김응상한국전기연구원팀장 (eskim@keri.re.kr) 세계전력시장의무게중심은기존공급위주에서효율위주로이동중이고최근세계적으로불어닥친스마트그리드열풍과신재생에너지사업활성화등으로인해 ESS (Energy Storage System, 에너지저장시스템 ) 에대한관심도급부상하고있다. ESS는발전설비에서생산된전력을저장한뒤, 필요할때전력을공급하는에너지효율시스템으로부하를평준화시켜기존의전력설비를효율적으로활용하는동시에추가전력설비확충을위한투자비용을절감또는지연시킬수있는전력계통운용에서대단히중요한기술이다. 특히냉 난방기기사용이집중되는여름 겨울철예비력을높여주고갑작스런정전사고에도즉각대응할수있다. 본원고에서는이러한 ESS에대한개요, 국내외정책, 적용비즈니스모델및구축사례등을요약정리하고자한다. 1. ESS 개요에너지산업은기존화력, 원자력발전에서태양광과풍 력등친환경에너지로천천히중요도를변화시키고있다. 또, 에너지가생산되는발전단계부터전력소비단계까지에너지의효율적생산과소비를위한연구가심도있게진행되고있다. 그리고이러한에너지트렌드변화의중심에환경친화적인에너지저장장치가있다. ESS는전력수요가적을때나요금이저렴할때전력을저장해두었다가, 전력수요가많거나전기요금이비싼시간대에전력을공급함으로써전력활용효율을높이기위한일종의전력저장장치이다. 이는부하를평준화시켜기존의전력설비를효율적으로활용하는동시에추가전력설비확충을위한투자비용절감혹은투자기시를지연시킬수있는기술이다. 특히냉 난방기기사용이집중되는여름 겨울철예비력을높여주고갑작스런정전사고에도즉각대응할수있다. 이러한 ESS의주요구성및요소기술로는계통으로부터받은전기에너지를직류 (DC) 형태로저장 ( 충전 ) 하거나저장되어있는전기에너지를계통에출력 ( 방전 ) 하는배터리, 생산된전력이배터리에서충전 / 방전하기위해전기의특성 (AC DC 1), 전압, 주파수 ) 등을변환하는 1) AC 는시간에따라그크기와극성 ( 방향 ) 이주기적으로변하는전류이며 DC 는시간에따라흐르는극성 ( 방향 ) 이변하지않는전류이다, 둘은일반적으론호환되지않으며흔히쓰는 220V 은 AC, ESS 에서사용하는전류는 DC 이다. 27
역할을수행하는 PCS(Power Conditioning System) 가있다. PCS/ 배터리상태를모니터링하여 EMS(Energy Management System) 에전달하고, EMS 지령에따라 PCS/ 배터리를제어하는 PMS (Power Management System), 배터리셀 (Cell) 및시스템의안정적인운영을위해서셀의전압, 전류, 온도등을측정하고셀밸런싱및보호기능을수행한다. 또한, ICT 기술기반에너지사용량과생산량을모니터링하고, 에너지의합리적사용을위해구성요소를제어하는것으로구성되어있다. 이요소중하나라도문제가생기면효율적인에너지관리에차질이생기므로특히 EMS를통한실시간계통관리가매우중요하다. ESS의활용분야로는그리드안정화 / 대용량에너지저장용, 신재생에너지저장, 송배전, 전기자동차충전인프라등이있으며이활용분야는추후언급될비즈니스모델과밀접한연관이있어비즈니스모델에서더자세히 기술하겠다. 국내에서진행되고있는 ESS의국내에서진행되고있는표준및기술기준은현재한국스마트그리드협회에주관하는스마트그리드표준화포럼 (SGSF, Smart Grid Standard Forum) 에서작업을진행하고있다. 한국스마트그리드협회의스마트그리드표준화포럼을중심으로국내표준을만들어표준협회에인준을거친뒤국내표준을만든다. 스마트그리드표준화포럼조직도는 [ 그림 1] 과같다. 그중분산자원 (DER, Distributed Energy Resource) 도메인위원회에서는신재생발전원을포함하는분산자원에대한기존전력망과의안정적인연계및운용과관련된기술분야의표준화를진행한다. 스마트그리드표준화포럼의표준문서제 개정절차는 [ 그림 2] 와같다. 새로운표준문서및기술보고서제정을위해서는 NP(New Work Item Proposal) 를제안하여야한다. 이는 PT(Project Team) 를통하여표준문서및 [ 그림 1] 스마트그리드표준화포럼조직도 자료 : 스마트그리드협회 28
[ 그림 2] 스마트그리드표준화포럼표준문서제 개정절차 자료 : 스마트그리드협회 기술보고서 (WD, Working Draft) 로작성되고도메인위원회에서투표를거쳐 CD(Committee Draft) 라는표준문서및기술보고서가제정된다. 최종적으로운영위원회를대상으로투표를거쳐 FDFS(Final Draft Forum Standard) 의최종표준문서및기술보고서가작성되며이를포럼표준 (SGSF) 로제정하게된다. SGSF 표준을작성한후표준협회에단체표준의절차를거쳐야한다. 또한기술기준은산업통상자원부국가기술표준원의표준담당에서주관하여안전기준, 성능기준등을제 개정하고있다. 2. ESS 관련국내외정책현황 2015년부터산업통상자원부 ( 이하산자부 ) 에선 ESS 시장확산을위한법적근거마련등규정을정비하고있다. 예를들면 ESS에서충전된전력을한국전력공사에판매하는전력시장거래를허용한다던지한시적으로 ESS 충전전력할인특례를준다던가하는식이다. 융자및세제항목에서는 14년에고효율기자재인증을받은 ESS에한해서융자및세제를지원해주는정책을추진하고있다. 이외에이미완료된보급사업및 R&D 지원으로는 15년까지정부지원사업을통해 55.4MWh의 ESS 구축을지원하였으며금전적으로는 1,860억을지원, 기술적으로는 ESS용 LiB(Lithium-Ion Battery) 상용화기술확보, 장주기 ESS인 RFB(Redox Flow Batterie), NaS( 나트륨황전지 ) 등의개발로다변화추세를꾀하고있다. 장주기와단주기 ESS의구분은 2시간을기준으로에너지를정격출력으로공급할수있는지에따라구분된다. 즉, 정격출력으로 2시간이상에너지를공급할수있는 ESS를장주기 ESS라고부르는것이다. 산자부는이와같은정책의연 29
장선으로계시별요금제대상수용가에서 ESS를활용하여경부하시간대에전기를저장하고, 피크시간대에전기를사용하면요금혜택을주는 ESS 활용촉진전기요금제를 2026년까지연장하고, ESS에충 방전된전력을전력거래소에판매를허용하고, 디젤비상발전기를 ESS로교체하는정책등을지속적으로추진하고있다. 정부에서 ESS관련사업을적극적으로지원하기위해 16~ 20년에는태양광연계 ESS에공급인증서 (REC) 부여, 20년까지계약전력 1,000kW 이상기관의계약전력 5% 이상을 ESS로설치해야하는공공기관설치의무화를추진하였다. 이는전국적으로건물약 1,100개, 194MWh 규모의정책으로 ESS의활성화에아주큰불을지폈다. 그외에도피크저감용 / 비상전원용 ESS 80MWh, 주파수조정용 30MWh 설치등앞으로도정부는 ESS 관련사업을적극추진하고있다. 해외주요국의정책을보면이와크게다르지않은것을확인할수있다. 먼저미국의경우, 캘리포니아주는 24년까지 1.3GWh 설치를목표로전력사업자별 ESS설치를의무화하였으며, 중대형 ESS설치시 2~30% 의투자세액감면을실시하였다. 일본은 ESS설치보조금지원중심의정책을시행중이며일본자체의전기세가비싼편 ( 한국대비전력량요금 3배, 피크요금 5배 ) 이라자연적으로피크저감용 ESS를많이찾는추세를보인다. EU 의경우각국정부의주도아래실증및보급확대대형프로젝트를추진하고있으며, 독일과프랑스는태양광주택리튬이온전지실증프로젝트를병행하고있다. 영국은 1,700만파운드를들여에너지저장기술보급프로그램을운영중이다. 시장규모의차이도있겠지만아직국내의정책적인부분이외국의그것보다는조금더발전되어야한다. 정책뿐만아니라기업들의입장에서도 ESS가과연사업적으로매력적인상품일까? 기업을나열하면서 ESS 판 매량을보는것보다 ESS 관련한비즈니스모델을분석하여조금더근본적인시장을개척하는것이바람직할것으로기대된다. 3. ESS 활용분야가. 전기차용전기차용 ESS는고전압배터리에서전기에너지를전기모터로공급하여구동력을발생시켜, 화석연료를전혀사용하지않는무공해차량엔진으로사용가능하다. 내연기관차와달리엔진이없으므로대기오염물질과온실가스를배출하지않는다. 전기차의특징및장점으로는주행시화석연료를사용하지않아 CO2나 NOx를배출하지않아친환경적이다. 또한엔진소음이적고, 진동이적다. 내연기관차에비하여운행비용이저렴하고, 차량수명이길어경제적이며, 사고시폭발의위험성이적어안전하다. 전기차용으로써의 ESS는한발앞선배터리기술이전기차산업의주도권을쥘수있는열쇠라는판단에서혁신이일어나고있는데기본적으로급속, 저속충전을통해자동차에너지공급에이용된다. 전력망에서충전스테이션을통해자동차로전력을충전하며, 자동차에탑재되는 ESS의용량에따라자동차의운행가능거리가결정되기때문에중요시되는요소이다. 그리고크기뿐만아니라충전속도도전기차에선아주중요하게생각되는요소로써도시바는 6분만에완전충전이가능한 ESS를개발했다고 2017년발표했다. 한번충전에테슬라모델3과비슷하게 320km까지주행할수있었다. 고속충전을해도한시간이상걸리는현재출시된전기차배터리와비교하면획기적인속도다. 현재개발중인 20~30분이걸리는초 30
[ 그림 3] 전기자동차용 ESS 와전력계통의관계 고속충전기술보다 60% 이상충전시간을줄였다. 전기에대한저항이거의없는니오븀소재를음극재료에섞어충전시간을크게단축하고용량도늘린덕이다. 도시바는이제품의주행거리를 400km까지늘려 2019년상용화할계획이다. 최근의배터리기술발전이충전시간이나혹은주행거리와같은문제를해결하면배터리문제를해결하고급속도로확산된스마트폰처럼전기차시장의대전환이시작될가능성도있다. 초고속충전기술과더불어회사나가정의플러그, 태양열전지, 잉여전력등을이용한완속충전기술도발전하고있다. 기존의저속충전기는사라지고차량을단기간에충전할수있는설비와자동차를쓰지않을때여유있게충전하는방식이공존할전망이다. 실제국제에너지기구 (IEA) 에따르면글로벌저속충전기보급은지난해 21만2,394대로증가세가정체되는사이고속충전기는 2016년 10만9,871대로 2년새 10배이상늘었다. 하지만해외에서전기차배터리신기술이넘쳐나는데비해국내기업들은그에비해서는한발뒤처져있다고볼수있다. 2020년한번충전으로 700km 주행이가능한배터리개발을목표로하는 LG화학과삼성SDI 및 SK이 노베이션이용량경쟁을벌이고있지만충전속도에대한개발은그만큼투자하고있지는않다. 오직현대자동차만이고속충전기인프라확대를추진하고있다. 나. 주파수조정용 (Frequency Regulation. FR) 주파수조정용 ESS는안정적인계통주파수유지를위해발전출력을조정하는기능으로써전기품질을높이고발전비용을낮출수있다. 주파수조정예비력은주파수추종운전 (GF) 과자동발전제어 (AGC) 2가지항목으로구성되어있으며, 주파수추종 (GF) 은계통주파수에따라조속기가응동하여발전출력을조절하는기능이고, 자동발전제어 (AGC) 는 EMS 원격제어신호에발전기가응동하는기능이다. 주파수조정예비력확보기준은 GF와 AGC를포함하여 150만kW 이상을확보해야한다. 한국전력공사는지난 2014년주파수조정용 ESS 52MW 시범사업을성공적으로구축하고상업운전을시작한이후 < 표 1> 과같이김제변전소등 13개장소에주파수조정용으로세계최대규모 ( 미국에너지부근거 ) 인 376MW를구축및운영하고있다. 주파수조정용 ESS의 376MW 상업운전이시행되면전 31
< 표 1> 연도별주파수제어용 ESS 용량변화 Item 2014 2015 2016 2017 Total Capacity 52MW 184MW 98MW 48MW 376MW Status Commercial Operation(376MW) 13Sites 기품질확보와전력계통운영효율향상이기대되며, 매년약 620억원의전력구입비절감을예상하고있다. 또한, 기업들은지난 4년간주파수조정용 ESS사업에참여하면서배터리충, 방전속도를최대 1.6배까지향상시키는등기술적성장을이루었으며, 이를바탕으로현재미국, 유럽, 아시아등에약 1조 2,000억원의해외수출을달성했다. 한국전력공사는향후신재생출력안정화용및피크절감용 ESS 분야로활용범위를넓혀 ESS 산업생태계를조성할계획이며, 국내사업경험을기반으로주파수조정용 ESS의해외기술수출도지속추진할예정이다. 다. 수요관리용 (Demand Response, DR) 수요관리용 ESS는 [ 그림 4] 와같이전력사용량이적은시간대에전기를저장해이를전력수요가많은시간대에사용하도록하는설비로주로전력사용량이많은대규모사업장에설치된다. 평소에전력수급상황을점검하는전력거래소 (Korea Power Exchange, 이하 KPX) 에서준비 / 관심 / 주의 / 경계 / 심각 5단계로예비단계를운영중이다. 9,312만kW를공급할수있으며예비전력은 1,000만kW로상정하는데동절기와하절기에는예비전력이 500만kW 아래로내려가는경우가있어블랙아웃의위험이생기게된다. 이런경우에수요관리를통해서발전기 4개분량의전기가보충될수있기때문에계통입장에서는더안정적인관리를할수있게된다. [ 그림 4] 전력수요관리개념도 자료 : KT 그룹블로그 32
[ 그림 5] 전력수요관리도입후전력시장 자료 : KT 그룹블로그 대표적으로전기사용량이많은철강, 제철, 제지업외에도산업체, 공장, 공동주택등규칙적인사용패턴을가진곳이면참여가능하며, 09시 ~20시사이에 KPX 전력소비감축령을내리면응답할수있어야한다. 사전에 RRMSE(Relative Root Mean Square Error) 기준을통과해야수요관리사업에참여할수있다. 이런과정을통해전력수요관리를할수있게되면전력수요관리개념도는 [ 그림 5] 와같이바뀌게된다. 이와같은특징을바탕으로수요관리용 ESS와관련된비즈니스모델은부하패턴분석기법, 최대피크부하계산, 일간또는연간최적운영계획, 경제성분석기법등을기반으로한전지종류 / 용량컨설턴트, PCS 정격 / 사양체크, 운전전략결정, 알고리즘분석등이있다. 라. 신재생에너지용 ESS 신재생에너지에 ESS를연계하여출력을안정화하거나피크부하를저감할수있다. 태양광발전기또는풍력발전기와같은신재생발전기는공급자원의불확실성으로인 해출력이불안정하므로, 발전된에너지를 ESS가충전하고있다가출력을일정하게낼수있고, 피크부하가발생할때방전하여요금을줄여주는역할로탁월하다. 신재생에너지시장이 [ 그림 6] 과같이가파르게성장함에따라 ESS시장도함께성장하는데한몫을하는데어떤원리로피크요금을절감하고신재생에너지출력을안정화시키는지는 [ 그림 7] 로확인할수있다. 일차적으로심야전기를활용해서충전후주간시간에방전하여전기요금을조절하고, 조금심도있게보면차후 1년의전기요금을결정하는요인중하나인피크전력사용량을줄여주는역할까지병행하고있다. 신재생에너지는기존의발전원인화력 원자력에비해발전단가가아직은비싼편이므로이전 2장에서언급했던정책과같은정부의지원이필수적이라몇가지주요지원사항만제시하도록하겠다. 태양광연계 ESS에정부에서공급인증서 (REC) 를부여하고, REC 수익이 4.5~5.0배늘어나도록정책적으로지원하는데이는소규모투자가가능하고지원혜택이큰태양광발전을중심으로 ESS를결합하는수요가클 33
[ 그림 6] 세계신재생에너지시장및투자추이 (GW) 140 세계신재생에너지시장추이 ( 억달러 ) 태양광 풍력 기타 133 4,000 세계신재생에너지투자추이 태양광풍력기타 120 100 80 60 51 59 78 84 83 103 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 2,073 2,737 3,183 2,970 2,719 3,169 3,288 40 1,000 20 500 0 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 자료 : New Energy Finance [ 그림 7] 신재생에너지출력안정화와 ESS 것으로예상된다. 여기서태양광연계 ESS의발전수익은전력판매수익계산식인 ( 발전량 SMP단가 )+( 발전량 REC단가 가중치5.0) 로계산할수있다. 이에맞춰적정용량의 ESS를설치해야투자수익이극대화된다. 아울러 15년장기고정거래계약을체결할경우현재의 REC 가중치부여정책의혜택이유지되고판매수익이확보되어수익의안정성도제고된다는것도고려해야한다. 다음항에서는실제 ESS 구축사례몇가지를살펴보도록한다. 4. ESS 구축사례가. 한국전력공사의주파수조정용 ESS 시범사업우선처음으로살펴볼사례는한국전력공사의주파수조정용 (Frequency Regulation, 이하 FR) ESS 시범사업이다. 한전은 2014년서안성 신용인변전소두곳에서 52MW FR용 ESS 시범사업을시작으로 2015 년에는경산, 신김제등 7개소에 184MW를구축한바있으며, 34
< 표 2> 서안성및신용인변전소 FR 용 ESS 구분전력변환장치배터리용도사업예산 서안성변전소 (28MW) 신용인변전소 (24MW) 16MW 12MW LS산전우진산전 코캄 LG화학 1차주파수응답 (15분충방전용 ) 16MW EN테크 삼성SDI 2차주파수응답 8MW LG CNS 삼성SDI (30분충반전용 ) 약 250 억원 약 270 억원 [ 그림 8] 서안성및신용인변전소 FR 용 ESS 설치현황 < 서안성변전소 FR 용 ESS> < 신용인변전소 FR 용 ESS> 2016년구축사업으로는김제변전소에옥내형 FR용 ESS 스테이션을비롯해 4개의변전소 140MW를구축했다. 미국과일본등많은선진국에서 FR용 ESS를상용화하고있지만단시간에괄목할만한기술적성장은우리나라가유일하다. 미국은 316MW, 일본은 104MW, 이태리는 45MW의규모에지나지않아한국전력공사가 2017년에 140MW FR용 ESS 구축을완료함으로써전력분야에선신기원을이룬셈이다. 특히대기업과중소기업의적극적인참여로동반성장의모범적인사례로손꼽힌다. 이중서안성변전소, 신용인변전소의케이스는 < 표 2> 와 [ 그림 8] 에서볼수있다. 나. 한국전기연구원의수요관리용 ESS 한국전기연구원은 2013년 ESS 보급지원사업으로 ESS 를구축하기시작하여공공기관의무설치규정으로인하여설치한 ESS까지, 현재까지총 5MWh 전지규모의 ESS 를구축하였다. ESS 전지의종류는리튬폴리머전지, 연축전지, 레독스플로우의세가지종류로다양하며각각의특징에맞는최적운전계획을위하여운영프로그램을개발하여운영해왔다. 산업용수용가의수요관리를목적으로에너지저장장치를이용하여경부하시간대에저장하였다가최대부하시간대에방전하여요금차액을얻고, 전기요금을상승시키는주요인인피크부하때방전하여기본요금을절감하였다. 또한 2항에서설명한 ESS 할인특례제도를신청하여 ESS에충전하였다가방전할때충전요금을 50% 절감 35
[ 그림 9] 한국전기연구원의수요관리용 ESS 실증현황 받고방전량을계량하여기본요금은할인된요금을적용받아돌려받도록전기요금절감및할인요금을최대화할수있도록운영하고있다. 다. 한국전기연구원의 ESS 시험평가시스템 전이가능하도록설계되었다. 그동안국내신재생에너지시험인증업무가기본성능시험위주인점에비해, 이번 MW급공인시험설비개발성공은계통연계성능시험에서중요한중대용량기기의시험인증에새로운전환점을마련할것으로기대되고있다. 이외에도한국전기연구원 (KERI) 고전압시험실은최근메가와트 (MW) 급대용량에너지저장장치 (ESS) 및전력변환장치시험평가시스템을국책과제를통해개발을완료했다. 해당설비는국내 외시험규격에적합한공인시험을실시할수있도록신재생에너지전원모의장치, 그리드시뮬레이터, 수동부하장치, 통합측정시스템및종합운영시스템으로구성되어있다. 세계적트렌드의변화에대응하고자설계단계부터 LVRT(Low Voltage Ride Through) 등계통연계성능시험에중점을뒀으며, 외부환경에무관하게안정적운 5. 요약 ESS는전지, 전력변환장치, 운영시스템으로구성되어, 전지에전력을저장하였다가필요할때방전하여쓸수있는장치를말한다. 이러한에너지저장장치는아직까지비싼가격때문에정부정책에의해서보급사업이나할인요금제로지원되고있다. 또한관련전문가들에의해표준및기술기준이활발하게제정되고있다. ESS를이용한비즈니스모델로는크게전기차용, 주파 36
수제어용, 수요관리용, 신재생에너지출력완화용, 비상전력용등으로나눌수있다. 이중 ESS 설치및활용사례로서, 한국전력공사의주파수제어용 ESS 140MW, 한국전기연구원의수요관리용 ESS 5MWh 및 MW급 ESS 및 PCS 시험평가시스템에대하여소개하였다. ESS 중에서도리튬이온전지를이용한 ESS 는설치면적이작고충방전효율및사이클효율이다른전지에비하여뛰어나사용규모가늘어나고있다. 그러나현재설치된리튬이온전지의운영중에다수의화재가발생하였으며, 산자부에서에너지저장장치의운영을전면중단요청한상태이다. 리튬이온전지뿐만아니라모든 ESS에사용되는전지의안전점검을실시하고분석과필요한안전기준등을진행하고있다. 요약하면, ESS의특장점이나비즈니스모델은현재많이알려져있으며운영이나설계관련연구도상당부분진행되었다. 정부에서도 ESS를유망한사업대상으로인식하고설치와혜택을적극적으로지원하고있는상태이다. 그러나 ESS에들어가는전지의안전성을보장할수있는시험및평가시스템분야의연구가많이부족한것으로보인다. 또한 ESS관련안전에관한법규나관련규정에적극적인지원이필요하다. 스마트그리드표준화포럼, 에너지저장시스템용전력변환장치의성능요구사항, 2012 지식경제부기술표준원, KATS 기술보고서스마트그리드용에너지저장시스템 (ESS) 산업현황및표준화, 2012 < 웹사이트 > 국가기술표준원홈페이지, www.kats.go.kr 스마트그리드표준화포럼홈페이지, www.sgstandard.org 참고문헌 < 국내문헌 > 산업통상자원부국가기술표준원, 태양광발전시스템용전력변환장치의안정성제1부 : 일반요구사항, 2012, 태양광발전시스템용전력변환장치의안정성제2부 : 인버터에대한특정요구사항, 2013 37