에너지저장시스템(ESS) 활성화 방안

에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이란 전기 수요가 적을 때 생산된 전력을 전력계통에 저장했다가 전기 수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해 주는 시스템이다. 에너지저장시스템의 저장방식은 물리적 저장방식(양수발전, 공기 압축식 전력저장(CAES))과 화학적 저장방식(리튬이온 Battery, NaS, VRB)으로 구분된다.
에너지저장시스템은 전력품질의 개선에서부터 에너지 관리에 이르기까지 다양한 용도를 제공하고 있다. 첫째, 부하관리 등을 목적으로 하는 DR 애플리케이션, 둘째, 전력 품질과 효율 향상을 제공하는 계통운영보조서비스 애플리케이션, 셋째, 신재생에너지 시스템통합에 필요한 신재생 애플리케이션, 그리고 분산형 전력저장 애플리케이션 등이 있다.
한편, 에너지저장시스템의 활성화를 위해서는 전기사업법상 에너지저장시설에 대한 정의 및 관련 규정이 필요하다. 즉, 현재는 에너지저장시스템에 저장된 전력이 공급 측 자원(발전자원)인지 수요 측 자원인지에 대한 정의가 없으나, 향후 에너지저장시스템에 자원의 개념을 도입할 경우 전력시장의 범위가 확대되고 관련시장이 활성화될 것으로 전망하고 있다. 에너지저장시스템도 규모의 경제가 적용되기 때문에 규모의 경쟁력을 확보한 기업이 세계시장을 주도하게 될 것이므로 에너지저장시스템에 대한 정부의 산업정책적 지원이 필요한 시점으로 판단된다.

 

자료. 산업경제연구실 고동수 선임연구위원

 

 

 

1. 개요

 

(1) 전기의 특성

 

전기는 다른 에너지원과 달리 저장이 어렵기 때문에 전기가 생산됨과 동시에 소비돼야 하는 특성을 지니고 있다. 따라서 발전사업자들은 예상 수요에 상당하는 양만큼의 전기를 생산해야 하는데 전기소비자들의 사용량은 항상 일정한 것이 아니라 시간대별, 요일별, 계절별로 변동하므로 전력 수요와 공급량을 일치시키는 것이 중요한 과제이다.
만약 전력 수요와 공급량 간에 괴리가 발생하게 되면 전력공급이 불균형해지고 전력의 품질(전압과 주파수)에 악영향을 미칠 뿐 아니라, 더 나아가서 정전(Black Out) 사태를 맞게 될  수도 있다. 따라서 발전사업자가 전력을 다양한 수요 변동에 차질없이 공급하기 위해서는 상시 공급체계를 갖춰야 하는데 이럴 경우 상당한 비용의 발생과 저효율이 문제가 된다.
우리나라의 경우 상시 공급체계를 운영하기 위해 원자력발전은 항상 가동하고 있으며, 화력 및 수력발전도 일정 수준의 가동률을 유지하고 있다. 이처럼 발전회사는 만일의 사태에 대비해 최소한의 전력예비율을 확보하는 등 수급안정에 최선을 다하고 있지만 원자력발전소 고장처럼 발전기에 문제가 발생하거나 혹은 이상 고온에 따라 전력수요가 급증하게 되면 수급균형이 깨지면서 정전사태가 발생할 수도 있는 것이다.

 

(2) 스마트그리드와 전기의 저장

 

100여 년 전인 20세기 초반에 설계되고 개발되어온 현재의 전력시스템은 21세기 들어 우리가 직면하고 있는 새로운 환경에 더 이상 적합하지 않다는 의견이 지배적이다. 100여 년 전에는 에너지 가격이 매우 저렴해 에너지 효율성이 고려되지 않았던 반면에, 21세기에 들어서는 기후 변화에 따른 지구온난화 방지를 위해 온실가스를 감축해야 하는 글로벌 과제에서부터 우리 같이 자원이 부족한 국가 입장의 에너지자원 가격 상승에 대한 대처 방안, 에너지 과소비 억제 문제, 한국전력의 누적된 적자 문제, 전력의 안정적 공급 등 해결해야 할 일이 산적해 있는 실정이다.
또한 생산된 전기를 멀리 떨어져 있는 소비자에게 연결시켜주는 전력계통은 발전(Generation), 송전(Transmission), 배전(Distribution)의 단계로 구성돼 있어 전력공급선이 중요한 역할을 하는데 전력계통의 대부분의 사고는 이러한 전력 공급계통에서 발생하고 있다. 이처럼 전력산업이 직면하고 있는 누적된 문제와 중앙집중식 전력계통상의 문제 해결을 위해 전 세계 국가들은 현재의 전력망을 스마트그리드(Smart Grid)로 변환시키는 것이 바람직하다는 데 의견일치를 보고 있다. 에너지저장시스템(ESS) 역시 이러한 상황에서 분산전원의 특성을 통한 스마트그리드를 가능하게 하는 기술로 주목받고 있다.
한마디로 배터리 기술의 발달은 ‘전기는 저장이 불가능하다’라는 통념을 깨고 저장된 전기를 일반 상품처럼 자유롭게 사고 팔 수 있도록 하는 등 전력산업에서의 획기적인 전환을 예고하고 있는 것이다.

 

 

 

2. 에너지저장시스템(ESS)의 개념 및 기술

 

(1) ESS의 개념

 

에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이란 전기 수요가 적을 때 생산된 전력을 전력계통(Grid)에 저장했다가 전기 수요가 높을 때 저장된 전기를 공급해주는 시스템이다.
에너지저장시스템은 5가지 요소 ⅰ) PCS(Power Conditioning System) ⅱ) PMS(Power Management System) ⅲ) Battery ⅳ) BMS(Battery Management System) ⅴ) 변압기, 차단기, 케이블 및 계전기류 등으로 구성돼 있다.

 

(2) ESS의 기술

 

에너지저장기술이란 화학(Chemical), 동역학(Kinetic), 위치(Potential) 에너지 같은 여러 에너지 형태를 활용해 전기로 변환시킬 에너지를 저장하는 기술이다. 에너지저장시스템의 저장방식은 크게 물리적 저장방식과 화학적 저장방식으로 구분된다.
물리적 에너지저장방식에는 양수발전, 공기 압축식 전력저장(CAES: Compressed Air Energy Storage), Flywheel 등이 있는데 고출력 에너지를 신속하게 저장할 수 있는 반면에 초기 시설투자가 많이 소요된다. 화학적 에너지저장방식에는 리튬이온(Li-ion) 배터리, 나트륨 유황전지(NaS), VRB(Vanadium Redox Battery) 등이 있다.

 

 

 

3. 에너지저장시스템의 수요

 

에너지저장시스템은 전력품질의 개선에서부터 에너지관리에 이르기까지 그 사용하는 목적과 용도에 따라서 다양한 애플리케이션을 제공하고 있다. 첫째, 부하관리 등 전력공급을 주된 목적으로 하는 DR 애플리케이션, 둘째, 전력품질과 효율 향상을 제공하는 계통운영보조서비스 애플리케이션, 셋째, 신재생에너지 시스템을 통합하는 데 필요한 신재생 애플리케이션, 마지막으로 분산형 전력저장 애플리케이션이 있다.

 

 

(1) DR 애플리케이션(Utility 부하관리를 위한 애플리케이션)

 

전력산업의 중요한 관심사는 계통의 피크부하를 어떻게 관리하느냐인데, DR 애플리케이션은 경부하 시에 유휴전력을 저장하고 과부하 시 저장된 전력을 사용함으로써 부하관리(부하평준화: Peak Shaving/load Shifting/load Leveling)를 가능하게 한다.
에너지저장시스템을 계통과 결합할 경우 시스템의 용량 증가(Increased System Capacity), 송전예비력(Transmission Reservation) 확보, 전력차익거래(Energy Arbitrage) 등의 효용가치를 창출하게 된다.
즉 에너지저장기술은 전력의 수급균형과 가격경쟁력 및 에너지효율을 높이는 기술로서 전력예비력을 확보하여 전력피크 및 대규모 정전 사고 등에 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.

 

 

 

(2) 계통운영 보조서비스(Ancillary Service) 애플리케이션

 

계통운영 보조서비스 애플리케이션이란 전력계통의 신뢰성 및 전력품질 유지를 위하여 수분 이하의 수요공급 편차 발생에 따른 전력에너지의 공급량 조절을 통해 전력계통의 주파수를 일정하게 유지하는 기능을 말하며, 주파수조정 서비스, 예비력 서비스, 전압조정 서비스 등을 포함한다. 향후에는 대부분의 전력저장시스템이 계통운영 보조서비스를 제공하는 데 있어서 핵심역할을 하게 될 것으로 전망하고 있다.

 

① 주파수조정서비스(Frequency Regulation)
전력수급에 불균형이 발생하면 주파수가 변동하게 되어 전력품질을 유지시키지 못하는 문제가 발생하며, 이러한 주파수 변동은 전력계통 전체적으로 나타나게 된다. 따라서 주파수 저하를 방지하기 위해서는 주파수 변동에 자동적으로 대응하여 발전기 출력을 가변시키는 주파수 추종(Governor Free) 운전과 중앙전력관제센터에 설치된 EMS에서 원격으로 발전기 출력을 조정하는 자동발전제어(Automatic Generation Control) 운전이 필요하다.

 

② 예비력서비스(Operation Reserve)
예비력서비스란 전력수급상의 불균형을 해소하기 위해 전력을 확보하는 서비스이며, 10분 이내에 활용이 가능한 운전 중 발전력(대기 예비력)과 120분 이내에 활용이 가능한 정지 중 발전력(대체 예비력)으로 구분된다. 이는 계통운영 보조서비스를 통해 예비력을 확보해 전력수급 균형을 이루게 하는 기능과 전력설비의 고장 또는 발전소 정전 등과 같은 시스템 우발사태에 대해 신속한 대응을 할 수 있다는 장점이 있다.

 

③ 전압조정서비스(Voltage Regulation)
전압조정은 무효전력(Reactive Power) 공급과 밀접한 관계가 있으며 국부적으로 발생한다. 무효전력은 장거리 송전이 불가능하며 무효전력의 소비가 이뤄지는 지점에서 무효전력을 공급해야 계통의 기준 전압을 유지하게 된다.

 

 

(3) 신재생에너지 출력 안정을 위한 애플리케이션

 

태양광이나 풍력발전은 출력의 가변성(Variability)이 높아 전력계통과의 통합에 상당히 어려움이 있다. 에너지저장시스템은 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지를 계통과 통합해(System Integration) 출력을 안정시키는 등 전력운영의 최적화를 가능하게 한다.

 

 

 

 

(4) 분산형 전력저장 애플리케이션

 

우리나라 전력계통(특히 송배전)상의 애로사항 중의 하나는 대형 발전소를 신축한다 하더라도 송전철탑을 세우기가 어렵다는 것이며, 이러한 문제를 해결하기 위해서라도 분산형 전력저장시설을 적극 추진할 필요성이 제기되고 있다.
분산형 전력저장시설의 종류로는 전력가격의 편차를 이용해 전력을 저장·사용하는 계통 연계형과 상용 전기가 없는 곳에 신재생에너지를 저장해 필요시에 사용하는 독립형으로 구분할 수 있다.

 

 

4. ESS 활성화를 위한 정책적 시사점

 

 

(1) 에너지저장시스템에 대한 법적 개념 정립 및 규정 마련

 

에너지저장시스템의 구축 및 시장 활성화를 위해서는 전기사업법상 에너지저장시설에 대한 정의 및 관련 규정의 제정이 필요하다. 현재는 에너지저장시스템에 저장된 전력이 공급 측 자원(발전자원)인지 수요 측 자원인지에 대한 정의가 없는 상황이다.
정의에는 미국의 전력계통운영자(ISO)들이 규정하고 있는 것처럼, 에너지저장시스템이 물리적으로 전력을 발전하는 발전시설은 아니지만 자원(Resource)의 역할을 수행할 수 있는 기능을 지니고 있다는 사실을 반영할 필요가 있다. 이처럼 에너지저장시스템에 자원의 개념을 도입할 경우 현행 전력시장의 범위가 확대되고 관련시장이 활성화될 것으로 전망하고 있다.

 

 

 

 

(2) 에너지저장시스템 시장 활성화를 위한 제도 마련

 

① 산업정책적 지원이 필요한 시기
일본은 2차전지 분야에서 기반이 넓고 다양한 기술을 체계적으로 연구하고 있어 종사하는 기업도 많고 전지 종류도 많지만, 한국은 일본과 달리 선택과 집중에 따라 소수의 기업이 리튬이온 배터리에 집중하고 있는 상황이다. 또한 현재 일본은 규모의 경제 측면에서 우리 기업을 압도하려는 전략을 추진하고 있다. 메모리반도체와 마찬가지로 에너지저장시스템도 규모의 경제가 적용돼, 규모의 경쟁력을 확보한 기업이 세계시장을 주도하게 될 가능성이 높기 때문이다. 현재 일본 정부는 후쿠시마 원전 사태를 계기로 2차전지 산업을 전폭적으로 지원하고 있는 등 에너지저장시스템의 보급을 가속화하고 있다. 따라서 현재는 에너지저장시스템에 대한 정부의 산업정책적 지원이 필요한 시점으로 판단된다.

 

② 공공부문에 대한 의무화 방안
ESS 시장의 성장성은 확인되고 있지만 다른 에너지시설과 비교할 때 설치비의 과다 등 경제성에 문제가 있으므로 초기 시장 형성을 위해서는 정부의 노력이 필요하다. 민간 부문에서 ESS를 자발적으로 설치하기를 기다리거나 혹은 설치를 요구하기보다는, 정부부처 및 공기업 건물 등 공공부문에서부터 구축하는 방안을 적극 검토할 필요가 있다.

 

③ 인센티브 정책
에너지저장시스템 관련 기술개발 및 보급을 활성화하기 위해서는 에너지저장시스템을 설치하는 수요자에게 인센티브를 제공하는 정책이 필요하다.
ESS에 저장된 전력은 전력수급 불균형 시 전력수급 자원으로 활용될 수 있는 등 전력수급에 중요한 역할을 수행할 수 있기 때문에 그에 상응하는 보상을 받는 인센티브 정책이 요구된다. 대기업에 비해 자금 사정이 어려운 중소기업에 더 많은 인센티브를 제공하는 인센티브의 차등화 정책도 검토할 필요가 있다.
에너지저장시스템 관련 인센티브 정책의 좋은 사례로는 미국 캘리포니아주에서 시행하고 있는 소비자용 ESS 지원프로그램인 SGIP(Self Generation Incentive Program)가 있는데, 이를 벤치마킹해 최대 부하 감축을 위한 인센티브를 제공하는 방안을 고려하는 것도 좋다. 예를 들어, 일정한 기술 수준을 만족하면서 풍력 및 연료 셀(Cell) 기술에 연결되는 에너지저장시스템에 지원을 하거나, 또한 풍력과 연료 셀이 아닌 다른 기술 중에서도 에너지저장시스템과 연결될 수 있는 분야에 대한 지원 등을 고려할 수 있다.

 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 에너지저장시스템(ESS) 활성화 방안