에너지연구소 2018-03 / 2018. 04. 15 가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 신인재책임연구원 Abstract 태양광과같은분산전원과 ICT 기술의확산은전력산업패러다임의변화를가져오고있다. 특히태양광을포함한신재생에너지, DR, ESS 등분산된전력자원을모아하나의발전기와같은안정적인전력공급이가능한가상발전소 (VPP; Virtual Power Plant) 에대한관심과필요성이커지고있다. 가상발전소는전기사업법에의해사업의진행이더딘상태로지속되어왔으나, 최근전기사업법에소규모전력중개사업법안이통과되어사업진행에탄력을받을것으로전망한다. 국외에서는 DR(Demand Response), 스마트에너지홈, Aggregator 등다원화된사업구조로여러가지기술이활성화되고있으며, 소비자의에너지선택권을넓히는방향으로발전하고있다. 본이슈브리프에서는현재전력시장의패러다임변화와가상발전소의국내외현황을살펴보고국내태양광가상발전소의전망과시사점을제안한다.
서울에너지공사에너지연구소 2018-03 전력산업산업의변화 국내초기전력산업은중앙집중형발전과같은하나의발전소가여러수요처를담당하는형태로운영하였음 분산형발전원이전력패러다임의변화를주도하여단방향전력공급을양방향으로발전시킴 새로운패러다임과함께전력거래서비스산업이발달함 분산발전원과클라우드, IoT, 빅데이터, 머신러닝등의 ICT 기술이결합하여기술을활용하여새로운서비스를창출하는에너지클라우드로변화될전망 가산발전소와같은분산전원계통연계및전력거래서비스산업이발달할전망 중앙집중형발전분산형발전에너지클라우스 단방향전기흐름 중앙집중형전력망에연결된다른사용자들과인프라공유 중앙집중형제어관리 제한된유연성 일대일네트워크 제한된양방향전기흐름 중앙집중형전력망에연결또는계통으로부터분리된독자적전력설비 분산형제어관리 약간의유연성보장 일대일네트워크 양방향전기흐름 다수의전력망에연결된사용자들과인프라공유 중앙집중형및분산형이조합된제어관리 최대유연성보장 다대다네트워크 < 그림 1> 분산전원에너지확대로인한전력산업변화 자료 : Navigant Consulting 가상발전소 (Virtual Power Plant) 가상발전소란? - 분산에너지자원 (Distributed Energy Resource) 에대한의존도가높아짐에따라전력의생산, 소비, 저장기술발달과함께등장함 - 외부에서보여지는가상발전소는하나의작업일정을게시하고단일원격사이트에서최적화할수있는단일전력생산설비와같은하나의발전소를이룸 - 내부에서보여지는가상발전소는분산에너지자원기반서비스의정교한계획, 일정수립및입찰을통해다양한독립자원들이결합된네트워크로운영됨 - 즉, 태양광, 풍력, 프로슈머, 커뮤니티등에서생산한전력을모아기존중앙집중형발전소와동일한형태로운영가능함 02
가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 통신 전력 분산발전원 분산발전원 분산발전원 가상발전소 가상발전소 가상발전소 < 그림 2> 가상발전소개요 가상발전소의필요성 - 소프트웨어및스마트그리드를사용하여원격으로분산에너지자원을운영하는시스템으로 IT 혁신을통해전력사용자, 자산소유자, 전력배포의가치를극대화함 - 수요반응 (Demand Response), 태양광발전시스템, 첨단배터리및 EV와같은신기술의통합및최적화를통해이전의수동적소비자를적극적인프로슈머로전환시킬수있는산업 - 대규모인프라업그레이드없이기존발전기및분산에너지자원을통해공급을늘릴수있는장점을가짐 - 가상발전소는가능한저비용, 친환경으로전력망의균형을유지하면서에너지시장이해관계자 ( 발전회사, 송전망운영자 ) 에게이익을가져다주는것이주된목표임 가상발전소국외현황및사례 미국의현황및사례 - 가상발전소는 EMS 시스템과연동하여운영되며, 분산된전원들은관리하기때문에발전량과부하예측에민감할수록더효율적인운영이가능한기술임 - 미국의가상발전소는전력공급뿐만아니라수요반응 (DR) 및부하분산기술을통해전력그리드기능의신뢰성을보장하는기술로발전하고있으며, 발전량에반응하여전력가격을책정하는기술을적용하고수요와공급의원칙에따라자동으로가상발전소를운영할수있는시스템을구축하였음 03
서울에너지공사에너지연구소 2018-03 - EnerNOC과 Sunverge 등의민간기업을중심으로통신망을이용하여수요반응자원을원격제어하는 NOC(Network Operation Center) 형태의부하관리사업모델이활성화됨 - Tesla는 Vermont 주의전력회사인 Green Mountain Power와의파트너십을통해지역단위의소규모스토리지시스템을가상발전소화할수프로그램을개발함 - Sunverge Energy는실시간데이터를사용하여분산에너지자원, 가정용에너지관리시스템 (Home Energy Management Systems) 및스마트장치 ( 온도조절기, 온수기 ) 를통해포괄적인수요관리가가능한가상발전플랫폼을개발함 - Green Mountain Power는그리드밸런싱또는피크수요감소를위해고객이사용하기에적합한배터리용량을고객에게제공하는비즈니스모델에서 ' 돈을내주지않는 ' 옵션을통해 Tesla Powerwall을고객에게제공한최초의전력회사 * Green Mountain Power는최대 2,000 명의고객이거주하는주택에자체소유의 Powerpack 및 Powerwall을배치 - 최대 12.8MW 규모를구축함 - 전력생산회사인 Con Edison은주거용태양광시스템을사용하는 1.8MW 가상발전소에투자하여가상발전소를테스트함 - Sonnen의미국사업부는주택건설에 6kWh의 Sonnen 저장장치를주택건설업체에제공할계획 < 표 1> 미국내가상발전소 (VPP) 실증프로젝트현황 프로젝트명통합목적가상발전소역할제어방법통신 REV(Reforming the Energy Vision) 실증프로젝트 : 깨끗한가상발전소 대비예비력제공, 분산전원의극대화, 미래의송전및배전비용의저감, 주거용태양열및 ESS 시스템통합제어 중앙제어양방향통신 Distributed Energy Resource Management systems: Virtual Power Plant projects in the Los Angeles area 전력피크제어, 전기요금절감기여, 대기예비력제공, 수요관리 분산형시장기반제어 양방향통신 : OPC UA, IEC61850 Sonnen residential solar plus storage project: 가상발전소로작동하도록설계된집 그리드와독립적인운영가능, 새벽에낭비되는원자력에너지를저장하여전력수급균형제어, 전력피크제어 분산형시장기반제어 양방향통신 : OpenADR 2.0, IEC61850 04
가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 < 그림 3> EnerNOC 가상발전소운영시스템과 Sunverge 사의 Energy Storage 유럽현황및사례 - 독일카셀대학교의태양에너지공급기술연구소는태양열, 풍력, 바이오가스및수력발전과연계된복합발전소를시운전하여재생가능에너지원으로부터 24 시간연속부하전력을제공는가상발전소를운영하고있음 - 독일은재생가능에너지를이용한가상발전소가수년동안개발중에있으며이분야선도기업으로는 Caterva, Fenecon 및 Next Kraftwerke 등이있음 - 영국에서가장큰에너지공급자인 Flexitricity사는스마트그리드에서열병합발전의효과를시험하기위해 Republiq Power 사의 45 개천연가스 SOFC 유닛 ( 각각 1.5kW 발생 ) 을 2013 년네덜란드의아멜란트에배치하여가상발전소를운영함 - 스코틀랜드의헤브리디스지역에있는 Eigg 섬에서 9.9 kwp 태양광발전시스템, 3 개의수력발전시스템 (6 kw, 6 kw 및 100 kw) 및 24kW 풍력발전소를건설하고에너지공급의안정성을위해디젤발전소와에너지저장장치를통합하여 Econnect Ventures가운영하고있음 - EU 내에서진행한가상발전소실증프로젝트는다음표와같음 < 표 2> EU 내가상발전소 (VPP) 실증프로젝트개요 프로젝트명통합목적가상발전소역할제어방법통신 VFCPP(Virtual Fuel Cell Power Platn) : 29 기의분산형연료전지기반마이크로열병합발전기를통합한 VPP 실증프로젝트 기술적목적첨두부하감축사전에지정한부하프로파일추종운전 중앙제어 양방향통신 : 인터넷 VPN(Virtual Private Network) 채널단방향통신 : RRC (Radio Ripple Control) 05
서울에너지공사에너지연구소 2018-03 PowerMalcher 기반 VPP : multi-agent 기반분산형에너지원제어기술적용 기술적목적첨두부하감축등 상업적목적현물시장에입찰 전력가격공지 agent 내부시장운영자 : 외부전력시장의시장참여자 분산형시장기반제어 양방향통신 : UMTS(Universal Mobile Telecommunication System) 무선네트워크 FENIX(Flexible Electricity Network to integrate the expected )VPP : 유럽내대규모 VPP 실증프로젝트 기술적목적대기예비력제공전압제어서비스제공혼잡해결 상업적목적 1 일전전력시장참여보조서비스시장참여 중앙제어 양방향통신 : GPRS(General Packer Radio Service) 및 IEC(International 내부시장운영자 : 외부전력시장의시장참여자 분산형시장기반제어 Electro-technical Commission) -104 프로토콜 EDISON VPP : 전기자동차통합을고려한 VPP 실증프로젝트 기술적목적수급균형서비스제공전기자동차집단에대한비용의효과적인제어기능제공 중앙형시장기반제어 IEC 61850 기반양방향통신 ProVipp(Professional Virtual Power Plant) : 총 8.6MW 의 9 기수력발전소를통합한 Siemens 의 DEMS ( Decentralized Energy Management System) 실증프로젝트 기술적목적발전및부하의변동을균형조정 상업적목적전력시장참여예비력시장참여 중앙형시장기반제어 양방향통신 자료 : Journal of the Electric World : 가상발전소 (VPP) 기술현황및전망 06
가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 태양광발전 수력발전 수요처 에너지저장장치 < 그림 4> 스코틀랜드 Egg 섬의 Virtual Power Plant 일본현황및사례 - 후쿠시마원전사고이후탈원전선언이후신재생에너지시장이급성장함 - 2016년 7월신재생에너지를전력망으로통합하기위한일환으로일본의 14개주요전력회사가참여하여 Virtual Power Plant Experimental Project를착수함 - Sunverge와 Stem은대규모유틸리티용가상전력발전소프로젝트상호투자자인 Mitsui에합류하여일본에서최초의국제프로젝트를시작함 - Fujisawa SST Management Company는마을의공공토지에소규모분산태양광발전사업을시작함 * 후지사와시에서는긴급시대처방안을모색하고재생에너지사용을확대하기위해마을주민뿐만아니라주변지역의긴급시에도전기가공급됨 * 모든전기는태양발전장비의유지보수를지원하기위해계통에판매되고있음 - 일본내에서진행하고있는가상발전소실증프로젝트는다음표와같음 07
서울에너지공사에너지연구소 2018-03 [ 표 3] 일본내가상발전소 (VPP) 실증프로젝트현황 프로젝트명통합목적가상발전소역할제어방법통신 JUMP Smart Maui: 80 대의 EV 와 VPP 실증프로젝트 가상발전소를활용한지역사회의이익을위해전력망내에 EV 배터리와같은분산된재생에너지자원을통합하고관리 중앙형시장기반제어 양방향통신 : IEC61850 에네마네하우스 2017 주택의효율적인에너지소비를위한태양광발전의발전량예측과 VPP 기술을활용한시스템의실증시험 중앙형시장기반제어 양방향통신무선통신 전기자동차를이용한전력망수요안정화프로젝트 : 닛산 e-nv200 전기상업용밴과전기자동차인 Leaf 전력수급균형서비스를제공, 지능형통합전략의일환으로전기자동차충반전제어 분산형시장기반제어 양방향통신 : ISO(International Organization for Standardization) /IEC 15118 도요타시가상발전소프로젝트 2017: PHV, 히트펌프온수기, 축전지등을이용 전력수요조절을통한재생가능에너지의지역생산및소비달성을목표, 대기예비력제공, 수급균형서비스제공, 전력망안정화 중앙형시장기반제어 정보통신기술 (ICT) Kyocera Corporation 에너지관리개선을위한가상발전소시험프로젝트 : HEMS 기술과가정용축전지의 POM 시스템을기반으로실증 에너지공급및수요의원격관리, 에너지수급균형, 서비스제공 중앙제어양방향통신, ICT 가상발전소실증프로젝트 : 간사이전력에서서비스제공, 엘리파워에서관리및제어 재난대책, 에너지수급균형, 에너지자급자족, 공급및소비를통합제어 중앙제어양방향통신 08
가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 < 그림 5> FujisawaSST Community Solar 호주의사례 - 2016 년 8 월, AGL Energy 는호주애들레이드에서 5MW의가상발전소계획을발표함 * 에너지관리기술을통해재생에너지발전설비와에너지저장장치 (ESS) 등에너지설비를수요반응제도 (Demand Response) 등수요측의움직임과통합적으로제어해하나의발전소와같은기능을함 *AGL Energy는호주남부지역인 Adelaide에위치하며가정용태양광발전이설치된일반 *1,000가구를대상으로 7kWh급 ESS를저렴한가격으로제공해주고 VPP 실증사업에참여를유도하고있음 * 제공되는 ESS 가격은 3,500$ 으로매우저렴한수준이며무료로임대해주고잉여전력판매금액을 ESS 투자금을회수함 * VPP 실증사업에서 1,000가구의태양광발전과 ESS가클라우드기반의 EMS 솔루션에통합연계될경우, 전력저장용량은 7MWh이며태양광발전용량은 5MW에이름 * 1,000가구의 ESS 설치가완료되면 ESS는클라우드기반의 EMS 솔루션으로제어가됨 09
서울에너지공사에너지연구소 2018-03 * 가정용태양광발전과소형 ESS 로구축된 VPP 는피크전력관리, 주파수조정서비스등과같은전력계통의 지원서비스를제공할예정임. 또한본 VPP 사업에참여한가정의경우연간약 $500 의전기료를절약할수 있을것으로기대함 가상발전소국내현황 국내현황 - 수요자원거래제도를통해피크시간에에너지절약을통해전력공급력을확보하는모델로가상발전소기술이발전됨 - 6개기업이전력거래소와 MOU를체결하고소규모전력중개시범사업으로참여하였으나 2년동안전기사업법개정안통과가미뤄지면서기술력은확보했으나사업이진행되지않았음 - (18.05.29) 전기사업법에소규모전력중개사업, 전기자동차충전사업신설됨 - 가상발전소내에서분산운영되는소규모전력중개사업자는소규모전력을모아직접팔수도있고전기판매사업자에남는전기를판매할수있게됨 - 전력중개사업자는소규모전력생산자들로부터전력판매를할수있는전력중계계약을체결하여직접판매할여력이없는생산자의전기를대신판매함 - 전력중개사업자는소유한발전소로전력을판매하거나전력중개수수료를통해수익창출이가능함 - 전력중개사업자는전력거래소를통해전력을거래할수있도록사업법을개정하여 2018년말시행령을마련할예정 국내태양광가상발전소시장전망과시사점 미국, 호주, 독일등은대규모부지를활용하여태양광을이용한가상발전소운영이활발하지만서울시와같은도심지는많은아파트단지, 빌딩과산림이대부분이기때문에대규모부지를활용한태양광발전이불가능함 해외사례에서알수있듯이대부분의가상발전소통합목적은전력판매시장을기반으로에너지수급의균형발전을위한도구로발전하고있음 그동안국내전력시장의제한으로에너지자급에초점이맞춰져마이크로그리드기반의에너지자립섬실증프로젝트가많았지만전기사업법의개정과시장형성의기대로국내에도도시내가상발전소기반전력거래실증프로젝트가시행될것으로전망함 태양광가상발전소는단기적인수요반응에적극적으로대응하기위해지능형계량, 자동제어, 자동정산시스템기술을이용한네트워크기술로발전해나갈전망함 10
가상발전소 (Virtual Power Plant) 발전과국내외산업현황 가상발전소를운영하는소규모태양광사업자는한국형 FIT과같이고정가격으로다년계약하는형태로시장참여를할수있을것으로전망함 전력시장의규제가풀리고친환경전력을선호하는상황이지속될경우전력가격의향상은불가피함 향후전력가격상승에대한다양한대응방안과정교한로드맵이필요함 참고문헌 허준혁, 전력산업패러다임변화 [2] - 파괴적혁신의시대, KEMRI 전력경제 REVIEW 2017 제4호 Navigant consulting, The Energy Cloud, 2016 정구형, 가상발전소기술현황및전망, Journal of the Electric World, Oct. 2017 조강희, 계량기위의전력 가상발전소, 한국에너지, Jun. 2017 김진이, 노유림, 백승안, 이현주, 2017년해외전력산업동향, 한국전력거래소, Nov, 2017 11
책임연구원신인재 전기전자공학박사 관심연구분야전력 IT, 에너지 ICT, 분산전원 주요저서 IJ Shin, BK Song, DS Eom. IEC 61850 Mapping with CoAP in Smart Grids Based ETSI M2M Environment. Energies 2017 10(3), 393 IJ Shin, BK Song, DS Eom. Auto-Mapping and Configuration Method of IEC 61850 Information Model Based on OPC UA, Energies 2016, 9(11), 901 전화 02-2640-5354 이메일 kshinje@i-se.co.kr 에너지연구소 주소서울시양천구목동서로 20 서울에너지공사 1 층 전화 02-2640-5353 / FAX 02-2640-5359 HOMEPAGE www.i-se.co.kr 발행처에너지연구소 발행인박진섭 담당자이재석