치 0.001 20 < 초-분 85 95 20 30 >50,000 Li-ion 배터리설치 0.001 5 초 80 90 10 15 5,000 10,000 NaS 배터리설치 1 200 초 75 85 10 15 2,000 5,000 LA 배터리설치 0.001 200 초 65 85 5 15 2,500 10,000 VRB 설치 0.001 5 초 65 85 5 20 >10,000 SMES 실증 <10 < 초 90 95 20 >30,000 슈퍼커페시터실증 <1 < 초 85 98 20 30 >10,000 수소실증 100 500 분 <40 10 30 na 자료 : IEA, Energy Technology Perspectives 2014, 2014.3.19 28

모든저장기술이다양한적용분야의성능요구조건을모두충족하 고있는것은아니다. 에너지저장기술이최근빠르게진화하고있으 나, 대부분의기술이적용초기단계에있어위험과불확실성이크고, 아직은더많은학습효과가필요하다. 빠른반응이요구되는전력계통 보조서비스전력용으로가장적당한저장기술에는슈퍼커패시터, SMES, 플라이휠(flywheel) 등이있다. 장시간의지속적출력이요구 되는에너지용은대용량장주기운전특성을갖는다. 에너지용으로적 당한저장기술은양수발전, CAES 와다양한배터리가있다. DOE/EPRI 는활용분야별요구되는에너지저장시스템기술적최소 요건을 < 표 -4> 와같이제시하고있다. IEA( 국제에너지기구 ) 는활 용분야별요구되는에너지저장시스템의용량과기술적요건을 < 표 -5> 와같이제시하고있다. 에너지저장시스템의활용분야빛용도별 에따라요구되는반응속도(response time), 설치용량(power capacity), 방전시간(discharge duration) 및사이클이다르다. 발전자원, 송배전 망의혼잡완화및송배전망투자지연목적으로활용하기위해서는 대용량장시간출력이요구된다. 수용가피크절감용에너지저장시스 템의경우에는발전및송배전용에비하여적은용량이일정방전시 간이이요구된다. 방전시간은저장장치의에너지저장용량 (energy ca- pacity) 에의해결정되며, 에너지저장용량은(kWh) = 전력(kW) 방전 시간(h) 으로표시된다. 각분야별활용방안을고려할때대체적으로 발전원과송배전망연계형활용방안의경우에너지저장시스템의규모 가수십 MWh, 수백 MWh 급의대규모설비이어야하며, 상대적으로 수요자연계의경우수요자자신의자체부하만을담당하는경우소 용량에너지저장시스템만으로효과를기대할수있다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 29

< 표 Ⅲ-4> ESS 활용분야별요구되는최소기술적요건(DOE) 적용 활용 용량 (MW) 목표방전 최소사이클 / 년 발전원 차익거래 (Arbitrage) 1 500 1시간 250+ 전력공급용량 1 500 2 6시간 5 100 주파수조정 10 40 15분 60분 250 10,000 예비력용량 10 100 15분 60분 25 50 보조전압조정 1 10MVAR - - 서비스기동 (Black Start) 5 50 15 60분 10 20 기타 (Other Related Uses) 1 100 15분 60분 - 송전망개선 10 100 2 8시간 10 50 송전망 송전망혼잡완화 10 100 1 4시간 50 100 송전망기타서비스 10 100 5초 2시간 20 100 배전망 배전망개선지연 0.5 10 1 4시간 50 100 전압보조 na na na 전력품질 (Quality) 0.1 10 10초 15분 10 200 수용가 전력신뢰성 (Reliability) na na na 전력부하관리 (Time-shift) 0.001 1 1 6시간 50 250 피크부가금관리 0.05 10 1 4시간 50 500 자료 : SANDIA, DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA < 표 Ⅲ-5> ESS 활용분야별요구되는기술적요건(IEA) 활용 용량 (MW) 방전지속 사이클 반응시간 연간저장 (seasonal) >500 3 10일 1/ 년 일 계절저장 (inter-seasonal) 500 1,000 8 24시간 1-5/ 년 일 차익거래 (Arbitrage) 100 1,000 8 24시간 0.28 1/ 일 >1시간 풍력연계 (integration) 100 400 1 60분 20 40/ 일 na 주파수조정 (Frequency) 1 40 1 15분 20 40/ 일 1분 부하추종 (Load Following) 10 100 15 120분 1 4/ 일 10 15분 순동예비력 (Spinning) 10 100 15 120분 0.5 2/ 일 <15분 비순동예비력 10 100 15 120분 0.5 2/ 일 >15분 전압조정 (support) 1 40 1 60초 10 100/ 일 초 기동 (Black start) 0.1 400 1 4시간 <1/ 년 분 송배전혼잡완화 10 500 2 4시간 50 100 1시간 송배전투자지연 1 500 2 4시간 0.14 1.25/ 일 >1시간 태양발전연계 0.1 1 1 60분 0.5 2/ 일 na 수용가( 소규모) 0.001 0.01 3 5시간 0.75 1.5/ 일 >1시간 수용가( 대규모) 1 100 4 8시간 0.75 1.5/ 일 1시간 자료 : IEA, Energy Technology Perspectives 2014, 2014.3.19 30

2. 에너지저장시스템활용방안및기대효과본장에서는앞서살펴본에너지저장시스템의활용을우리나라실 정에맞게재분류하여크게발전자원으로의활용, 송배전망연계활 용, 신재생에너지연계활용, 수요자원으로활용으로구분하고각활 용방안과기대효과에대해자세하게살펴보기로한다. 구분기능활용 발전자원 송배전망보조 신재생보조 수요자원 < 표 Ⅲ-6> 국내 ESS의활용가능분야 차익거래 (SMP 차익거래 ) 전력공급용량 전력예비력용량 주파수조정보조서비스 (FR) 송전혼잡완화 무효전력공급 (VAR Compensator) 송전안정도향상 신재생에너지순간출력변동완화 신재생에너지계통연계출력변동완화 수요관리용량입찰 (DR Capacity) 시간대별수요반응 ( 요금절감 ) (TOU based DR) 비상전원 ( UPS, 무정전전원공급장치 ) 시간대별 SMP 변동에따른입찰을통해수익창출 용량시장에입찰하여수익창출 예비력시장에입찰하여수익창출 주파수변동에즉각적인충방전으로전력균형유지 (G/F Control, AGC) 송배전망의개선투자지연송전혼잡시, 방전을통한이익창출 계통에무효전력을공급하여전압조정 전력및부하급변에대한보상, Sag, 공진등의과도현상을보상함으로써전압안정도향상 신재생에너지원의급격한출력변동완화 신재생에너지원의출력을일정하게유지 수용가피크감축수요관리자원으로활용( 전력거래 ) 일반용산업용시간대별전기요금에대응하여요금절감및계약용량감소 정전시, 비상전원으로활용하여정전피해최소화 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 31

가. 발전자원으로활용 발전자원으로의활용은기존전력계통에서주로발전기가담당하는 전력공급을에너지저장시스템이전력공급자원으로이용하는것이다. 에너지저장시스템은발전자원으로전력공급이동( 차액거래) 과전력공 급용량으로활용될수있다. 이에대해자세하게살펴보기로한다. 1) 차익거래(Electric Energy Time-shift : arbitrage) 전력계통은시시각각변동되는전력수요에맞추어전력을실시간으 로공급하면서도경제성과신뢰성을동시에높여야한다. 실시간으로 변화하는전력수요에대응하기위해전력시스템을발전기의특성별로 기저발전기와첨두발전기로구분하여운영한다. 구분 기동시간 (Hot Start) 분당출력변동률 최대출력소요시간 (0 to 100%) 최소발전요구량 발전단가 ( 원/kWh) < 표 Ⅲ-7> 복합화력 (CCGT) 발전기별특성비교 가스터빈 (OCGT) 석탄화력수력원자력 50-60분 <20분 1-6시간 1-10분 13-24시간 5-10% 20-30% 1-5% 20-100% 1-5% 1-2시간 <1시간 2-6시간 <10분 15-24시간 25% 25% 30-40% 15-40% 30-50% 121.2-202.1 121.2-202.1 45.7-70.9-3.6 자료 : 한국전력공사경제경영연구원, 에너지저장시스템실증및보급활성화방안, 2012.11.30 32

변화가적은기저부하수요는원자력과석탄발전이공급을담당하 고급격하게증감하는첨두부하수요는석유와 LNG 발전기가공급을 담당한다. 즉, 기저발전기는생산비용이비교적싼발전기, 첨두발전 기는응동이용이한비교적비싼발전기로구성된다. 피크수요에대응하여수요측면에서첨두부하를기저부하시간대로 이동(Load Shifting) 하거나, 또는공급측면에서기저부하시간대에생 산된전기를저장하였다가첨두부하시간대에사용하는방법이있다. 전자는심야전력제도를대표적으로꼽을수있으며, 후자는양수발전 이대표적이다. 에너지저장시스템은부하이동과공급이동용도로활 용될수있다. 발전자원으로에너지저장시스템은생산된전기에너지 를저장하였다가, 필요한시기에방전하여사용할수있으므로전력계 통운영자가원하는시기에충전과방전을통해공급을이동할수있 다. 발전비용또는전력거래가격이낮은기저부하시간대에생산된 전기를저장하였다가발전비용또는전력거래가격이높은첨두부하 시간대에방전을통한전력공급이동(Time-shift) 으로차액거래 (Arbitrage) 를통해경제적이득을얻게된다. 또한발전비용이낮은 기저부하시간대에에너지저장시스템을충전하여기저발전기의이용 률을높이고, 수요가높은첨두부하시간대에에너지저장시스템을방 전하여첨두발전기의가동을줄여계통한계가격상승을억제하거나 낮추어전력공급비용을절감할수있는경제적이득도기대된다. 여 기서방전기간(Duration) 은증분비용(incremental cost) 과증분편익 (incremental benefit) 에의해결정된다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 33

2) 전력공급용량(Electric Supply Capacity) 전력공급계통상황에따라다르지만, 에너지저장시스템은전력공 급용량(electric supply capacity) 으로활용되어전력시장에서의새로운 발전용량에대한추가확보의필요성을줄일수있다. 전력수요는경 제발전과삶의질향상으로고품질전기를원하는소비자의선호변 화로과거에비해급격하게증가하고있다. 이렇게증가하는전력수요 에대응하기위해전력계통운영자는정기적으로전원계획을수립하 여운영하고있으며, 우리나라도 2년을주기로전력수급기본계획을 통해미래전력수요를예측하고설비확충계획을수립하고있다. 안정 적인전력계통운영을위해서는기저발전기만으로전력계통을운영하 는것은불가능하고, 상정고장 2) 과예상치못한급격한부하의변동 등다양한불확실성에대한대비가필요하다. 불확실성에대비하기위 해서는빠른기동특성과우수한부하추종운전능력을갖춘첨두발전 기가일정비율필요하다. 문제는첨두발전설비의연간운전시간은 짧은것에비해막대한투자비와비싼운영비를지불해야한다는점 이다. 전원계획수립에서첨두발전기는최대수요가전년도발전설비 의 1MW만초과하여도수백 MW의대규모발전설비를건설해야한 다. 그러나에너지저장시스템을공급용량으로첨두부하시간대에방 전하여활용할경우전력계통에필요한첨두발전기에대한대규모 투자를회피할수있다. 에너지저장시스템을공급용량(supply capacity) 으로활용하기위한 운전시간을결정하는것은전력시장환경에크게영향을받는다. 따 2) 상정고장 이라함은전력계통에서발생할수있는가상의단일또는다중의전력설비고장을말함( 전력계통신뢰도및전기품질유지기준고시) 34

라서에너지저장시스템이공급용량(supply capacity) 으로활용될경우 에그방전시간을일반화하는것이매우어렵다. 공급용량에대한가 격이방전시간의결정에크게영향을미친다. 예를들어, 공급용량이 시간당가격으로결정되면에너지저장시스템은가격이높은시간에 전력을공급해야하므로배터리의방전은시간별로유동적으로운전 된다. 만약, 에너지저장시스템이일정한시간동안전력공급용량역할 을할수있도록공급용량에대한가격이제시되거나계통운영자로부 터특정한시간대에예비용량(capacity) 역할을요구받는경우에너지 저장시스템의방전시간은그런요구사항에따라운전된다. 일반적으로에너지저장시스템은설치위치나전력시장환경의영향 을많이받지만에너지저장시스템이전력공급용량 (supply capacity) 으로활용할경우, 추가적인공급이동(electric energy time-shift), 공급 예비력(electric supply reserve capacity), 송배전시스템개선의지연 (T&D upgrade deferral), 전압조정(voltage support), 전기신뢰도 (electric service reliability), 전력품질(electric service power quality) 향상목적으로도활용될수있다. 3) 예비용량 전력계통은안정적전력공급을위하여예상치못한발전소고장, 설 비의사고등에따른공급감소와수요변동에대비하여적절한예비 력을확보하고있어야한다. 최소한예비용량은최대출력발전소의 발전량에비하여커야한다. 예비력의정의는국가마다전력시스템의 운영상황에따라달리하고있으며, 미국의경우정상적공급능력의 15 20% 수준을예비력으로가지고있다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 35

예비력은설비예비력, 공급예비력, 운영예비력등으로분류된다. 설 비예비력은최대수요를초과하는설비용량을말한다. 공급예비력은 설비예비력에서계획정비등예측가능한출력감소분을제외한공 급가능용량과최대수요와의차이를말한다. 운영예비력은공급예비력 에서간이정비및급전정지분을제외한용량을말한다. 운영예비력 은투입가능시간에의하여순동예비력, 비순동예비력, 보조예비력으 로구분된다. 순동예비력 (spinning or synchronized reserve) 은운전하 고있는발전기의순간적인출력증가( 통상 10 초이내) 가능발전력을 말한다. 비순동예비력 (non-spinning or non-synchronized reserve) 은운 전하고있지는않으나신속하게기동하여출력( 통상 10 분이내) 가능 발전력을말한다. 보조예비력 (supplemental reserve) 은운전하고있지 는않으나통상 1 시간이내에출력가능한발전력을말한다. 보조예비 력은순동및비순동예비력의백업용역할을한다. [ 그림 Ⅲ-1] 예비력개념및분류 36

우리나라는예비력을예측수요의오차, 발전기불시고장등으로인 하여전력수급의균형을유지하지못할경우를대비하여전력수요를 초과하여보유하는발전력으로정의하고, 공급예비력과운영예비력으 로구분하고있다. 공급예비력은우선적으로확보해야하는운영예비 력과이를초과하여급전정지 3) 중인발전력을말한다. 운영예비력은주파수조정예비력과대기대체예비력으로구성된다. 주파수조정예비력은계통에병입하여운전하는발전기의자동발전제 어(AGC) 또는주파수추종(Governor Free) 운전에따라순시에자동 으로응동할수있는예비력이다. 대기대체예비력은발전설비불시 정지및수요예측오차, 발전소및송전설비고장정지등에대비하여 전력거래소의급전지시후 120 분이내( 동하계전력수급대책기간은 20 분이내) 에확보및이용이가능한예비력을말한다. 대기대체예비 력은운전상태와정지상태로구분한다. 운전상태대기대체예비력은 계통에병입되어운전중이고출력여유분( 주파수조정예비력초과 발전력) 을보유한발전기가급전지시후 10분이내에여유분의출력 을추가로낼수있는예비력을말한다. 주파수조정예비력과대기대 체예비력중운전상태에있는예비력을운전예비력이라한다. 정지상 태대기대체예비력은전력계통에병입되어있지아니하고상시기동 이가능한대기상태의발전기( 수력, 양수, 가스터빈발전기등) 가급전 지시후 120 분이내( 동하계전력수급대책기간 20 분이내) 에전력계 통에병입하여발전출력을낼수있는예비력을말한다. 국내전력거래소는수급운영및실시간급전운영을위하여적정수 준의운영예비력을확보하여운영해야한다. 예비력확보순서는이용 3) 급전정지는운영예비력을초과하여정지중인발전력을말함 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 37

가능시간에따라주파수조정예비력, 대기대체예비력순으로하고운 전상태와정지상태를구분하여확보해야한다. 전력거래소는전력계 통의신뢰도확보를위하여주파수조정예비력으로 1,500 이상, 대 기대체예비력으로 2,500 이상4) 을확보운영해야한다. 특수일기 간및특수경부하기간에는운영예비력을 야한다. 2,000 이상추가확보해 [ 그림 Ⅲ-2] 국내운영예비력운영기준 자료: 전력계통신뢰도및전기품질유지기준 을토대로작성 전력거래소또는한전은일간수요예측결과운영예비력이 4,000 미만으로예상될경우산업통상자원부장관, 전기사업자및자가용전 4) 동하계전력수급대책기간 ( 운전상태 1,500, 정지상태 1,000 이상), 이외의기간( 운전상태 1,000, 정지상태 1,500 이상) 38

기설비설치자에게통보하고, 전력위기단계별조치시행준비, 방송사에보도요청( 한전시행), 전력예보또는예비경보를발령하 고운영예비력에따라단계별수급경보를발령한다. 경보단계 (1 단계) 수급경보관심(Blue) (2 단계) 수급경보주의(Yellow) (3 단계) 수급경보경계(Orange) (4 단계) 수급경보심각(Red) < 표 Ⅲ-8> 전력수급경보의종류, 경보요건 자료: 전력거래소, 전력시장운영규칙, 2013.10 경보요건 운영예비력이 3,000MW 에서 4,000MW 미만으로써향후상황악화에대비한준비가필요한때 운영예비력이 2,000MW 에서 3,000MW 미만으로써사전대비가필요한때 운영예비력이 1,000MW 에서 2,000MW 미만으로써즉시조치가필요한때 운영예비력이 1,000MW 미만또는주파수조정이곤란하여부하조정이필요한긴급상황이라고판단될때 에너지저장시스템은예비력이필요할때즉시투입되어몇초안에 최대출력을낼수있다. 에너지저장시스템이예비력으로활용되기위 해서는일정시간동안충분한에너지를공급할수있도록배터리의 용량이커야한다. 또한계약된용량을제대로공급하지못할경우페 널티가있어에너지저장시스템의신뢰성이높아야한다. 예비력공급 은보통 1~2시간동안계통에전력을공급할수있어야하고계통운 영자의자동발전제어 (AGC) 신호에응답할수있어야한다. 에너지저 장시스템이예비력으로활용될경우대부분의시간은전력공급을하 지못한다. 그러나에너지저장시스템은예비력공급을하지않을때 추가적인공급이동(electric energy time-shift), 공급용량(electric sup- ply capacity) 등다른목적으로충분히활용할수있다. 대기/ 대체예 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 39

비력은 GF, AGC, 일일계획에급전으로대처가되지않는수요변화 에대한예비력으로첨두부하저감을위해대기하고있는에너지저장 시스템으로부터제공이가능하다. 단, 대기/ 대체예비력제공을위한 에너지저장시스템은충분한규모의용량을확보하고있어야한다. 4) 주파수조정 전력계통주파수의급격한변동은전원측과수요측의각종설비에 악영향을미치고, 최악의경우정전등공급차질을발생시킬수있 다. 주파수변동은발전과부하간의수급차이로발생하며, 주파수조 정은순간순간마다변하는전력의수요와공급차이를줄여전력계통 의주파수를일정수준으로유지하는것이다. 즉, 어느시간대에발전 기에서공급하는전력이부하보다크거나작으면주파수조정용발전 기가그차이를줄이기위해사용된다. [ 그림 -3] 은주파수조정의 예를보여준다. [ 그림 Ⅲ-3] 주파수조정서비스의유무에따른계통부하 자료 : SANDIA, DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA 40

[ 그림 -3] 에서붉은색부하수요선은주파수조정(regulation) 이없 을때계통부하가심하게흔들리는것을보여주고, 완만한선은조정 을통해계통부하의변동이줄어든것을보여준다. 주파수조정은일 반적으로계통에연계된발전기가수행한다. 주파수조정의방법으로 는전력공급을늘리거나줄여주파수를조정한다. 전력공급량이순간 적으로부족하게되면주파수를담당하고있는발전기가출력을높이 고반대로순간적으로전력공급량이많으면출력을줄인다. 여기서 기존의화력발전기들은순간적인전력수급차이발생에맞추어출력 조절용으로만들어진것이아니기때문에주파수조정용으로적합하 지않은발전기가대부분이라는것이다. 특히, 화력발전기는보통정 격출력을지속적으로내는것이가장효율적이다. 에너지저장시스템이주파수조정용으로적합한이유는 3가지로요 약된다. 첫째, 에너지저장시스템은높은충방전효율( 에너지효율 ) 을 가지고있다. 둘째, 에너지저장시스템은용량의두배까지주파수조 정용으로활용가능하다. 마지막으로에너지저장시스템은빠르게최 대출력을공급할수있고빠른출력조정이가능하다. [ 그림 -4] 는 주파수조정용으로 1MW급에너지저장시스템에서가능한 2가지운전 방식과기존발전기의가능한 3 가지운전방식을보여준다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 41

[ 그림 Ⅲ-4] 주파수조정용 ESS와발전기의운영방식비교 주파수조정은전력공급을증가시킴으로써주파수를높이고공급 을줄이면서주파수를낮추게된다. [ 그림 -4] 에서가장왼쪽의에 너지저장시스템운전방식은저장용량의절반을주파수를높이는데 사용하고나머지절반은낮추는데사용하는효율이낮은방식이다. 이는 [ 그림 -4] 의주파수조정용발전기의가장오른쪽운전방식과 동일하다. 다음에너지저장시스템의운영방식은 1MW 전체의충방 전을통해주파수상향, 또는주파수하향으로사용하여총 2MW를 조정용으로활용하는효율적인방식을보여준다. 주파수조정용발전 기는가장효율적으로사용하더라도최대 1MW 에불과하다. 에너지저장시스템이주파수조정용으로활용되기위해서는빠르게 반응할수있어야한다. 또한신뢰성이높고고품질전력을안정적으 로공급할수있어야한다. 대부분의경우에너지저장시스템이주파수 조정용으로활용되면동시에다른역할로사용하기는힘들다. 그러나 특정시간대에에너지저장시스템이주파수조정대신에전력부하이 42

동(energy time-shift), 공급용량(electric supply capacity), 예비력 (electric supply reserve capacity) 등의다른역할을수행할수는있다. 우리나라는전기사업자에게전력거래소의급전지시에따라발전력 조정등의방법으로계통주파수를평상시 60±0.2Hz 의범위( 비상시 62Hz 57.5Hz 이내) 로유지하도록하고있다5). 또한전력거래소및 전기사업자에게전력의안정적공급을위하여주파수조정예비력 6) 을 1,500 이상확보하도록하고있다. 주파수조종서비스는계통주파수 가 ±0.2Hz 변동시응동가능용량기준으로산정하며, 자동발전제어 서비스는 5 분동안제공가능한용량으로산정한다. 발전사업자는급 전지시에따라자동발전제어 (AGC) 운전을할수있도록설비를갖추 어야한다. 그리고주파수조정용량을확보하기위하여입찰공급가능 용량의최저운전가능출력과최대운전가능출력의범위이내에서 자동발전제어 (AGC) 및주파수추종운전 (GF) 에참여하여야한다. 전력 시장에신규로진입하는발전기의조속기속도조정률은수력및내연 발전기는 3.0 4.0%, 가스터빈발전기 4.0 5.0%, 기력발전기 5.0 6.0% 로규정하고있다 GF( 는미세한주파수조정을위해제공되는보조서 비스로빠른응동이가능한에너지저장시스템의장점이가장잘발휘 될수있는분야이다. 기본주파수를중심으로진동하는미세주파수 변동에에너지저장시스템으로대응함으로써, 기저발전기가담당하는 5) 산업자원자원부고시제2012-296 호, 전력계통신뢰도및전기품질유지기준, 2012.12.7 6) 주파수조정예비력은자동발전제어 (AGC) 또는조속기(Governor Free) 운전에따라자동으로응동할수있는발전력을말한다. 7) Governor Free는주파수변화등전력계통의상황에따라발전기의회전속도가자동으로제어되도록하는운전방식을말한다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 43

GF 영역을전력공급의주목적으로사용하여에너지비용절감에기여 할수있다. AGC는 GF로대응이불가능한수급의불균형에대비하 기위한것으로 GF 동작이후시간영역의부하변동에대해대처하게 된다. 단기간출력을유지한후새로운전원이기동하면복귀하게되 므로, 15분에서 1시간동안출력유지가가능한에너지저장시스템을 통해전력제공이가능하다 8). 5) 자체기동(Black Start) 에너지저장시스템은자체기동을위한비상용전원으로대규모정전 시계통선과발전소의기동을위해필요한전력을공급할수있다. 자 체기동(Black Start) 은외부의전력공급에의존하지않고발전소가가 동되도록복구하는과정이라할수있다. 일반적으로발전소에서사용 되는전력은자체발전기로부터공급받고있기때문에모든발전기가 가동중지되는경우, 전력계통망을이용하여외부에서전원을공급받 아야한다. 만약, 광역정전으로계통전원을공급받지못할경우, 자 체기동발전기를갖추지못한발전소는발전기기동이불가능하다. 이 에대비하여일부발전소는자체기동을위해비상용소형디젤발전기 를보유하고있다. 이들소형디젤발전기는자체기동디젤발전기 (BSDG) 로대형발전기의기동을위해필요한전력을공급하게된다. 증기터빈발전기의기동을위해서는보일러급수펌프, 보일러강제통 풍연소공기송풍기, 연료공급준비를위한전력이필요하다. 모든발전소가대기용량인자제기동발전기를보유한것은비경제 적이다. 따라서자체기동발전소로부터사전에지정된시송전계통을 8) DOE/EPRI, 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA 44

통해전력을공급받아우선공급발전기를기동한다. 주로수력이나양 수발전이자체기동발전기로계통복구시작점역할을수행한다. 수력 과양수발전은작은전원으로기동할수있고, 매우빠르게전력을 공급할수있다. 자체기동발전기 9) 는외부로부터의기동전력공급없이발전기자 체전원으로기동이가능한발전기로전전력계통정전과같이매우 심각한상황에서전력계통의복구를위해중요한역할을수행한다. 외 부의전원공급없이발전이가능하여야하므로, 보통수력이나양수발 전기또는소형디젤발전기가설치된가스터빈발전소가자체기동발 전기로동작하여전력계통복구의시작점으로역할을수행한다. 발전소의기동을위한기동전력으로충분한규모의에너지저장시 스템이설치된발전소라면, 에너지저장시스템의충전된전원을통하 여빠른시간에전력계통을복구할수있다. < 표 Ⅲ-9> 자체기동및계통복구흐름 1단계수력발전소에설치된소형디젤발전기기동 (BSDG) 2단계소형디젤발전기의전력공급을이용하여수력발전기기동 3 단계 4 단계 5 단계 수력발전소의생산전력을사전에지정된시송전선로를이용하여우선공급발전기에공급 수력발전의생산전력을이용하여우선공급발전기 ( 기저부하용석탄화력발전기) 의기동 기저부하발전기의전력공급을이용하여원자력등다른모든발전소기동을통해계통복구 9) 자체기동발전소는외부로부터의기동전력공급없이비상발전기등에의하여자체기동후타발전소의기동전력또는부하에전력을공급할수있는발전소를말한다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 45

장시간정전시에대규모송배전망을일시에복구하는것이어려 울수도있다. 예를들면, 동하절기에장시간정전되었을경우, 일시 에계통을복구할경우초기냉난방부하가급격이높아져계통공 급능력을초과할수있다. 따라서대형송배전망의경우공급능력의 회복에맞추어단계적으로복구해야한다. 영국의경우계통운영자가발전업자와계약을통해자체기동용량 을확보한다. 미국은자체기동확보에 3 가지방식을이용하고있다. 첫번째방식은전통적방식으로통합유틸리티가기동전력을제공하 고그비용을발전원가에반영하여소비자가부담하는방식이다. 현재 CAISO 10), PJM 11), NYISO 12) 에서이용되고있다. 두번째방식은 ISO-NE 13) 가사용하는방식으로자체기동정산금을지급하는방식이 다. 자체기동정상금은정액요금(flat rate payment, $/KW) 에발전소가 매월청구하는기동용량을곱하여지급한다. 세번째방식은경쟁입 찰을통해확보하는방식이다. 이방식은 ERCOT 14) 이사용하는방 식으로시간당대기비용( hourly standby cost) 을입찰받아다양한기 준으로평가하여선정하고, 85% 이용을가정하여정산금을지불한다. 국내전력거래소는광역계통및전계통정전발생시신속한복구를 위해우리나라를 7 개권역으로나누고각권역별로주, 예비로이중화 하여총 14개소의자체기동발전기를지정하여운영하고있다15). 자체 기동발전기는광역계통및전계통정전발생을대비해외부로부터의 10) California Independent System Operator 11) PJM Interconnection LLC 12) New York Independent System Operator 13) Independent System Operator of New England 14) Electric Reliability Council of Texas 15) 전력거래소, 보도자료( 13.06.25): 전력거래소, 광역정전대비를위한자체기동발전기시험완료 46

전력공급없이발전소내부의비상발전기에서전력을공급받아발전기를기동한후지역내지정된대용량발전기인우선공급발전기에기동전력을공급하여순차적으로전체전력계통을복구할수있도록사전에지정된발전기를말한다. 나. 송배전망연계활용 송배전망과연계된에너지저장시스템은발전원연계형과달리장시 간의전력공급역할보다는송배전설비를보조하고외란등으로발생 하는영향을완화하는것을목적으로운영될수있다. 발전원연계형 에서와같이기본적으로에너지저장시스템의충방전특성을통하여 원하는시간에필요한전력을공급하거나저장할수있다는것에서 출발한다. [ 그림 Ⅲ-5] 전력계통의송배전망설비구성 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 47

1) 송배전망보조( 혼잡완화및투자지연) 전력산업에서전통적으로송전망의역할은발전원에서생산된전력 을배전망까지전송해주는중간단계로극히제한적이었다. 지금까지 전력산업의중요한이슈는증가하는수요에맞추어발전원확충하는 데있었고, 송전망의역할도발전원의출력을수용하여수요단계인근 의배전망에공급하는것이었다. 최근들어이러한송전망의수동적인 역할이기술의발달과산업구조의변화로인해적극적인역할로변화 해가고있다. 전력계통은스마트그리드로대표되는미래전력계통의 모습으로진화되고있으며, 공급자중심으로운영되어오던전력시스 템이신재생전원등다양한분산전원의공급확대로수요자의시장 참여가늘어남에따라수평적인양방향전력시장으로빠르게진화될 것으로예상된다. 송전망의근본역할은발전원에서생산한전력을안 정적으로배전단계까지공급하는것이다. 이를위해증가하는수요에 대비해송전망의지속적인투자가이루어져한다. 만약적기에투자가 이루어지지못하면송전선로의용량제약문제가발생한다. 따라서근 본적인해결책은충분한송전망의확충이지만경제적인이유또는님 비현상으로인한사회적인이슈로적기에충분한송전망을건설하는 것이갈수록어려워지고있다. 에너지저장시스템을이용하면이와같은문제점해결에도움을줄 수있다. 송전용량이부족한송전선로에에너지저장시스템을설치하 여첨두부하시간대에부하를적절히이동하면, 송전용량부족으로발 생가능한송전제약을완화할수있다. 송전선로의용량부족은수요의 첨두시간대에만발생한다. 따라서수요측인근에위치한에너지저장 시스템을이용하여기저부하시전력을저장하였다가첨두부하시간 48

대방전하는패턴으로부하이동(Time Shifting) 을실시함으로써첨두 부하시발생하는송전망의부담을줄일수있다. 안정성불안으로인 한송전제약역시앞서기술한에너지저장시스템을활용하여제약을 완화할수있다. 이와같은에너지저장시스템을이용한송전제약완화 는송전망설비투자지연효과도동시에기대할수있다. 배전계통은송전계통을통하여공급된전력을일반수용가까지공 급하는역할을수행한다. 배전계통은배전용변전소, 배전선, 주상변 압기, 개폐기등으로구성되며, 송전계통과비교하여구성설비의규모 는작지만그수가방대하고, 시설장소가주거지, 공장에밀착되어 있는것이특징이다. 계통은전압과선로구성만다를뿐기본적인역 할은송전계통과동일하다. 단지, 설치에너지저장시스템용량의차이 에따른출력과에너지양등규모만다를뿐기본적인활용방안과기 대효과는동일하다. 에너지저장시스템을배전계통에적용하게되면, 배전계통의안정운영과유연성확보, 배전계통의선로용량제약완 화, 배전계통의전력품질개선등의효과를기대할수있다. 배전망개선투자지연은전력부하를충족할수있는적절한배전 용량을확보유지하는데필요한투자를지연하거나줄일수있다. 변압기교체또는신규설치시에는향후 15 20년기간동안부하 증가를충족할수있는용량규모를선택하게된다. 에너지저장시스템 을활용하여피크부하를줄일경우변압기에대한과대용량투자를 회피할수있다. 변압기용량이부족하여교체가필요할경우에너지 저장시스템활용을통해피크수요를절감할경우기존변압기의수명 을연장사용할수있어투자를줄일수있다. 또한신규로변압기설 치수요도줄이는효과를거둘수있다. 배전망용량설비투자지연 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 49

목적으로사용하는에너지저장시스템은동시에배전망의전압관리에 도사용할수있다. 에너지저장시스템을설치하여상대적으로적은금액으로송전및 배전시스템을개선할수있다. 계통최대부하가부하용량에근접하 고있는송전배전시스템을고려해보면, 적은용량의에너지저장시 스템의과부화송전및배전시스템의접속점아래에설치함으로써송 전배전의확대를위한투자를지연할수있다. 특히, 송전및배전 시스템의대부분이일년에단지몇시간동안만최대부하가발생한 다. 에너지저장시스템이설치될경우최대부하의증가를에너지저장 시스템이담당함으로써계통최대부하를견딜수있도록해준다. 방 전지속시간은계통특성에따라달라지므로일반화될수는없다. 송 전및배전망에설치된에너지저장시스템은설치위치와환경에따라 전압유지, 송전혼잡제거, 신뢰도서비스, 전기품질서비스등다양한 용도로활용할수있다. 2) 전력품질향상 송배전망연계에너지저장시스템은전력공급의품질향상을목적으 로활용될수있다. 전력품질을공급자측면에서이야기하면전력공급 의신뢰도라고할수있으며, 수용가측면에서이야기하면전기설비에 공급되는전력의상태( 특성) 로정의할수있다. 이러한전력품질을나 타내는평가지표로는일반적으로주파수유지율, 전압유지율및정전 횟수( 시간) 등이사용된다. 최근에는기존에문제되지않았던순시전 압강하, 순시전압상승, 전압불평형, 순간정전, 고조파, 써지 (surge), 미소외란등의문제도발생하고있다. 전력품질문제를야기 50

하고있는주요요인은전력용반도체등스위칭소자를포함한비선 형전력설비및부하의동작에기인한다. 전압안정도는무효전력의부족에서발생한다. 발전기에서생산된 전력은변압기, 송전선로의임피던스로인해수요지까지전송되면서 무효전력의손실이발생한다. 무효전력의손실은외란의발생으로전 력계통의임피던스가증가하면더욱증가하며, 이러한무효전력의손 실로인해전압이하락하여안정적인영역을벗어나게되면대규모 정전이발생하게된다. 즉, 외란으로인한무효전력의손실을충분히 보상하면전압안정도를유지할수있다. 품질관리용송전망에너지저장시스템운용의첫번째는전력계통에 서의전압/ 무효전력 16) 보상이다. 전력계통운영에서안적적인품질의 전력을공급하기위해서는주파수와함께전압의안정적인관리가필 수적이다. 고객에게안정적인품질의전력을공급하기위해전기사업 자의공급전력의전압유지범위는전기사업법령 ( 전기사업법시행규칙 제18 조) 에의하여 < 표 -10> 과같이표준전압및허용오차범위에서 유지되도록하여야한다고규정하고있다. < 표 Ⅲ-10> 표준전압 110V( 표준전압) 220V( 표준전압) 380V( 표준전압) 저압표준전압및허용오차 허용오차 110±6V 220±13V 380±38V 자료: 전기사업법시행규칙 16) 무효전력(Reactive Power) 은부하에서유효하게이용될수없는전력을말함 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 51

또한전력품질유지를위해 < 표 -11> 와같이발전및송배전망의 목표조정전압과전압유지범위를정하여운영하고있다. 발전소의기 준전압은중부하시에는발전기정격전압 100%, 경부하시에는 95% 로 함을원칙으로하고있다. 변압기의사용탭(Tap) 또는기타설비상의 이유또는연계계통과의협조상의기준전압유지가상시곤란할때에 는중부하시와의차이를 5% 이내에서정하고있다. 전력시장운영규칙 에따른역률을목표로할때에는중부하시에는정격역률또는 90% 이상, 경부하시에는 95-100% 의역률을기준으로운전하도록하고있 다. 그리고전기사업자및전력거래소가정상운전시전력계통에서유 지하여야할전압목표치와허용범위를규정하여운영하고있다. 송전 용변전소의전압조정목표는계통정압별구분하여정하고있으며, 목 표전압은 765kV 계통 745 785kV, 345kV 계통 336 360kV 이며, 154kV 계통은계통의상황에따라중부하시와경부하시에차를두는 것을원칙으로하고, 부하대별로중부하시(160±4kV), 부하변동시 (157±4kV), 경부하시(156±4kV) 로구분하여규정하고있다. 또한기준 전압을기준으로일정한범위내 (765kV ± 5%, 345kV ± 5%, 154kV ± 10%) 전압을유지하도록하고있다. 배전용변전소의경우배전선 인출측의전압을기준으로중부하시는최대계통운전전압으로하고 경부하시에는배전선로전압강하를고려하여중부하시와경부하시의 부하비율에따라결정하도록하고있다. 다만, 23kV 계통변전소의 전압조정장치를수동으로운전하는경우에는경부하시 22.0kV, 중부 하시 22.9kV, 첨두부하시 22.9kV 로정압을유지하도록하고있다. 52

< 표 Ⅲ-11> 전력계통전압조정목표및전압유지범위 구분전압조정목표전압유지범위 송전용변전소 배전용변전소 17)1) 발전 ( 중부하시) 정격전압 100%, ( 경부하시) 정격전압 95% 765kV 계통 765±20kV(745 785kV) 345kV 계통 154kV 계통 23kV 계통 353-17kV, 353+7kV (336 360kV) ( 중부하시) 160±4kV ( 부하변동시) 157±4kV ( 경부하시) 156±4kV ( 경부하시) 22.0kV ( 중부하시) 22.9kV ( 첨두부하시) 23.9kV 765 ± 5% (726 800kV) 345 ± 5% (328 362kV) 154 ± 10% (139 169kV) 자료: 전력계통신뢰도및전기품질유지기준, 지식경제부고시제2012-296 호, 전력시장운영규칙 전력거래소, 2013.10, 최근소비자의고품질전력에대한요구가커지면서전압/ 무효전력 보상에대한관심이높아졌다. 기본적으로유효전력과마찬가지로전 력계통에서필요로하는무효전력의가장큰공급원은발전기이다. 그 러나유효전력과달리무효전력의경우송전계통의역할이매우중요 하다. 발전기에서공급되는무효전력은유효전력과달리송전망의임 피던스성분에의한전송손실이상대적으로매우크며, 특히지역적 인편차( 송전망구성과부하성분의영향으로) 가매우커일반적으로 원거리에위치한발전기가수요측에영향을미치는것에비해지역 적으로가까운수요측인근변전소에설치된무효전력보상설비의 영향이더크다. 17) 전압조정장치의수동운전시부하대별기준전압 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 53

지역적인전압/ 무효전력의보상( ) 을위해지금까지는일반적으 로무효전력의보상이필요한지역인근변전소에설치된병렬커패 시터와리액터를활용해왔다. 커패시터와리액터는비교적저렴한비 용으로전력계통이필요로하는전압/ 무효전력보상이가능한장점이 있으나, 제어방식이스텝출력을기본으로운영되므로정밀한제어가 어려운단점이있다. 따라서최근에는선형제어가가능한발달된전력 전자소자와 IT 기술이접목된유연송전설비 (Flexible AC Transmission System; FACTS) 를이용한보상방법이채용되고있다. 에너지저장시스템을구성하는 PCS는기본적으로그동작방법이 FACTS 설비와유사하다. 즉저장설비( 전지등) 에저장된전력을전력 전자소자의스위칭동작제어를통해전력계통에서필요로하는양의 유효전력과무효전력을동시에공급할수있다. 이러한특성을이용하 여에너지저장시스템도전력계통의전압/ 무효전력보상에활용될수 있다. 순간적인전압강하와상승은에너지저장시스템의빠른작동특성 을활용하여보상함으로써기존전력계통의전압을유지할수있다. 사이클단위의순간적인전압강하와상승에대해에너지저장시스템 이반대방향으로동작하여전압변동에대처할수있다. 상간불평형 문제도 PCS를통해기존 3상 AC계통에연계되어있는에너지저장시 스템의출력제어를통해대응할수있다. DC로저장되어있는에너지 저장시스템의에너지는 PCS를구성하고있는전력전자소자의스위칭 동작을통하여 3상 AC 로변환되어공급된다. 이때상불평형이발생한 선로에대응하여제한적인전력공급을통해상불평형현상을완화할 수있다. 또한전력계통의외란이나사고, 기기의오동작등으로유발 54

되는순간정전역시빠른작동특성을갖는에너지저장시스템을활 용하여극복이가능하다. 일반적으로 1분이내의지속시간을갖는순 시정전사고시충분한저장에너지를보유한에너지저장시스템을이 용하여정전을막을수있다. 또한아크로, 압연기등순간적인고출 력설비의동작으로발생하는전압변동역시에너지저장시스템의동 작을통해전압변동의영향을완화할수있다. 다. 신재생에너지연계활용 화석연료사용에따른전세계적인심각한환경오염문제로인한 온실가스배출규제강화와자원고갈위험성에따른에너지안보의중 요성이증대되는가운데원자력발전소의사고위험등으로최근신재 생에너지의중요성도더욱커지고있다. 신재생에너지발전활성화는 주로유럽국가를중심으로이루어져왔으나, 최근미국과중국, 인도 등의나라들에서대규모의용량이건설되고있다. 신재생에너지전원의전기생산은자연조건에크게영향을받아발 전량과발전시점이불규칙하다. 특히, 출력변동성이큰풍력태양광 등신재생에너지발전용량이증가되면전력공급의안정성이떨어지 게된다. 전력수요가적은시기에저장했다가전력수요가높은시기에 출력하는에너지저장시스템을활용한안정적인전력공급시스템이해 결책으로부상하고있다. 전력계통에서안정적인전력공급을유지하 면서수용할수있는신재생에너지원의발전용량은신재생에너지전 원의비중이증가함에따라제한될수밖에없다. 신재생에너지전원이 충분히확보된다고하더라도전력계통의운영상황에따라서는전력 계통을모두수용하지못하게되는경우가발생할수있다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 55

전력계통연계측면에서신재생에너지전원은기상조건에따라출 력변동성이높아기존발전기의비해출력예측이매우어렵고설비 이용률을나타내는용량계수(Capacity Factor) 도낮다. 실시간전력수 급의균형을기본으로하는전력계통운영에서발전출력을전력수요 의조정이거의불가능하므로전력계통의운영조건과수용한계용량 에따라신재생에너지발전원의생산전력을제한할수밖에없는경우 도발생할수있다. 500kW 일본의경우경제산업성고시로전력회사가 이상의시설을보유하는태양광발전사업자및풍력발전사 업자에대하여수급운영에지장을미칠가능성이있는경우에는연간 30 일이내금전보상없이출력억제를요청할수있도록하고있다 신재생에너지발전의가장큰단점은출력예측이불가능한변동성 으로에너지저장시스템을활용될경우신재생에너지발전원의출력 변동성을완화하고설비이용률을높일수있다. 신재생에너지전원 출력단계에에너지저장시스템을설치할경우출력변동성을저감할 수있다. 특히, 풍력에너지와태양에너지의경우풍속의변화와태양 광의변화에따라출력이변동되어안정적으로전력공급이힘든반 면, 전력수요는계절및시간에따라서전기의사용행태가크게다르 다. 여름철에는주간냉방수요가크게증가되므로주야간격차가확대 되는문제가발생한다. 따라서이런격차로인한잉여전력이나신재 생에너지로부터발전된전력을필요한시기에적절하게사용할수있 도록전력을저장하는전력저장시스템 (ESS) 이필요하다. 자가소비용 연계에너지저장시스템은잉여전기를저장했다가필요한시기에사 용하여외부전기공급의존도를줄이고또한비상용전원으로도사용 할수있다. 56

신재생에너지발전원의비중이높아질수록변동이심한전원의출 력을보상하기위해전력저장장치적용이요구된다. 전력망에는다양 한신재생에너지발전원을연계하는것이일반적추세로개별신재생 에너지발전원의출력을대상으로운영되는것보다는송전망수준에 서전체적으로신재생에너지출력변동을관리하는것이보다효율적 이다. 전력망전체의전력수급( 발전과수요의균형) 을실시간으로나 타내는파라미터인주파수를모니터링하고주파수조정과연계하여 에너지저장시스템의출력을관리할수있다. 에너지저장시스템의다 목적용도로사용함으로써효과적인운영, 비용절감, 신재생에너지산 업의활성화에도기여할것으로기대된다. 라. 수요자원으로활용( 수용가 ) 수용가용에너지저장시스템의활용은앞서언급한발전원연계형이 나송배전망연계형과크게다르지않다. 단지에너지저장시스템을활 용을통해효과를기대하는편익의주체가수용가라는것이큰차이 라고할수있다. 본보고서에서는에너지저장시스템을이용한수용가 의에너지비용절감과전력품질서비스그리고전력신뢰성 ( 백업전원 용) 개선목적으로활용안에대하여소개하고자한다. 1) 에너지비용절감( 부하관리) 에너지저장시스템의충방전패턴을통한시간대별요금차이를활 용하여수용가의에너지비용절감( 전력구입비감소) 은가장기본적인 에너지저장시스템활용의기대효과라고할수있다. 수용가( 전력소비 자) 는전기요금이낮은시간대에에너지저장시스템을충전하고전기 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 57

요금이높은시간대에에너지저장시스템방전을통해필요한전력을 사용하는방식으로수용가의에너지비용을절감할수있게된다. 에너 지저장시스템을활용한에너지비용절감에는기본적으로시간대별요 금이차등적용되는계시별요금 (TOU) 18), 실시간요금 (RTP) 19), 또는 피크요금 (CPP) 20) 방식의요금제가운영되어야한다. 현재국내전기요금제도는산업용, 일반용고압사용자중계약전력 300kW 이상은계시별( 계절별시간대별) 요금을적용하고 300kW 미 만고객에대해서도시간대별구분계량기가설치된고객에한하여 계시별요금을적용하고있다. 교육용의경우계약전력 1,000kW이상 고객을대상으로계시별요금제도를적용하고있다. 또한일반용( 을), 산업용 ( 을) 고압고객을대상으로수요관리형선택요금 (CPP) 제도를시행 하고있다. 한편주택용저압사용자에게는고정요금을적용하고있다. 2) 전력품질서비스 수용가연계형에너지저장시스템에서도송배전망연계형에너지저 장시스템의활용방안에서언급하였던전력품질유지용으로에너지저 장시스템을활용할수있다. IT기술의발달로일반수용가에도전력품 질에민감한다양한기기의보급이늘어나고있다. 특히, 전원에민감 한디지털가전기기는작은전압, 주파수변화에민감하게반응할수 있다. 에너지저장시스템을각수용가에적용할경우송배전망연계형 에너지저장시스템과같이순시전압강하와상승, 순시정전, 전압변 동등의각종전력품질문제를해결할수있다. 18) 계시별요금 (Time of Use): 계절별, 시간대별로요금을차등부과 19) 실시간요금 (Real Time Price): 전력공급원가를반영하여시간대별로요금변동 20) 최대피크요금 (Critical Peak Price): 전력수요가높은시간대요금사전공지, 시행 58

3) 백업전원( 전력신뢰성서비스) 전력수급시스템이아무리잘설계되고갖추어져있어도결코완벽 할수없다. 수용가의전력시스템도역시마찬가지로항상발생할지 모르는정전의위험에대비해야한다. 정전을미연에방지하고, 혹여 발생하더라도그피해를최소화하는것이백업전원의역할이라고하 겠다. 특히우리나라에서는비교적안정적으로전력이공급되어다른 국가에비하여일반소비자들의정전으로인한피해에대한인식이 낮다. 하지만정전으로인한피해는실로막대하다. 우리는이미 2011 년순환정전을겪으면서정전으로인한사회적혼란과경제적손실을 경험한바있다. 이러한전력공급중단을대비하기위한설비가비상 발전기이다. 에너지저장시스템역시충전된전력을이용하여비상발 전기와같이전력공급이중단된상황에서백업전원의역할을수행할 수있다. 제3장에너지저장시스템활용분야및기대효과 59

제 4 장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 1. 국내외에너지저장시스템실증및보급정책분석 각국정부는수요가적을때잉여전기를저장하여수요가많을때 방출하여활용하는에너지저장시스템의실증사업및보급확대를위 해발빠르게움직이고있다. < 표 -1> 에서보는바와같이, 정부예 산지원으로에너지저장시스템실증사업을추진함과동시에보조금지 원등을통해보급확산을서두르고있다. 국가지원제도내용비고 미국 일본 자가발전인센티브 (Self Generation Incentive Program) 태양광발전연계 ESS에 Wh 당 $0.5~$2.0 지급 ESS 설치의무화공급전력의 2.25%(2014 년), 5%(2020 년) 수준의무화 캘리포니아주정부주관 에너지부(DOE) 주관으로 ESS 실증및보급투자연방정부주관 ESS 설치비용의최대 1/3 지급가정용 100 만엔, 법인용 1억엔한도에서지원 ( 도쿄) ESS 도입시설치비용 2/3 지급(2 천만엔한도) 대상 : 도쿄에본사나사업장을두고있는중소기업 ( 사이타마현) 가정용 ESS 1kWh 당 5만엔지급 경제산업성주관 지방자치단체주관 독일 태양광발전연계 ESS 대상설치비용의 30% 지급 2013년 2월부터 한국 < 표 Ⅳ-1> 주요국의 ESS 보급확산정책 공공기관 ESS 시범보급사업보조지원( 예산 27 억원) 계약전력 1,000kW 이상공공기관이 100kW 이상 ESS 설치 ESS 종합추진계획수립(500 설치계획) 한전은 ESS 투자 6,500 억원집행계획( 주파수조정용 ) 2014 년부터 한전주관 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 61

국내외에서실증과정(< 표 -1> 참조) 을통해에너지저장시스템의기 대효과가차츰입증되고있다. 최근저장기술이원가측면과성능측 면에서빠르게기술진전이이루지고있어산업계도구체적인성과가 예상되는에너지저장시스템시장에적극적인관심을보이고있다. 국가실증사업비고 미국 일본 유럽 한국 < 표 Ⅳ-2> 국내외 ESS 실증프로젝트사례 플라이휠활용 NY Smart energy matrix(2011 년) 총사업비 69 백만$ 중 70% 20MW급 ESS. 주파수조정, 풍력보정정부가융자 리튬이온전지활용 NY Westover(2010 년~2011 년) 총사업비 22 백만$ 중 20MW/5MWh 급 ESS. 주파수조정, 전압조정 77% 정부지급보증 Metlakatia 프로젝트 (1997 년) 납축전지활용 1MW/1.4MWh 급 ESS. 주파수조정, 예비전 총사업비 2.3 백만$ 력지원 McIntosh 프로젝트 (1991 년) 압축공기방식활용 110~348MW 급. 화력발전소잉여전력활용 SCE 가정용 ESS 데모(2010 년) 리튬이온전지활용 10kWh 급. 주택용태양광발전연계 미국에너지부자금지원 NaS 실증(1997 년~2008 년) NaS 전지활용변전소실증(1997 년), TEPCO 에 180MW 설치 NaS는 2002 년에최초상용화 Rokkasho(2008 년) NaS 전지활용 3422MW/250MWh 급 ESS. 풍력발전보정 Large capacity transportable ESS(2011 년) 리튬이온전지활용. 1MW/0.404MWh 급. 비상전원및풍력보조 일본대형 ESS 2020 년까지유럽내태양광 Sol-ion 프로젝트 ( 독일, 프랑스) 발전의 12% 까지 ESS 적용 5~15kWh 용량의 ESS 75기운영계획 Grid connected Distributed ESS( 스웨덴) 리튬이온전지활용 87kWh급으로분산발전용 ESS 제주도스마트그리드실증(2009 년~2013 년) 3kW~1MW급 ESS. 부하평준화, 충전소, 풍 리튬이온전지활용력보조등 대구가정용 ESS 실증(2010 년~2013 년): 리튬이온전지활용 3kW, 10kWh 급 ESS. 부하평준화, 태양광연계 제주도조천변전소실증(2011 년~2014 년) 4MW/8MWh 급 ESS. 부하평준화, 풍력보조 리튬이온전지활용 제주도가파도 Carbon Free Island 사업(12 년) 신재생전원 +1MW 급 ESS. 기존디젤발전대체 62

가. 미국 미국은공공기관및대형전력회사를중심으로 LIB, RFB, CAES, 플라이휠분야에대한기술개발과실증을적극적으로추진하고있다. 현재미국의에너지부(DOE) 산하연구기관인 ARPA-E와 EPRI 등공 공기관과 AES, AEP 등대형전력회사중심으로기술개발및실증사 업이활발하게수행되고있다. 미국의 DOE는산하기관인 APRA-E을 통해 2009 2010년총 9,200 만달러의자금을리튬이차전지, 커패시터 ( 하소물질 ), 흐름전지, 지하압축공기저장장치 (CAES), 플라이휠, SMES 등에너지저장기술에투자했다. 미국 AES는 2010년 6월에뉴욕웨 스트오버발전소의 44MW 화력발전설비에 20MW급리튬이차전지를 설치했다. 미국은세계최초로에너지저장장치의의무화제도도입과세제혜택, 차별적요금제도등연방정부의지원정책을바탕으로보급확산정책 을적극적으로추진하고있다. 전력계통용대형에너지저장시스템과 주거용에너지저장시스템을대상으로다수의실증사업을진행중인 미국은효과가검증된영역을중심으로에너지저장시스템의구체적 수준까지제도화하고있다. 연방정부와주정부는투자촉진을위한감 세와보조금지급그리고공공조달확대등시장형성을위한정책을 추진하고있다. 연방정부는투자세감면및감세정책으로기업의투 자를촉진하고, 주정부에서도피크발전량의일정부분에대한에너지 저장시스템의무화제도로에너지저장시스템실증및보급을서두르 고있다. 캘리포니아주는에너지저장시스템설치의무화법안을제정 ( 10년 9 월) 하여전력회사가에너지저장시스템을설치하도록의무화 하고있다. 이에따르면, 전력회사는 2014년 1월 1일부터 5년간평균 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 63

공급전력의 2.25%, 2020년까지 5% 이상을설치공급하도록의무화하 고있다. 또한캘리포니아주는풍력및연료전지와함께설치되는 3MW 이하에너지저장시스템에대하여 $0.5~2/kW의보조금지급프 로그램 21) 을운영하고있다. 한편 ISO 22) 와 RTO 23) 는에너지저장시스 템의전력시장참여를위해관련제도를개선하고, PJM 은주파수조정을 위한보조서비스시장에에너지저장시스템의참여를허용하고있다. 나. 일본 일본은신재생발전소용, 가정용등다양한분야에서기술개발을추 진하고있고, 수소저장, 나트륨황전지, LIB에서앞선기술력을보유 하고있으며, 정부의보조금지원및기업체와의협력을통하여에너 지저장시스템시장창출을가속화하고있다. 일본은 NaS 위주로전력 망연계형대규모에너지저장시스템의실증과보급촉진을진행하고 있다. 동경전력과 NGK 는공동으로약 300MW 규모의 NaS 전지를 활용한에너지저장시스템을설치운영하고있다. 그외에너지저장시 스템의실증은 NEDO 24) 주관으로신재생에너지출력보정과부하평준 화를목적으로실증사업을지원하고있다. 한편일본(NEDO) 은 2013 년 8 월 이차전지기술개발로드맵 2013(Battery RM 2013) 을수립하 여 2020 년까지배터리가격 $200/kWh 수준, 수명 20년을목표로 R&D 를추진하고있다. 21) 캘리포니아의보조금프로그램 : Self Generation Incentive Program 22) ISO (Independent System Operator) : 독립계통운영자 23) RTO (Regional Transmission Organization) : 지역송전망운영자 24) NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization): 신에너지산업기술종합개발기구 64

< 표 Ⅳ-3> 일본이차전지기술개발로드맵 계통용 수용가용 이차전지용도 장주기변동조정용이차전지 단주기변동조정용이차전지 중규모빌딩공장공동주택용 (CEMS, FEMS, BEMS 용) ( 비상및재해대책용 ) 가정용이차전지 (HEMS 용) ( 비상용 ) 현재 (2012 년말기준) 수명: 5 10년 비용: 5 10 만엔/kWh 2020 년 2030 년 수명: 20년비용: 2.3 만엔/kWh 수명: 20년보급확대로비용감소기대 실증단계보급초기본격보급 수명: 5 10년 비용: 5 10 만엔/kWh 실증단계 수명: 5 10년 비용: 5 60 만엔/kWh 수명: 20년비용: 2.3 만엔/kWh 수명: 20년보급확대로비용감소기대 보급초기 + 본격보급본격보급 수명: 15년비용 : 수명: 20년 (EMS 용) 실증단계보급초기 + 본격보급본격보급 ( 비상용 ) 보급초기 CEMS, FEMS, BEMS 용통합 수명: 5 10년 비용: 10 25 만엔/kWh 수명: 15년수명: 20년보급확대로비용감보급확대로비용감소기대소기대 (HEMS 용) 보급초기본격보급본격보급 ( 비상용 ) 보급초기 CEMS, FEMS, BEMS 용통합 무선기지국 수명: 5 10년 비용: 20 40 만엔/kWh 수명: 15년수명: 20년보급확대로비용감보급확대로비용감소기대소기대 보급초기본격보급본격보급자료: NEDO, NEDO 이차전지기술개발로드맵 2013(Battery RM 2013), 2013.8 2011 년대지진이후원자력발전을전면가동중단한일본은안정 적전력예비율을확보유지하고비상정전에대비하기위해에너지저 장시스템설치를적극적으로지원하고있다. 가정용납축전지의보급 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 65

으로전력공급의불안감을잠재우는데효과를본일본은에너지저 장시스템설치보조금의지급주체를중앙정부와지방자치단체의이 원체제로운영하고있다. 경제산업성주도로에너지저장시스템설치 보조금을운영하고이와함께도쿄지역에서는도입비용의최대 지를지원하고, 2/3까 사이타마현에서는가정용에너지저장시스템에대해 1kWh당 5 만엔을지원하고있다. 경제산업성은전력부족문제해결 과 LiB 산업육성을위해 2012년부터약 5,000억엔규모의에너지저 장시스템보조금사업예산을확보하여설치비의의최대 지원한바있다. 예산문제로 1/3을보조 2013년 9월말지원이중단되었으나 2014 년에 1,000 만엔(908 만달러) 의예산을확보하여지원하고있다. 보조금 지원방식도개선되었다. 개인소비자와기업에지급하는보조금의한 도는동일하지만제조기업에게가격을인하할것을권장하고있다. 또 한보증된제품의제품사양에따라 표준가격(standard price) 과 목표 가격(target price) 을설정하고소매가격과표준가격을토대로 < 표 -4> 에제시한계산방식에따라보조금을결정한다. < 표 Ⅳ-4> 구분보조금금액 소매가격 > 표준가격 ( 소매가격목표가격) 의 1/3 소매가격표준가격과소매가격>2 목표가격 ( 소매가격목표가격) 의 2/3 소매가격표준가격과소매가격 2 목표가격소매가격의 1/3 자료: SII 홈페이지(http://www.sii.or.jp/ess) 일본의에너지저장시스템보조금지원환산공식 66

다. 유럽 독일은프랑스와공동으로 Solion 프로젝트를추진하고있다. 이프 로젝트는태양광주택의에너지자립을위한리튬이온전지도입타당 성을평가하기위해약 독일정부는 75 개시스템에대한실증사업을추진중이다. 2013년 2월태양광발전에연계된에너지저장시스템의 설치비용의 30% 까지보조금을지원하기로결정하였으며, 독일의경 우태양광발전이전체발전량에서차지하는비중이 20% 에가깝다. 2020년까지신재생에너지비중을 35% 까지확대할계획인독일은신 재생에너지와연계되는에너지저장시스템에대한보조금지원으로확 대정책을추진하고있다. 독일에서는최종소비자를지원하기위한시 장이성장추세에있으며, 저금리대출을제공하고주거용및상업용 PV 및저장시스템에보조금을지급하는 Kfw 프로그램 275(KfW Programme 275) 로 2014년 1월약 4,000개의에너지저장시스템이설 치되었다. 보조금을받지않고설치된저장시스템의개수도비슷한것 으로추정되고있다. 영국경우, 에너지기후변화부 (Department of Energy and Climate Change, DECC) 의에너지저장기술보급프로그램(Energy Storage Technology Demonstration programme) 과저탄소네트워크펀(Low Carbon Networks Fun, LCNF) 을중심으로진행되고있다. 영국 DECC 의에너지저장기술보급프로그램은대규모에너지저장보급 프로젝트를위한것으로예산으로 1,700 만파운드를책정하였다. 1차 에서 12개기업에 50 만파운드(70 만달러) 가배분, 2013년후반에 500 만파운드(690 만달러) 가 RedT와 Moixa 에배분되었다. LCNF도 2013년 Western Power Distribution의에너지저장시스템설치를지원 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 67

하였다. 2014년 5 월공학자연과학연구회(Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC) 는업계가직면한문제를해결하 고자 400 만파운드(675 만달러) 규모의 에너지저장허브 를설치했다. 이탈리아에너지규제당국은 2013년 12월에너지시스템에대한가 이드라인을발표했다. 이를통해에너지저장시스템의계통연계요건 을명확하게하고, 네트워크에서의전기저장에대한기준을제시하였 다. 이탈리아에서 Terna 가 그리드개발계획(Grid Development Plan) 과 그리드방어계획(Grid Defence Plan) 으로전기저장시스템 의설치사업을추진하고있다. Terna는두프로그램으로최대 75MW 규모의설치를추진하고있으며, 2014년 5월기준 45MW의설치계 약을체결하였다. 배터리공급기업기술출력용량-저장용량비용 BYD Li-ion 2MW-2MWh 420 만$ Saft Li-ion 2MW-0.9MWh 490 만$ Samsung SDI Li-ion 2MW-2MWh 520 만$ Siemens Li-ion 1MW-1MWh* 450 만$ Toshiba Li-ion 1MW-1MWh* 460 만$ Fiamm GE Energy Storage < 표 Ⅳ-5> Terna의전기저장시스템계약현황 Sodium nickel chloride Sodium nickel chloride 3MW na 1,390 만$ 800 만$ NGK Insulators Sodium sulphur 35MW-245MWh 29,100 만$ Total 46MW-252MWh 33,600 만$ 주) * Li-ion 프로젝트는본래 1MW 이나, 2MW 까지증대한다는옵션이있음. 자료 : BNEF(2014) 68

라. 한국 현재국내에너지저장시스템의기술수준은상용화정도, 원천부품 소재기술수준, 실증경험측면에서선진국보다아직열세인상태에 있다. 일부기술( 리튬이온전지, 슈퍼커패시터, 플라이휠) 은상용화단 계에도달하였으나, 그외의기술은초기기술개발단계의수준에있 다. 국내에너지저장기술개발현황및기술수준은 < 표 -6> 과같다. < 표 Ⅳ-6> 국내 ESS 기술개발현황및기술수준 구분 리튬이온전지 나트륨황전지 레독스흐름전지 슈퍼커패시터 세계최고기술업체 미쯔비시중공업 GS 유아사( 일) 주요국내업체 삼성 SDI, LG 화학 R&D 단계 응용제품개발 기술수준 ( 세계 : 100) 원천 부품소재 제조 55 70 95 NGK( 일) 포스코초기개발 35 35 30 Prudent Energy( 중) 파나소닉( 일) MAXELL( 미) LS 산전, 호남석유화학 네스캡, LS 엠트론, 초기개발 40 40 45 응용제품개발 50 55 80 플라이휠 압축공기저장 보잉( 미) 전력연구원제품개발 70 60 70 PG&E( 미) 삼성테크윈초기개발 50 70 55 자료: 지식경제부, 에너지저장기술개발및산업화전략, 2011.5 우리나라의리튬이온전지는세계최고수준의제조기술로해외수출 이가시화되고있으나, 전반적인에너지저장시스템원천부품소재기 술은미흡한수준으로평가되고있다. 리튬이차전지제조기술을제외 하고는에너지저장기술전반에걸쳐선진국대비기술격차가있는상 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 69

황이다. 리튬이차전지원천기술및소재부분에서도일본기업의 50~ 70% 수준인것으로평가되고있다. 특히국내전지제조기술은국제 경쟁력을확보하고있으나, 소재및핵심기술수준이낮고전해액과 양극활물질을제외하고는소재의국산화율이 20% 에도미치지못한 다. [ 그림 -1] 국내리튬이온이차전지공급체인(supply chain) 을보 여주고있다. 리튬배터리는삼성SDI, LG 화학, SK이노베이션이국내 외로부터관련소재를공급받아제조하고있다. 해외시장에서삼성 SDI, LG 화학, Panasonic, Toshiba 등한국과일본업체들이시장을 주도하고있으며중국업체들이가격경쟁력을바탕으로추격하는상 황이다. [ 그림 Ⅳ-1] 리튬이온이차전지공급체인(supply chain) 자료: KDB 대우증권, 2014 Outlook Report, 2013.11.19 70

배터리는소재산업으로전체원가의 70% 이상을재료비가차지한다. 주요소재를대부분일본에서수입하고있어리튬이차전지생산량이 늘어날수록일본업체에대한종속도가커질수있다. 따라서리튬이 차전지산업의경쟁력강화를위해선핵심소재의국산화와소재분야 의기술개발에대한투자가요구된다. 최근들어많은업체가참여하 고있으나, 기술개발인프라및투자는여전히선진국대비미약한 수준에머물고있다. 에너지저장시스템분야에서삼성SDI, LG 화학, 효성, LS산전등대기 업이핵심분야인배터리와전력제어장치 (PCS) 에서상당한경쟁력을 확보하고있다. [ 그림 -1] 은에너지저장시스템 (ESS) 구성분야별 대중소기업현황등공급체인을보여준다. < 표 Ⅳ-7> ESS 구성분야별대 중소기업현황 분야대기업중소기업 배터리제작소재부품 GS Caltex 등 10 개에코프로등 9 개배터리삼성SDI 등 5개레보등 4개 제어 설치및유지보수 PCS 효성등 5개 Maxcom 등 4개 PMS 포스코ICT 등 2개웰즈텔레시스등 2개 EMS 전력기기 전기공사 엔지니어링 자료: 통상산업자원부 LS산전등 5개 AT Solution 등 2개 현대중공업등 4개남전사등 5개 일진전기등 4개일렉파워등 3개 효성등 2개옴니시스템등 2개 중소기업참여가능성 정부는 2011년 5 월 에너지저장기술개발및산업화전략(K-ESS 2020) 을수립하여실증사업과산업화전략을추진하고있다. 동계획 은에너지저장시스템이발전용-송전망 -수용가등전력망에널리활용 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 71

되는사회실현및에너지저장시스템산업강국도약을비전으로제시 하고있다. 비전실현을위해 2020년까지세계시장점유율 30%, kwh당 20 만원( 배터리기준 ), 수명 20 년, 국내시장보급 1,700MW 달 성을목표로설정하고있다. 이를실현하기위한구체적인추진과제 와계획을담고있다. 정부는 3개중점저장기술로고에너지밀도레 독스흐름전지개발, 10kWh 급리튬이온전지에너지저장시스템실증, 고출력장수명슈퍼커패시터제작기술개발을설정했다. < 표 Ⅳ-8> 한국의 ESS 기술개발및산업화비전과목표 구분 2013년 2017년 2020년 산업화국제시장점유율 10% 15% 30% 기술개발및실증 가격 /kwh ( 배터리기준) 50만원 30만원 20만원 수명( 년) 10년 15년 20년 실증규모 8MW급 100MW굽수백MW급 국내보급보급용량 2020년까지 1,700MW 보급 자료: 지식경제부, 에너지저장기술개발및산업화전략, 2011.5 국내실증사업현황을살펴보면, 실증사업이추진중이나아직초기 단계이고, 큰수요가예측되는전력망용대규모에너지저장시스템실 증은아직전무한상태이다. 국내최초로변전소와연계해서에너지저 장시스템실증사업인제주조천변전소실증사업( 총사업비 263 억원, 사업기간 11.7 14.6) 이추진되었다. 동사업은 22.9kV 배전선로와 연계하여신재생에너지전원의출력평준화실증을목표로 4MW/8MWh 규모의리튬전지에너지저장시스템을설치하였다. 이를 통해전력계통과연계된대용량의에너지저장시스템을이용하여상시 72

부하관리를통해계통운영방안및송전손실계통혼잡부하차단을최 소화하는알고리즘을개발하고, 신재생발전의간헐적특성을개선함 으로써전력품질향상및계통의안정도향상방안에대한검토를수 행하였다. 현재에너지저장시스템을기술적으로검증하고전력계통주 파수조정시장과신사업모델개발을목적으로 전력계통주파수조정 용에너지저장시스템실증사업 ('13.6 16.5) 이진행되고있다. 또한가 정용실증사업으로제주스마트그리드실증단지에 5kWh급가정용 너지저장시스템실증사업( 09.12 13.5) 과대구 100가구에 3kW/ 10kWh 급리튬이온전지시스템실증사업( 10.6 13.5) 이추진되었다. 현재국내시장은아직시장형성전의실증단계이다. 정부는에너지 저장시스템의시장조성을위해금융지원, 세제혜택, 고효율에너지기 자재인증품목으로추가와함께에너지관리공단을통해공공기관을 대상으로시범보급사업을추진하고있다. 시범보급사업은계약전력 1000kW 이상의공공기관을대상으로 100kW 에 이상의에너지저장시스 템을설치하는경우보조금을지원한다. 보조금은에너지저장시스템 사업자와컨소시엄을이룬공공기관의신청을받아지원된다. 정부는 시범사업의성과분석을거쳐향후에너지저장장치의사용을확대한다 는계획이다. 현재공공기관의신청을받아 7개기관이최종선정되어 금년도에총 2.5MW 규모의에너지저장시스템이설치된다. 한편한국전력공사는다양한에너지저장시스템실증분야중에서 그간의국내외실증을통해경제성이입증된주파수조정영역에서는 에너지저장시스템활용을위한구체적집행계획까지수립하여금년 부터투자를본격화하고있다. 한전은금년 52 ( 서안성 28, 신용인 24 ) 설치를시작으로 2017년까지 6,250억원을투입해총 20개변 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 73

전소, 총 500 의에너지저장시스템을설치해전력계통의주파수조 정에참여할예정이다. 한전의주파수조정 (FR) 용으로에너지저장시스 템설치사업은국내에너지저장시스템산업의경쟁력확보및가격 경쟁력확보에도기여하고, 나아가서사업성과를토대로초기단계수 준인해외시장공략도가능할것으로기대된다. 마. 시사점 국내외에서실증사업을통해에너지저장시스템의기대효과가차츰 입증되고있다. 전기를저장했다가필요할때사용하는에너지저장시 스템의기본기능은물론이고전기의품질을높이는등다양한효과 가검증확인되고있다. 거듭되는에너지저장시스템의효과실증과기 술신뢰성이확인될수록시장도빠르게형성되어보급도빠르게확산 될것으로예상된다. 국가별로전력시장에서에너지저장시스템의필 요성과전력요금체계등시장여건에따라에너지저장시스템시장형 성과발전방향도상이한형태를보이고있다. < 표 Ⅳ-9> 국가별 ESS 시장필요성및시장발전방향 국가미국일본독일한국 ESS 시장필요성 전력계통노후화 원전사태에따른비상전원확보 신재생에너지발전활성화 전력피크수요감축 전력계통용 가정용 시장형성단계 신재생에너지발전용가정용 상업산업용( 빌딩/ 공장) 가정용 신재생에너지발전용가정용 신재생에너지발전용전력계통용 전력계통용 전력계통용 74

국내외실증사례및보급정책에서살펴본바와같이, 미국은전력 노후화로전력계통용, 일본은비상전원확보를위해가정용, 독일은 출력변동성이높은신재생에너지발전의활성화를위해신재생에너 지발전용에너지저장시스템시장에정책의우선순위를두고있다. 전 력피크수요가전력소비에비하여높은증가세를보이고있는한국은 전력피크수요감축을위해건물및공장용에너지저장시스템시장에 정책의우선순위를두고추진할필요가있다. 수용가피크감소용에너 지저장시스템은고객의전기요금절감은물론, 발전소및송전선로의 건설을최소화할수있으며전력예비율부족으로인한순환정전도 예방하는효과가있다. 대표적인에너지저장시스템으로양수발전기가있으나기술발전에 따라최근에는배터리를이용한에너지저장시스템이국제적으로주목 받고있다. 특히소규모용량에서대용량전기저장시스템까지다양하 게사용되는리튬이온배터리의경우국내기업의생산량이세계 1 2 위로선진국과경쟁할수있는제조기술을보유하고있다. 국내외에서 실증프로젝트들이활발하게진행되고있고, 최근배터리가격이빠르 게하락하고있어에너지저장시스템시장의개화가빨라질가능성도 커지고있다. 국내시장은아직초기단계로기술신뢰성과경제성확보 를위한전략적노력이요구된다. 경쟁우위에있는 ICT 기술과리튬 이온전지기술을기반으로에너지저장시스템시장창출에보다적극 적이고선제적으로대응해나간다면, 국제에너지저장시스템시장에 서경쟁우위를차지할수있을것으로기대된다. 또한선진국을중심 으로다양한저장기술에대한개발이활발하게추진되고있어, 향후 저장기술간의경쟁도심화될것으로예상된다. 따라서다양한저장기 술에대한연구개발도보다적극적으로추진돼야한다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 75

2. 수용가에너지저장시스템경제성분석 가. 분석의필요성 에너지저장시스템의설치투자를결정하는데있어서, 사업비투자 계획( 비용) 에따른편익을추정하여, 당해사업이경제적인투자가치 가있는지를확인하는것이무엇보다우선한다. 경제성분석을시행할 때우선누구의시각으로분석을할것인가를결정해야한다. 국가전 체로볼때는에너지저장시스템투자사업이경제성이확보되더라도 소비자측면에서경제성이없으면시장보급이불가능하다. 따라서에 너지저장시스템의보급확산을위해서는소비자측면에서경제적타 당성확보가핵심이다. 소비자측면에서에너지저장시스템의운영편 익( 에너지비용절감) 이투자비에비해크지못하면에너지저장시스템 의도입을적극적으로고려하지않게된다. 시장보급이확산되지못하게되면에너지저장시스템양산체제로의 전환도더디어설치비의빠른하락도기대하기어렵게된다. 국가차원 에서수요관리효과가기대되어기술개발초기이거나, 시장태동기에 정책적인차원에서사업을추진하기위해서도어느정도의재정적지 원이필요하고, 법적제도적보완을통해뒷받침을결정하기위해서는 현상황에서소비자측면에서경제성분석과주요요인의변화에따른 경제성민감도분석이요구된다. 본장에서는현행계시별요금제수준에서수요관리에너지저장시 스템의활발한시장보급을위한전제조건인에너지저장시스템경제성 을소비자의수익관점에서산정한다. 정부의보조금정책, 시범보급 사업추진등으로초기시장을형성한다하더라도시장의활성화는 76

궁극적으로소비자의자발적인투자의지에달려있다. 현재제반환경 에서의적정가격수준을가늠하는것이시급한일이라고판단된다. 다 양한종류의저장기술이상용으로개발되고있지만, 현행계시별요금 제의특성과가격등경제성과기술적인면에서시장보급에근접한 이차전지기반의에너지저장시스템을대상으로한다. 전기요금최소 화를위한에너지저장시스템의최적충방전계획모형을사용하여소 비자의편익을계산한다. 연도별투자비용을사회적할인율로나누어서기준년도의현재가치 로환산한다. 같은방법으로유입되는연도별편익을추정하여사회적 할인율로나누어서기준년도의현재가치로환산한다. 현재가치로환 산한편익을동일한기준에의해현재가치로환산한비용을비교하여 경제적타당성을확인한다. 경제적타당성을확인하는방법으로투자 비회수기간(Payback), 순현재가치 (NPV), 내부수익률 (IRR), 비용-편익 (B/C) 분석방법이널리이용되고있다. 여기에서는모든방법을사용 하고자한다. 경제성분석에있어서비용과편익을합리적으로규정하 여비용과편익을정확하게추정하는것이중요하다. 경제성분석의마지막단계로민감도분석(sensitivity analysis) 을실 시한다. 에너지저장시스템경제성분석에있어초기설치비및연간운 영유지비, 시간대별요금체계, 연간출력( 방전) 시간및적용할인율이 경제성의크기에영향을미치는주요요인이다. 다년간에걸쳐운전되 고효과가발생하는사업및정책평가의비용과편익은예상비용과 예상편익을의미한다. 따라서에너지저장시스템의초기설치비용과 요금체계에의해가장큰영향을받는다. 에너지저장시스템경제성은 초기설치비용이줄어들거나연간에너지비용편익이증가되면높아 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 77

진다. 연간에너지비용편익은요금체계변경으로가능하다. 따라서 본연구에서는에너지저장시스템설치비용하락과수요관리형선택요 금 의최대부하시간을늘리는에너지저장시스템전용수요관리형선 택요금제의도입을가정하여경제성민감도를분석한다. 나. 경제성판단기준계량화방법 경제성분석은비용과편익의현재가치를비교하여경제적타당성 을확인하는과정이다. 경제성판단기준으로투자비회수기간, 순현재 가치, 내부수익률, 비용- 편익분석등이사용된다. 본연구에서는모든 방법을사용하고자한다. 회수기간법 (Payback period method) 은투자액을연간현금유입액으로 나눈회수기간에의해투자결정기법이다. 회수기간은투자비를회수 하는데걸리는연수를의미한다. 계산이간편하고이해하기쉬우며, 투자위험성과유동성을파악할수있는장점이있어서실무에서가 장널리이용되고있다. 회수기간법은초기의투자액을얼마나빨리 회수하는가를측정하므로, 회수기간을계산할때회계이익이아니라 현금흐름을대상으로측정한다. 회수기간이짧을수록미래의현금흐 름에대한불확실성이줄어들고, 회수기간이길수록미래의현금흐름 에대한불확실성이높아위험성이크다고할수있다. 자금의시간가 치를고려하는방법과시간가치를고려하지않는방법에따라회수기 간이달라진다. 회수기간법에대해시간의흐름에따른돈의가치를 고려하지않은단점이지적되어할인회수기간 (discount payback period) 이사용된다. 할인회수기간은누적현금흐름의현재가치가양 (+) 으로돌아서는시점까지의기간을말한다. 누적편익과비용의현 78

재가치가교차하는시점이손익분기점 (breakeven point) 이된다. 할인회수기간은다음수식과같이계산된다. 여기서, : 현재가치누적손익이 + 로돌아서기직전년도 : 현재가치누적손익이 + 로돌아서는해당연도 : t년도까지현재가치화편익누적 : t년도까지현재가치화비용누적 : t+1년도편익의현재가치 : t+1년도비용의현재가치 순현재가치 (NPV: Net Present Value) 란투자의결과발생하는현금 유입(cash inflow) 의현재가치에서현금유출(cash outflow) 의현재가치 를차감한것을의미한다. 즉, 순현금흐름(net cash flow) 의현재가치 의합계를의미한다. NPV는최초투자시기부터사업이끝나는시기 까지의연도별순현금흐름을현재가치로환산하여합하여구할수 있다. 이를수식으로나타내면다음과같다. 여기서 는 기의순현금흐름, 는설치투자비 ( 최초투자액), 는제품수명기간, 는 1,..., 기사이의기간, 은할인율로정의된다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 79

따라서 NPV가 0 보다클경우해당사업은경제성( 투자가치) 이있는 것으로, 0 보다작을경우그렇지않은것으로판단한다. 내부수익률 (IRR: Internal Rate of Return) 은투자의결과발생하는 현금유입의현재가치와현금유출의현재가치를같아지게하는할인율 을말한다. 즉투자안의평균투자수익률을의미하며, NPV를 0으로만 드는할인율로정의되어투자사업을수행하는데필요한최소의수 익률을도출하는것을의미한다. 내부수익률 (IRR) 은다음과같이구 할수있다 또는 IRR 이투자비조달비용( 예, 대출이자율 ) 보다크면투자가치가존재 하지만그보다작을경우는투자가치가존재하지않는것으로판단할 수있다. B/C 분석(benefit/cost analysis) 은투자로인하여발생하는편익과 비용을비교평가하는방법이다. 현금유입의현재가치를현금유출의 현재가치로나누어평가한다. 편익/ 비용비율(benefit/cost ratio or B/C ratio) 분석이라고도불리며, 다음과같이구할수있다. 여기서, 는 기의편익, 는 기의비용을의미하며 가 1 80

보다클경우사업성이존재하는것으로 1보다작을경우존재하지 않는것으로판단한다. 본분석에서는언급한세가지기법을모두적 용하여수용가에너지저장시스템설치의경제적타당성을분석한다. 다. 에너지저장시스템의비용및편익산정 1) 에너지저장시스템비용산정 에너지저장시스템설치비용구조는다양한활용분야에서저장기술 의선택시핵심적고려요인이다. 에너지저장시스템의비용은크게초 기설치비용( 투자비용) 과운영유지비용으로구성된다. 그리고에너지 저장시스템의초기설치비용은크게 PCS(Power Conversion System) 비용, 저장비용( 배터리증) 그리고기타비용(EMS 및공사비) 로분 류할수있다. 여기서저장용( 배터리등) 설치비용은저장용량(kWh) 에비례하고, 출력설치비용은 PCS 정격출력량(kW) 에비례한다. 에 너지저장시스템의초기설치비용은아래식과같이나타낼수있다. 여기서, : 초기설치비용( 원) : PCS 의정격출력용량(kW) : 에너지저장용량(kWh) : PCS 출력단위당가격( 원/kW) : 에너지저장단위당가격( 원/kWh) : EMS 및공사비용( 원) 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 81

IEA 는에너지저장시스템별비용을 < 표 -10> 과같이제시하고있다. 리튬배터리를이용한에너지저장시스템의경우저장비용은 $500 2,300/1kWh. 출력설치비용은 $900 3,500/1kW 수준에있다. 적용분야 설치비용( 투자비용) 연간 출력비용 (US$/kW) 저장비용 (US$/kWh) 유지관리비 (%/ 설치비) 방전시간 ( duration) 양수발전 500 4,600 30 200 1 시간 CAES 500 1,500 10 150 4-5 시간 Li-ion 배터리 900 3,500 500 2,300 3 분-시간 NaS 배터리 300 2,500 275 500 5 시간 LA 배터리 250 840 60 300 5 시간 VRB 1,000 4,000 350 800 3 시간 플라이휠 130 500 1,000 4,500 na 분 SMES 130 515 900 9,000 na 분 슈퍼커페시터 130 515 380 5,200 na 초-분 수소 < 표 Ⅳ-10> 에너지저장기술별비용특성 600 1,500 1} 800 1,200(CCGT) 10 150 5 분 주: 1) 물전기분해장치자료 : IEA, Energy Technology Perspectives 2014, 2014.3.19 본연구에서는공공기관대상에너지저장시스템설치보조사업의 자료를이용하여비용을산정한다. 배터리단가는 76 97 만원/kWh으 로평균가격 84 만원/kWh, PCS 가격은 29 56만원으로평균가격 48 만원/kW을적용하고에너지저장시스템용량에관계없이초기에발생 82

하는기타비용(EMS+ 공사비) 은 10 만원/kWh 으로나타났다. 에너지저 장시스템설치비용은 1kWh 용량의배터리에 1kW PCS 로구성(1 C-rate 25) ) 을가정하여 132 만원/kWh 을적용하여분석한다. < 표 Ⅳ-11> 리튬배터리 ESS 설치비용 구분 단가( 만원) 수량설치비용( 만원) 배터리 76 97/kWh 1kWh 84/kWh. PCS 29 58/kW 1kW 48/kW 기타 에너지저장시스템설치비용 EMS 및설치공사비 ESS( 배터리 1kWh + PCS 1kW) + EMS ESS( 배터리1kWh + PCS 1kW 구성) 10/kWh. 142/kWh 132/kWh 연간운영유지비용 (operation and maintenance cost per year) 은매 년고정, 또는가변적으로발생하는비용으로써연간유지보수비용을 대표적으로들수있다. 연간운영유지비용에는대체비용(replacement cost) 도포함한다. 배터리의수명이다되면효율이떨어지고운영할 수없기때문에교체해야하는데, 이때들어가는교체비용도포함되어 야한다. 에너지저장시스템의연간운영비와관련하여미국의 EPRI는 Electricity Energy Storage Technology Option, 2010 여에너지저장시스템장비및시설구축비용의 0.5% ~ 2.0% 보고서를통하 수준을 제시하고있다. IEA 는연간운영비용에대해 Energy Technology Perspectives 2014 보고서에서설치비용의 3% 를제시하고있다. 본 연구에서는연간운영유지비로총설치비용의 2) 에너지저장시스템편익산정 3% 를적용한다. 25) C-rate(Current Rate) 는안전하게충방전할수있는전류의최대값과정격용량을비교한배터리충방전율임. C-Rate가클수록빠른충방전가능하다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 83

가) 에너지비용편익추정방법 가격이낮은시간대에전력을구매하여전력저장장치에저장후, 가 격이높은시간대에방출함으로써에너지비용의차이에의해편익은 얻을수있다. 에너지저장시스템의에너지효율은전환효율(conversion efficiency) 과저장효율(storage efficiency) 로구성된다. t기의충전된 상태를나타내는저장용량 ( ) 는다음과같이정의된다. : 시간단위 : t 시점방전혹은전력출력량(kWh) : t 시점충전또는전력투입량(kWh) : t 시점저장량(kWh) : : 저장효율 전환효율 t기의충전량은 t-1기의충전량에 t 기의순수충전( 투입) 량을더하고 판매( 출력량) 를빼서구할수있다. 위의식은최대저장용량( ), 최대 방전용량 ( ), 최대충전용량( ) 등설비의최대용량으로부터모든 t 에대하여다음제약조건을따른다. 본연구에서는분석의편의를위하여 t 를하루로가정하고, 하루동 84

안최저가격에구입하여최대가격에방전( 출력) 만으로수익이얼마나 창출되는지를분석한다. 충전( 투입) 량은효율로인하여방전( 출력) 량 과동일할수없으며, 저장량, 충전량과방출량의관계는다음과같다. 저장장치제약하에, 에너지가격이저렴할때구입하여높은가격 에파는수익극대화를위해, 각 t 에따른수익을구하고자한다. t 시 점의편익은최저가격에구입량이비용으로반영되고최고가격에판 매되므로다음과같은식으로나타낼수있다. max min max min max min 여기서, m ax 는최고전기요금( 원/kWh), m in 는최저전기요금 ( 원/kWh) 을나타낸다. 하루동안전력요금의가격차이를이용한차 익거래로발생하는전기저장장치의편익은다음과같다. m ax 여기서, m in : 하루동안방전시간( 출력시간) 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 85

나) 에너지비용편익추정결과 분석의편의를위하여저장시스템의효율을 90% 로가정하고, 현행 전기요금체계에서경부하시간대에충전하여최대부하시간대에방전 할경우를가정하여 1kWh 당사용량요금편익을산정한다. 그리고 이를토대로연간에너지편익을산정한다. 현행전기요금체계는주택용, 일반용, 산업용, 교육용, 농사용, 가로 등용등총 6 가지용도로분류된다. 계약종별로요금수준을달리적용 하고있다. 현행전기요금은가정용과계약전력 3kW 이하의고객등 일부를제외하고계절별시간대별요금체계를운영하고있다. 현행요 금체계에서계절별시간대별구분은 < 표 -12> 와같다. 계절별시간 대별요금은일반용( 갑), 산업용( 갑), 일반용( 을), 산업용( 을), 교육 용( 을) 에대해운영하고있다. 계절에관계없이하루경부하시간대는 10 시간, 중간부하시간대 8 시간, 최대부하시간대 6 시간이다. 구분 여름철, 봄가을철 겨울철 (6 월~8 월), (3 월~5 월, 9 월~10 월) (11 월~2 월) 경부하시간대 23:00 09:00 23:00 09:00 중간부하시간대 최대부하시간대 < 표 Ⅳ-12> 전기요금계절별시간대별구분 09:00 10:00 09:00 10:00 12:00 13:00 12:00 17:00 17:00 23:00 20:00 22:00 10:00 12:00 10:00 12:00 13:00 17:00 17:00 20:00 22:00 23:00 주 ) 1. 공휴일의최대수요전력및사용전력량은경부하시간대에계량하고, 공휴일이아닌토요일최대부하시간대의사용전력량은중간부하시간대에계량. 2. 요금적용전력은중간부하시간대와최대부하시간대의최대수요전력중큰것을대상으로하여제68 조( 요금적용전력의결정) 에따라산정. 3. 공휴일이라함은 관공서의공휴일에관한규정 에정한공휴일을말함. 86

최대부하시간대에 1kWh 출력( 방전) 으로얻을수있는편익분석 결과, 에너지저장시스템을설치활용할경우소규모전력사용고객보 다는대규모전력사용고객이유리한것으로나타났다. 계절별로는 하절기에가장큰편익을창출할수있다. 소규모전력사용고객( 계약 전력계약 300kW 미만) 대상에너지편익의분석결과는 [ 그림 -2] 와 같다. 일반용전력( 갑) 고객은선택요금제에따라여름철 58.1 67.3 원/kWh, 겨울철 34.2 37.9 원/kWh, 봄여름철 4.4 11.7 원/kWh 편익 을창출할수있다. 계약 300kW 미만인산업용전력( 갑) 고객은선택 요금제에따라여름철 52.8 55.5 원/kWh, 겨울철 39.3 40.0 원/kWh, 봄여름철 17.8 19.5 원/kWh 편익을창출할수있다. [ 그림 Ⅳ-2] 일방 산업용 ( 갑): ESS 1kWh 방전에너지편익( 원/kWh) < 일반용전력( 갑) : 계약 300kW 미만 > < 산업용전력( 갑) : 계약 4-300kW 미만 > 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 87

계약전력이 300kW 이상인일반용( 을) 과산업용전력( 을) 고객이 ESS 1kWh 출력( 방전) 으로얻을수있는편익분석결과 [ 그림 -3] 과같다. 일반용( 을) 과산업용전력( 을) 고객은선택요금제에따라여 름철 117.4 128.2 원/kWh, 겨울철 88.1 96.6 원/kWh, 봄여름철 39.7 47.3 원/kWh 편익을창출할수있다. [ 그림 Ⅳ-3] 일방 산업용 ( 을): ESS 1kWh 방전에너지편익( 원/kWh) < 일반용및산업용전력( 을) : 일반요금선택 > < 일반용( 을) 및산업용전력( 을) : 수요관리형선택요금 Ⅱ선택 > 수요관리형선택요금 을선택한고객은선택요금제에따라여름철 58.1 67.3 원/kWh, 겨울철 34.2 37.9 원/kWh, 봄여름철 4.4 11.7원 /kwh 편익을창출할수있다. 일반용( 을) 및산업용( 을) 고압 B, C( 공 88

급전압 154,000V 이상) 고객은희망에따라수요관리형요금를선 택할수있다. 수요관리형요금 의경우겨울철시간대의구분은기 존요금제의시간대와동일하나여름철과봄가을철의시간대는기존 요금제에비해최대부하시간대가 3시간이줄어든 3 시간, 중간부하 시간대가 3시간늘어난 11 시간이적용되고있다. 여름철과봄가을철 의최대부하시간대는 14:00 17:00, 중간부하시간대 09:00 14:00, 17:00 23:00 이다. 경부하와중간부하시간대의요금은기존요금과 동일하나, 다만최대부하시간대의요금이기존요금에비하여높다 일반용과산업용수용가가에너지저장시스템을설치하여얻을수 있는연간최대에너지편익을산정하였다. 이들수용가가에너지저장 시스템을주중( 토요일, 일요일및공휴일제외) 에만경부하시간대에 충전하여최대부하시간대에시간당 1kWh를출력할경우연간에너 지편익을산정한다. 주중하루최대부하시간대인 6시간동안출력할 경우연간총방전시간은 1,488 시간으로산정된다. 현행전기요금은 사용량요금과사용량요금에부가가치세 10%, 전력기반기금 3.7% 를 부과하고있다. 따라서에너지저장시스템활용에너지편익은사용량 요금절감액과사용량요금절감에따른부가가치세및전력기반기금 부담액감소로구성된다. 에너지저장시스템 1kWh 방전으로창출할수있는최대에너지편익 결과를토대로연간에너지편익을산정한다. 연간에너지편익의추정 결과는 < 표 -13> 과같다. 일반용전력( 갑) 고객이에너지저장시스템 을설치하여주중최대부하시간대에연간 선택요금제에따라 1,488시간을출력할경우 46,858 58,769 원의편익을창출할수있다. 산업 용전력( 갑) 고객의경우선택요금제에따라 56,418 59,988원의에너 지편익을창출할수있다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 89

일반용전력 ( 갑) 계약 300kW 미만 산업용전력 ( 갑) : 계약 4-300 kw 미만 < 표 Ⅳ-13> 일반용( 갑) 및산업용( 갑) 고객연간에너지편익산정결과 구분 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 연간에너지편익 ( 원) 적용활용일수사용량절감액부가금시간절감액 1) 합계 봄가을철 103 7,251 여름철 62 25,225 50,812 6,961 57,773 1,488 겨울철 82 18,335 봄가을철 103 7,615 여름철 62 25,448 51,688 7,081 58,769 1,488 겨울철 82 18,625 봄가을철 103 2,719 여름철 62 21,962 41,212 5,646 46,858 1,488 겨울철 82 16,531 봄가을철 103 3,083 여름철 62 22,184 42,088 5,766 47,855 1,488 겨울철 82 16,821 봄가을철 103 10,678 여름철 62 19,874 49,620 6,798 56,418 1,488 겨울철 82 19,068 봄가을철 103 11,014 여름철 62 20,080 50,430 6,909 57,339 1,488 겨울철 82 19,336 봄가을철 103 11,763 여름철 62 20,803 52,016 7,126 59,142 1,488 겨울철 82 19,450 봄가을철 103 12,072 여름철 62 20,992 52,760 7,228 59,988 1,488 겨울철 82 19,696 주: 1) 부가금절감은사용량요금기준부가가치세 10%, 전력기반기금 3.7% 절감 일반용( 을) 및산업용( 을) 연간에너지편익산정결과를정리하면 < 표 -14> 와같다. 일반용전력( 을) 과산업용전력( 을) 고객의경우 에너지저장시스템을설치하여주중최대부하시간대에연간 간을출력할경우선택요금제에따라 1,488시 139,402 142,376원의에너지편 익을창출할수있다. 고압A 선택의요금제를선택한고객이가장 90

적은편익을창출하고, 고압A 선택요금제를선택한고객이가장 높은편익을창출할수있는것으로나타났다. 일반용및산업용 ( 을) 계약 300kW 이상 < 표 Ⅳ-14> 일반용( 을) 및산업용( 을) 연간에너지편익산정결과 구분 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 적용일수 연간에너지편익 ( 원) 사용량절감액 부가금절감액 합계 주: 1) 부가금절감은사용량요금기준부가가치세 10%, 전력기반기금 3.7% 절감 활용시간 봄가을철 103 28,648 여름철 62 48,443 124,312 17,031 141,342 1,488 겨울철 82 47,221 봄가을철 103 29,025 여름철 62 48,674 125,221 17,155 142,376 1,488 겨울철 82 47,522 봄가을철 103 24,514 여름철 62 44,365 111,218 15,237 126,455 1,488 겨울철 82 42,339 봄가을철 103 28,387 여름철 62 47,943 122,605 16,797 139,402 1,488 겨울철 82 46,275 봄가을철 103 28,648 여름철 62 48,103 123,233 16,883 140,116 1,488 겨울철 82 46,483 봄가을철 103 28,826 여름철 62 48,212 123,559 16,928 140,487 1,488 겨울철 82 46,521 봄가을철 103 28,854 여름철 62 48,077 123,584 16,931 140,515 1,488 겨울철 82 46,653 봄가을철 103 29,176 여름철 62 48,275 124,361 17,037 141,398 1,488 겨울철 82 46,909 봄가을철 103 29,252 여름철 62 48,321 124,543 17,062 141,605 1,488 겨울철 82 46,970 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 91

일반용전력( 을) 과산업용전력( 을) 고객중수요관리요금제도를 선택한고객은에너지저장시스템을설치하여주중( 일요일및공휴일, 토요일제외) 최대부하시간대에연간 990 시간을출력할수있다. 이 경우에너지편익을 < 표 -15> 에서보는바와같이선택요금제에따라 연간 139,583 141,327 원의편익을창출할수있다. 이는일반요금 선택한경우의연간에너지편익과비슷한수준이다. 이같은결과는 일반요금제에비하여최대부하요금이높음에도불구하고주중최대 부하시간대가연간 1,488시간에서 990 시간으로줄어들기때문이다. < 표 Ⅳ-15> 수요관리형요금 Ⅱ 선택연간에너지편익산정결과 고압 B 고압 C 구분 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 적용일수 봄가을철 103 33,290 여름철 62 44,043 겨울철 82 46,275 봄가을철 103 32,771 여름철 62 43,726 겨울철 82 46,483 봄가을철 103 32,613 여름철 62 43,630 겨울철 82 46,521 봄가을철 103 33,554 여름철 62 44,092 겨울철 82 46,653 봄가을철 103 32,912 여름철 62 43,699 겨울철 82 46,909 봄가을철 103 32,764 여름철 62 43,609 겨울철 82 46,970 연간에너지편익 ( 원) 사용량절감액 부가금절감액 합계 활용시간 123,608 16,934 140,543 990 122,980 16,848 139,829 990 122,764 16,819 139,583 990 124,298 17,029 141,327 990 123,520 16,922 140,443 990 123,343 16,898 140,240 990 92

라. 에너지저장시스템경제성및민감도분석 1) 경제성분석의전제조건 수용가의에너지저장시스템활용경제성분석을위해사용한기본가정과적용상수를정리하면 < 표 -16> 과같다. 구분 < 표 Ⅳ-16> 경제성분석을위한기본가정및적용상수 가정및적용상수 ESS 특성 설치및유지비용 운전전략 에너지비용편익 ESS 수명 : 12 년(10 15 년) 충방전효율 : 90 % 설비이용률 : 100 % 12년후 ESS 잔존가치 = 0원 ESS 설치비용 : 132 만원/kWh ( 배터리 1kWh + PCS 1kW) 연간유지관리비용 : ESS 초기설치비의 3% 주중( 토요일, 일요일및공휴일제외) 경부하시간대에충전하여최대부하시간대에만활용( 하루 6 시간) 연간출력량( 방전량) : 1kWh 1,488 시간 = 1,488kWh 연간출력량( 방전량) : 1kWh 990 시간 = 990kWh( 수요관리현요금선택고객 ) 연간에너지비용편익 : 사용량요금절감액 + 부가가치세 (10%) 및절약기반기금 (3.7%) 절감액연간에너지비용편익추정결과적용 할인율 5.5 % 에너지저장시스템은시간당 1kWh 출력할수있는배터리와 PCS 설치를가정하고초기설치비용으로 1kWh당 132 만원을적용한다. 그 리고운영유지비는초기설치비용의 정도매년발생하는것으로 가정한다. 에너지저장시스템제품수명은 12년으로가정하고충방전 3% 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 93

효율 90% 를적용하였다. 연간최대이용률이되도록운전전략을수립 하고앞에서산정한각각계산된편익을종합하여에너지저장시스템 활용시연간편익을산정한다. 운전전략은주중( 토요일, 일요일및 공휴일제외) 경부하시간대에충전하여최대부하시간대( 하루 6 시간) 에모두활용하는것으로가정한다. 이경우, 연간출력시간은현행 요금체계에서일반요금을선택한경우 1,488 시간( 주중연간최대부하 시간), 수요관리형요금을선택할경우 990 시간을적용하였다. 에너 지비용편익은앞에서산정한결과를적용하였다. 2) 경제성분석결과 에너지저장시스템의설치에대한경제성분석결과, 현재에너지저장시스템설치비용이상당히높은수준이기때문에순현재가치가음 (-) 으로나타나고있어선택요금에관계없이모두경제성이전혀없는것으로나타났다. 현재의상황에서투자비를에너지저장시스템의수명기간이내에회수하기는불가능하다. < 표 Ⅳ-17> 일반용( 갑) 및산업용( 갑) 계약수용가경제성분석결과 초기설치비 132/kWh 고압A 선택고압A 선택고압B 선택고압B 선택 일반용 ( 갑) 산업용 ( 갑) B/C 0.32 0.33 0.26 0.27 IRR -22.6% -22.1% -30.5% -29.4% NPV( 만원) -112-111 -121-121 BCR 0.31 0.32 0.33 0.33 IRR -23.3% -22.8% -21.9% -21.5% NPV( 만원) -113-112 -110-110 94

일반요금 수요관리요금 < 표 Ⅳ-18> 일반용( 을) 및산업용( 을) 계약수용가경제성분석결과 초기설치비 132/kWh 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 A 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 회수기간( 년) 19.9 19.6 27.3 20.7 20.4 20.2 20.2 19.9 19.9 B/C 0.78 0.79 0.70 0.77 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 IRR -0.9% -0.7% -3.5% -1.2% -1.1% -1.0% -1.0% -0.8% -0.8% NPV( 만원) -35.5-34.6-49.1-37.3-36.6-36.3-36.3-35.5-35.3 회수기간( 년) 20.2 20.5 20.6 19.9 20.3 20.3 B/C 0.78 0.78 0.77 0.78 0.78 0.78 IRR -1.0% -1.1% -1.2% -0.9% -1.0% -1.0% NPV( 만원) -36.3-36.9-37.1-35.5-36.3-36.5 3) 경제성민감도분석결과 에너지저장시스템활용경제성이확보되기위해서는설치비용이줄 어들거나연간에너지비용편익이증가되어야가능하다. 연간에너지 비용편익은 1kWh당에너지비용편익이높아지거나에너지저장시스 템활용이필요한최대부하시간대의증가가필요하다. 1kWh당에너 지비용편익의증가는경부하시간대와최대부하시간대간의요금차 이가확대되거나에너지저장시스템충방전효율이향상되어야가능 하다. 본연구에서는에너지저장시스템설치비용하락과수요관리형선택 요금 의최대부하시간을늘리는에너지저장시스템전용수요관리형 선택요금제의도입을가정하여경제성민감도를분석하였다. 에너지 저장시스템전용선택요금제도는수요관리형선택요금 요금제에서 하절기와봄여름철의최대부하시간을일반요금제도와동일하게 3시 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 95

간에서 6 시간으로늘리고, 대신에중간부하시간대의요금을낮추는 경우를가정한다. 이경우주중( 일용일및공휴일, 토요일제외) 에만 경부하시간대에충전하여최대부하시간대에방전할경우, 연간방전 시간은 990시간에서 1,488 시간으로늘어나게된다. 에너지저장시스템 전용요금제도에서경제성분석결과, 투자비회수기간은 8.1 8.3 년, B/C는 1.25 1.27, IRR은 12.3 12.8% 수준으로경제성이있는것으 로분석되었다. < 표 Ⅳ-19> ESS 전용수요관리형선택요금의경제성분석결과 초기설치비 132/kWh 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 B 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 고압 C 선택 회수기간( 년) 8.2 8.2 8.3 8.1 8.2 8.2 B/C 1.27 1.26 1.25 1.27 1.26 1.26 IRR 12.6% 12.4% 12.3% 12.8% 12.5% 12.4% NPV( 만원) 43.7 42.2 41.7 44.7 42.9 42.4 또한현행일반용( 을) 과산업용( 을) 요금체계에서에너지저장시스템 설치비용이하락할경우경제성민감도를분석하였다. 일반용( 을) 과 산업용( 을) 고객을대상으로일반요금과수요관리형선택요금을선 택으로구분하고, 계약종별연간에너지비용편익의평균을적용하였 다. 일반요금선택의경우평균연간에너지편익은 122,419 원( 연간 1,488 시간방전), 수요관리형선택요금은 123,419 원(990 시간방전) 을적용하였다. 전기요금별로에너지저장시스템의설치비용의하락에 따른경제성변화에대한분석결과는 < 표 -20> 과같다. 경제성민감도분석결과, 일반용( 을) 과산업용( 을) 수용가는현행요 금체계에서에너지저장시스템의설치비용이 IkWh당 100만원수준으 96

로하락할경우경제성이있는것으로나타났다. 설치비용이 IkWh당 50만원수준으로하락할경우 B/C는 2.04 2.04 수준, 투자비회수기 간은 4.2 4.3 년, 내부수익률은 33.0 33.4% 수준으로나타났다. 한 편, 에너지저장시스템전용선택요금제도를도입할경우경제성은설 치비용이하락할수록경제성이확대된다. B/C는설치비용이 140만원 에서 1.20, 130만원에서 1.28, 100만원에서 1.57 로분석되었다. < 표 Ⅳ-20> ESS 설치비용의하락에따른경제성변화분석결과 일반요금 수요관리 E S S 요금 ESS 설치비 ( 만원/kWh) 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 회수기간( 년) 24.3 19.9 16.5 13.8 11.6 9.7 8.1 6.7 5.4 4.3 B/C 0.73 0.78 0.85 0.93 1.02 1.13 1.27 1.46 1.70 2.04 IRR -2.6% -0.8% 1.2% 3.4% 6.0% 9.1% 12.8% 17.5% 23.8% 33.0% NPV( 만원) -47.3-34.9-22.5-10.0 2.4 13.9 27.2 39.7 52.1 64.5 회수기간( 년) 23.8 19.6 16.3 13.7 11.5 9.6 8.0 6.6 5.3 4.2 B/C 0.73 0.79 0.86 0.93 1.03 1.14 1.28 1.47 1.71 2.05 IRR -2.5% -0.7% 1.4% 3.6% 6.2% 9.3% 13.1% 17.8% 24.1% 33.4% NPV( 만원) -46.4-34.0-21.5-9.1 3.3 15.7 28.1 40.6 53.0 65.5 회수기간( 년) 8.9 8.0 7.3 6.5 5.8 5.1 4.4 3.8 3.2 2.6 B/C 1.20 1.28 1.36 1.46 1.57 1.70 1.85 2.03 2.25 2.52 IRR 10.9% 12.9% 15.3% 18.1% 21.5% 25.7% 31.2% 38.7% 49.9% 68.8% NPV( 만원) 34.9 44.9 54.9 64.9 74.9 84.9 94.9 104.9 114.9 124.9 주: ESS 전용요금제도는수요관리형선택요금의봄, 여름및가을철최대부하시간대를하루 3시간에서 6시간으로늘리는것을가정 손익분기에너지저장시스템가격( 수명 12 년가정) 은현요금체계에 서 100 만원/kWh 수준이다. [ 그림 -4], [ 그림 -5], [ 그림 -6] 은전 기요금별에너지저장시스템의설치비용의하락에따른투자비회수기 간의변화를보여준다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 97

[ 그림 Ⅳ-4] ESS 설치비용과투자회수기간( 일반요금) [ 그림 Ⅳ-5] ESS 설치비용과투자회수기간( 수요관리요금 Ⅱ) [ 그림 Ⅳ-6] ESS 설치비용과투자회수기간( 전용요금제도입) 98

3. 에너지저장시스템시장조성정책제언 에너지저장시스템은전기시스템에서중요한역할을할수있는잠 재력을가지고있다. 전력망이노후화되고출력변동성이높은신재생 전원의비중이높아질수록공급신뢰성을유지하기위한새로운인프 라에대한투자가요구된다. 또한전력수요증가에맞추어발전설비의 건설도주민의수용성등의문제로어려워지고있어수요관리의중요 성도높아지고있다. 이에대한대안으로에너지저장시스템이크게주 목을받고있다. 에너지저장시스템은에너지관리, 백업전원, 부하관리(load leveling), 주파수조정, 전압관리및계통안정화등다양한용도로활용될수있 다. 에너지저장시스템활용은크게공급자원과수요자원으로구분된 다. 공급자원으로활용가능한가장적합한분야는주파수조정용과출 력변동성이높은신재생전원과연계등이다. 공급자원으로활용은발 전보조시스템으로전력공급의안정성과발전시설의효율적활용에 높이는데역할은한다. 또한에너지저장시스템은건물및산업체에 설치되어전력요금이높은피크시간대의수요감축을위한수요자원 으로활용될수있다. 수용가의수요자원으로설치된에너지시스템은 피크수요절감뿐만아니라전력품질관리및비상용전원등다용도 로활용될수있다. 에너지저장시스템이상당한시장잠재력을가지고있으나풀어야 할과제가있다. 에너지저장시스템이극복해야할과제로 가격경 쟁력확보, 기술신뢰성및안정성확보, 소비자의수용성을들 수있다. 이중최우선풀어야할과제는가격경쟁력과기술신뢰도의 확보이다. 아직많은저장기술들이개발단계에있고리튬배터리, 나 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 99

트륨황배터리, 플라이휠, 압축공기에너지저장 (CAES) 등일부기술이 실증보급단계에있다. 국내에서상용화되어보급이가능한저장시스 템은리튬배터리를이용한에너지저장시스템이다. 다만가격경쟁력과 기술신뢰도를확보하지않았다는점은반드시풀어야할과제이다. 국내에서에너지저장시스템의미래는이같은문제를어떻게해결 하느냐에달려있다. 에너지저장시스템이유사한서비스를제공하는 다른기술및자원과충분히경쟁( 보조금지원이없이) 할수있는수 준으로비용이떨어져가격경쟁력을갖추어야한다. 이와함께에너 지저장시스템의효과뿐만아니라기술신뢰성과안정성이입증되어 전력산업계로부터공급자원으로, 수용가로부터수요자원으로그가 치를인정받아야한다. 국내시장은아직초기단계로기술신뢰성과경 제성확보를위한전략적노력이요구된다. 경쟁우위에있는 ICT 기 술과배터리기술을기반으로에너지저장시스템시장창출에보다적 극적이고선제적으로대응해나간다면, 국제에너지저장시스템시장 에서경쟁우위를차지할수있을것으로기대된다. 가. 경제성확보직접적지원방안 에너지저장시스템의초기설치비용을낮추기위해서는선도적시장 조성이필요하다. 에너지저장시스템이빠르게시장보급이되면그만 큼양산체제로의전환되어가격도빠르게하락하게된다. 에너지저장 시스템가격하락의발목을잡는것중에하나는아직은에너지저장 시스템에대한수요가적어산업계가대규모양산설비에과감한투자 를진행하지못하는것도한몫을하고있다. 정부가시장에개입하여 정책적으로시장을형성하여관련산업의성장을견인하는역할수행 100

이어느때보다요구된다. 에너지저장시스템의시장조성을위해서는우선적으로초기투자비 의부담을완화해야한다. 아직까지에너지저장시스템을구성하는배 터리의가격이상당히높아에너지저장시스템이경제성을갖기가어 려운것이현실이다. 경제성분석결과, 일반용및산업용수용가가에 너지저장시스템을설치이후 12년이내투자비를회수하려면에너지 저장시스템의초기투자비용이현재 132 만원/kWh 수준에서 100만원 /kwh 이하로하락해야가능하다. 정부는에너지저장시스템의설치에 대해금융지원과세제혜택과함께공공기관을대상으로도입설치를 권고하고있다. 그러나에너지저장시스템의경제성분석에서확인한 바와같이높은초기투자비로인하여수용가가설치운영할경우현 행전기요금체계에서는경제성이전혀없다. 우선적으로에너지저장 시스템의초기투자비의부담을완화를위해서는설치보조금지원이 필요하다. 아직에너지저장시스템의설치에는초기투자비용이많이 필요하므로시장조성을위해서는투자비용에대한직접적지원방식인 정부의보조금지원이필수적이다. 또한초기설치투자비용에대해정부의보조금이지원과함께에 너지저장시스템을리스(Lease) 하는방식또는제3자가투자하여설 치운영하는방식으로초기투자비에대한부담을완화하는방안도 추진될필요가있다. 리스또는제3자가투자하여설치운영하는방 식으로사업모델이만들어지면수용가의초기투자비에대한부담이 크게완화될것으로예상된다. 특히, 중소규모수용가의초기투자비 에대한부담이크게완화되어보급확대에도도움이될것으로기대 된다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 101

둘째로현재와같이경제성이없는상황에서는고객이에너지저장 시스템의운영을통해전기요금절감효과를확실히볼수있는전용 요금제의도입이필요하다. 에너지저장시스템의운영순편익은충전 에소요되는전력구입비 ( 충전시간대전력요금) 와방출에따른피크절 감으로창출되는전력비용절감에의해결정된다. 시간대별요금격차 가클수록에너지저장시스템의운영효과를기대할수있다. 이러한 전용요금제도의설계는기존고객과형평성을유지하면서사회적편 익이함께고려되어모두가이익이극대화되는방향으로이루어져야 한다. 에너지저장시스템의운영에따른연간에너지비용순편익은충방 전시간대의요금폭이커져 1kWh당에너지비용편익이높아지거나 최대부하시간대가확대되어연간에너지저장시스템의운영시간이늘 어야가능하다. 경제성분석결과, 선택형수요관리형요금 제도에서 하절기와봄여름철의최대부하시간을일반요금제도와동일하게 3시 간에서 6 시간으로늘리고, 대신에중간부하시간대의요금을낮추는 경우경제성이있는것으로나타났다. 따라서수요관리형요금제도를 바탕으로경부하시간대와최대부하시간대간의요금폭을확대하거 나최대부하시간대를늘리는대신에중간부하시간대의요금을낮추 는방식으로요금제도를설계할수있다. 에너지저장시스템전용요금설계에서중요한고려사항은수용가가 일반요금을선택한경우에비하여전용요금제도를선택하고에너지 저장시스템을설치운영하는것이비용측면에서유리해야한다는점 이다. 그래야만일반용및산업용수용가가경제적동기로에너지저장 시스템을자발적으로설치하여운영하게된다. 에너지저장시스템이 102

시장에서빠르게보급되기위해서는최소한설치투자비를 5년이내 에회수될수있도록하는것이바람직하다. 에너지저장시스템보급 확대로전력피크수요가크게줄면 SMP가격하락으로한전의전력 구입가격도그만큼줄어들고피크수요에따른송배전망의설비투자 수요도줄어들게된다. 나. 기술신뢰성확보방안 최근저장기술이빠르게진화하고있으나, 대부분저장기술이개발 중이거나보급초기단계에있어위험과불확실성이크고, 아직은더 많은학습효과를필요로하고있다. 시장초기단계에있는기술신뢰 성이입증되지못하면보급도느려지고양산체제로의전환도더디어 가격하락도그만큼더디게된다. 첫째로에너지저장시스템의기술신 뢰성확보를위해정부-산업체가긴밀한협력시스템을구축하여공동 의기술개발노력을해야한다. 기술개발은기술의신뢰성확보뿐만 아니라가격경쟁력확보에도필수적인요인이다. 선진국을중심으로 다양한저장기술에대한개발이활발하게추진되고있어, 향후저장기 술간의경쟁도심화될것으로예상된다. 비용경쟁을가진에너지저 장기술의개발을위해서는다음사항에중점을둘필요가있다. 저장기술의성능( 저장효율, 저장밀도및수명등) 향상기술개발에너지저장시스템에서원가비중이높은핵심구성요소의소재개발시스템엔지니어링기술개발지원과함께제조능력제고새로운에너지저장원천기술의개발확대노력 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 103

특히중대형리튬이차전지에너지저장시스템수요확대를위해선 배터리제조단가를낮추는문제가무엇보다중요하다. 국내에너지저 장시스템경우설치비용에서리튬배터리가 69%, PCS가 21%, 설치 공사비가 10% 정도를차지하고있다. 설치비용의하락을위해서는원 가비중이높은리튬이차전지의가격하락이가장중요하다. 리튬배 터리가격은 $1000 수준에서 2013 년에는 $500 $600 수준으로지난 5년간 40 50% 정도하락하였다. 향후에도지속적으로하락할것으 로예상되고있다. Navigant Research는 2013년리튬배터리가격이 kwh 당 $500 수준에서 2015 년에는 $300, 2020 년에는 $180로하락할 것으로전망한다. McKinsey & Co는 kwh 당 $600 수준에서 2020년 에는 $200, 2025 년에는 $160 수준으로떨어질것으로예상한다. 따라 서국내중대형리튬이차전지기업들은시장에서경쟁력을확보하기 위해선향후 5년이내에중대형전지가격을 50% 이상낮춰야할것 으로예상된다. 이를위해서는규모의경제확보와함께보다저렴한신소재개발 이필요하다. 리튬이차전지산업의경쟁력확보를위해서는정부와의 긴밀한협력시스템을통해대기업과중소기업간새로운협력모델 구축이필요하다. 전지소재개발에는많은비용과시간이투입되며, 자금력이약한중소기업이기술개발부터양산까지비용을감당하기 에는어려움이있다. 중소기업이기술개발후완제품을생산하여대기 업에납품하는현재구조는중소기업이감당하기에는많은위험요인 이있어우수한제품개발가능성이낮다. 소재분야의경우기술력을 확보한중소기업이특화할수있는분야이다. 대기업이중소기업의제 품개발단계에서부터협력을통해제품개발에필요한인력및비용 104

지원을통한동반성장모델구축이필요하다. 한편, 정부는응용분야 별기술개발전략과부품소재분야전문기업육성을위한지원을확대 해야한다. 에너지저장시스템산업은부품소재등후방산업에기회가 큰산업으로강소중소기업육성을통해양질의일자리창출및원천 기술확보문제를해결해야한다. 그리고저장기술을활용하여부가가 치를높일수있는산업군에대한차별화된기술개발및산업지원전 략이필요하다. 둘째로에너지저장시스템의기술신뢰성의확보하기위한검증확 인및정보공유가필요가있다. 현재대규모저장용량에너지저장시 스템에대한충분한기간의실증경험이부족하여기술적신뢰성에대 한시장의우려가있다. 물론이문제는실증이확대되고에너지저장 시스템의운영기간이길어지면해결되는문제이다. 에너지저장시스템 산업은 Track Record가중요한산업으로초기단계에서신뢰성을검 증하고확인하는것은중요하다. 실증사업의사업기간에서수행되는 단기운영을통한기술신뢰성검증과충분한운영상의문제점을파악 하고운영경험을축적하기에는매우어렵다. 따라서충분한기간동 안의실증운영을통하여발생가능한다양한문제를확인하고적절한 대책을마련해야한다. 실증사업과시범보급사업은사업기간이후운 영주체가적절한기술검증운영비를마련하지못하면추가적인실증 연구가계속되기어렵다. 따라서에너지저장시스템설치사업자와운 영주체간의협력을통해사업기간이후에도충분한시간동안기술 신뢰성을검증할수있도록기술신뢰성실증연구를위한운영비용지 원과후속연구의기획지원방안마련도필요하다. 또한정부지원을 통해설치되는에너지저장시스템의운영에대해일정기간동안모니 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 105

터링하여문제점과효과를검증하고다양한채널을통해경험을공유 할수있도록해야한다. 다. 수용성확보방안 에너지저장시스템의보급확산을통해전력피크수요절감효과( 수 요관리효과) 를거두기위해서는전력수용가( 전력소비자) 의수용성 이중요하다. 보급확산사업이본격시작되기전인현시점에서수용 성확보가차후과제로인식될수있지만, 본격적으로보급확산사업 이추진하기되기에앞서지금부터단계적으로추진되어야한다. 경제 성이확보되어새로운비즈니스모델로확립되면수용가의수용성확 보의실질적주체는사업자가되겠지만, 초기단계인현시점에서정부 차원의수용가수용성확보방안및지원책이수립되어추진될필요가 있다. 수용성확보방안으로단지홍보뿐만아니라다음사항들이추진 될필요가있다. 수용가대상으로시범보급사업확대를통한설치운영경험축 적, 성과확인및정보공유 에너지저장시스템의설치및운영계획수립가이드라인개발보급 다양한용도의에너지저장시스템의설계툴(tools) 개발보급( 적 정용량산정포함 ) 국내시장은아직초기단계로경쟁우위에있는 ICT 기술과리튬이온전지기술을기반으로에너지저장시스템시장창출에보다적극적이고선제적으로대응해나간다면, 국제에너지저장시스템시장에서 106

경쟁우위를차지할수있을것으로기대된다. 에너지저장시스템의보 급을위해소비자들이적극적으로참여하는분위기조성과초기단계 에서정부의과감한기술적, 재정적지원이요구된다. 앞으로수용가 측면에서에너지저장시스템의경제성이확보되면일정규모이상대규 모전력사용신축건물에대해설치의무화를검토할필요가있다. 제4장에너지저장시스템경제성분석및시장조성방안 107

제5장요약및결론 국내외에서전력피크수요가전력소비증가에비하여빠르게증가 되고계절별, 시간대별수요폭도확대된가운데출력변동성이높은 신재생에너지발전원이증가되고있어전기저장에대한필요성이증 가되어왔다. 전기저장기술은기존의양수발전에서다양한전기저장 기술이개발되고있고또한일부기술은실증단계를거쳐초기보급 되고있다. 최근국제에너지저장시스템시장에서는다양한저장기술 의에너지저장시스템실증사업이추진되어가시적인성과들이나타나 고있다. 전지기술의발달로일정수준이상의대응이가능해졌기때 문에더욱주목을받고있는분야이다. 특히, 최근가격이크게하락 하고있는리튬배터리를이용한에너지저장시스템의활용이확대되고 있으며, 국내외에서신재생에너지시장이다시살아나고있고새로운 비즈니스모델도등장하면서에너지저장시스템시장개화가빨라질 가능성이커지고있다. 현재에너지저장시스템은태동기의시장으로전망기관에따라상 이하나성장전망이밝은상황이다. 전망기관들의시장전망도점차적 으로낙관적으로바뀌고있다. 최근세계각국들에서에너지저장시스 템실증프로젝트들이활발하게진행되고있어 2015년을전후하여서 는상업적성장의초기단계를맞이할것으로예상되고있다. 국가별 로전력요금체계등시장여건과전력산업여건에따라에너지저장시 스템시장형성및발전방향도상이한형태를보이고있다. 미국은전 력노후화로전력계통용, 일본은비상전원확보를위해가정용, 독일 제5장요약및결론 109

은출력변동성이높은신재생에너지발전용, 한국은전력피크수요 감축을위해건물및공장용에너지저장시스템시장에정책의우선순 위를두고있다. 한국은현재시장형성전의실증단계이나에너지저장 시스템의초기시장조성을위해금융지원, 세제혜택, 고효율에너지기 자재인증품목추가와함께공공기관을대상으로시범보급사업을진 행하고있다. 또한한국전력공사는 6,250억원을투입해 2017년까지 총 20개변전소에총 500 의에너지저장시스템을설치해전력계통의 주파수조정용으로사용할예정이다. 에너지저장시스템사업은아직초기단계로실제기업의수익으로까 지는연결되지못하고있다. 아직기업의수익성으로연결되고있는 단계는아니지만, 에너지저장시스템시장의수요, 공급, 정책적뒷받 침으로미루어볼때에너지저장시스템시장의개화가빨라질것으로 예상된다. 국내외에서시행되는실증과정을통해에너지저장시스템 의효과가차츰입증되고있고실증사업이거듭되어기술신뢰성이 확인될경우시장이형성되어빠르게전개될것으로보인다. 빠른시장개화가예상되는국제에너지저장시스템시장과달리, 국 내에너지저장시스템시장은아직정부주도의초기시장단계로 ICT 기술과리튬이온전지기술을기반으로에너지저장시스템시장창출에 보다적극적이고선제적으로대응한다면, 단기적으로는전력수급안 정화에기여하고, 중장기적으로는국제에너지저장시스템시장확보 경쟁에서우위를차지할수있을것으로기대된다. 또한에너지저장시 스템확대에따른신규발전소, 송전망등건설비용의회피도가능하다. 현재민간주도의에너지저장시스템프로젝트는거의전무한상황 으로정부에서는에너지다소비민간기업들에게에너지저장시스템설 110

치를독려하고있지만권고에불과하다. 국내기업들도에너지저장시 스템시장에관심은있지만, 구체적인사업화수준으로연결시키지못 하고있는실정이다. 현재에너지저장시스템보급에있어가장큰장 애요인은에너지저장시스템의기술적신뢰성과경제성확보이다. 현 재대규모용량에대한충분한기간의실증경험이부족하여기술적 신뢰성에대한시장의우려가존재한다. 또한초기투자비용이높아 현행전기요금체계에서는경제성이없다. 일반용및산업용수용가에 너지저장시스템의설치에대한경제성분석결과, 선택요금에관계없 이모두경제성이전혀없는것으로나타났다. 즉, 현재의상황에서 투자비를수명기간이내에회수하기는불가능하다. 에너지저장시스템의초기시장조성과보급이확대되기위해서는 경제성의확보가무엇보다우선적으로요구된다. 현행전기요금체계 에서는경제성이전혀없으므로에너지저장시스템설치에대한보조 금지원과전용요금제도의도입이필요하다. 전용요금설계에서중요 한고려사항은수용가가일반요금을선택한경우에비하여에너지저 장시스템전용요금제도를선택하고에너지저장시스템을설치운영하 는것이비용측면에서유리해야한다는점이다. 이러한요금제도의 설계는수용가의편익과함께전력회사와사회적편익이함께고려되 어국가적으로이익이극대화되는방향으로이루어져야한다. 둘째로에너지저장시스템의기술신뢰성확보를위해정부-산업체가 긴밀한협력시스템을구축하여공동의기술개발노력을해야한다. 기 술개발은기술의신뢰성확보뿐만아니라가격경쟁력확보에도필수 적인요인이다. 선진국을중심으로다양한저장기술에대한개발이활 발하게추진되고있어, 향후저장기술간의경쟁도심화될것으로예상 제5장요약및결론 111

된다. 비용경쟁력있는에너지저장기술의개발을위해서는저장기술 의성능( 저장효율, 저장밀도및수명등) 향상기술개발, 에너지저장시 스템에서원가비중이높은핵심구성요소의소재개발, 시스템엔지니 어링기술개발지원과함께제조능력제고, 새로운에너지저장원천기 술의개발확대노력이요구된다. 셋째로정부는응용분야별기술개발전략과부품소재분야전문기 업육성을위한지원을확대해야한다. 에너지저장시스템산업은부 품소재등후방산업에기회가큰산업으로강소중소기업육성을통 해양질의일자리창출및원천기술확보문제를해결해야한다. 그리 고저장기술을활용하여부가가치를높일수있는산업군에대한차 별화된기술개발및산업지원전략이필요하다. 넷째로에너지저장시스템의기술신뢰성의확보하기위한검증확 인및정보공유가필요가있다. 현재대규모저장용량에너지저장시 스템에대한충분한기간의실증경험부족하여기술적신뢰성에대한 시장의우려가존재하고있다. 이문제는실증이확대되고에너지저장 시스템의운영기간이길어지면해결되는문제다. 산업은 에너지저장시스템 Track Record가중요한산업으로초기단계에서신뢰성을검 증하고확인하는것은중요하다. 따라서충분한기간동안의실증운영 을통하여발생가능한다양한문제를확인하고적절한대책을마련 할필요가있다. 다섯째로에너지저장시스템의보급확산을통해전력피크수요절 감효과( 수요관리효과) 를거두기위해서는전력수용가( 전력소비자) 의수용성이중요하다. 보급확산사업이본격시작되기전인현시점 에서수용성확보가차후과제로인식될수있지만, 본격적으로보급 112

확산사업이추진하기되기에앞서지금부터단계적으로추진되어야 한다. 경제성이확보되어새로운비즈니스모델로확립되면수용가의 수용성확보의실질적주체는사업자가되겠지만, 초기단계인현시점 에서정부차원의수용가수용성확보방안및지원책이수립되어추 진될필요가있다. 에너지저장시스템이상당한시장잠재력을가지고있으나최우선 풀어야할과제는가격경쟁력과기술신뢰도및안정성의확보이다. 에너지저장시스템의미래는이같은문제를어떻게해결하느냐에달 려있다. 이문제가해결되면전력산업계로부터공급자원으로, 수용가 로부터수요자원으로그가치를인정받아보급이확대되고나아가서 국제에너지저장시스템시장에서경쟁우위를차지할수있을것으로 기대된다. 제5장요약및결론 113

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이성인 에너지경제연구원연구위원 < 주요저서및논문> 에너지관리시스템 (EMS) 산업육성방안연구, 에너지경제연구원, 2013 저소비고효율경제사회구축을위한국가에너지효율화추진전략연구, 에너지경제연구원, 2012 에너지절약성과평가시스템구축기획연구, 에너지관리공단, 2011 제5 차에너지이용합리화기본계획수립연구, 지식경제부, 2010 저소비고효율경제사회구축을위한국가에너지효율화추진전략연구, 에너지경제연구원, 2010 기본연구보고서 에너저장시스템 수요관리효과및시장조성방안연구 2014년 11월 26일인쇄 2014년 11월 28일발행 저자이성인 발행인손양훈 발행처에너지경제연구원 - 경기도의왕시내손순환로 132 전화: (031)420-2114( ) 팩시밀리: (031)422-4958 등록 1992년 12월 7일제7호 인쇄 ( 사) 한국척수장애인협회인쇄사업소 (031)424-9347 에너지경제연구원 2014 ISBN 978-89-5504-512-3 93320 * 파본은교환해드립니다. 값원

ISBN 978-89-5504-512-3