[커버스토리] 다양한 ESS 제도 및 사업으로 전력공급 패러다임 전환

성공적인 시범사업 중심으로 스마트그리드 생태계 조성

ESS의 대표적인 매력은 전력수요와 요금이 저렴한 심야시간대에 전력을 저장해뒀다가 피크시간대에 방전할 수 있다는 점이다. 이러한 특징은 미국 및 유럽, 그리고 일본 등 아시아까지 전 세계 에너지 산업이 촉각을 세우고 ESS 산업 성장에 박차를 가하는 이유이기도 하다. 이러한 대세적 물결에 국내 정부 또한 한 몫하고 있다. 산업부 및 정부와 함께 국내 전력 및 에너지산업을 책임지고 있는 한국전력(이하 한전) 또한 ESS 산업 발전을 기반으로 국내 스마트그리드의 확장을 노리겠다는 방침이다.

국내 ESS시장, 기지개 시작하다

현재 국내 ESS시장은 이제 막 기지개를 편 상황으로 비유할 수 있다. 이에 반해 ESS와 신재생에너지시장의 리더역할을 하고 있는 미국 정부는 감세와 보조금 지급 등 ESs 시장형성 정책을 추진중이다.

에너지정책법에는 ESS를 AT(Advanced Transmission)로 분류하고 FERC(에너지연방규제위원회)는 민간사업자까지 F/R용 ESS의 전력시장에 참여하는 것을 허용했다. 이를 통해 미국시장은 F/R 서비스 제공비용을 지불할 수 있는 환경을 조성해 기존의 발전기에 비해 7배 이상의 수익을 실현했다.

이에 국내정부 또한 피크감소용 ESS 보급 및 투자유도를 위한 다양한 지원제도 및 정책을 개발하는 과정을 거치고 있다. 현재 한전이 가장 주력하고 있는 ESS 관련 사업 부문은 주파수 조정용(F/R) 사업이다. 정부는 발전사업자 및 민간산업자의 F/R용 ESS 사업 참여를 위한 제도를 준비중에 있다. 이에 KPX(전력거래소) 또한 국내 F/R용 ESS 시장거래를 위한 제도개선 연구과제를 시행중이다.

다양한 ESS 응용사업 통해 실증사례 확보

한전이 주목하고 있는 ESS의 응용사업은 피크감소, 신재생에너지 출력 안정화, 주파수 조정용 등이다. 피크감소란, 말 그대로 첨두부하 감축을 통해 신규 설비투자를 지연하고 피크부하 감축으로 수요관리 비용을 감소하는 것이다.

특히, ESS를 전력피크에 투입하면 피크부하 감축으로 수요관리 비용을 감소하고 에너지비용을 절감할 수 있다. 정부는 이를 통해 ESS 비용이 30만원/kWh 이하일 경우 경제성을 확보할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

한전은 피크감소용 ESS에 올해 55억원을 시작으로 2016년 14억원, 2017년 16억원이 투자할 계획이다. 한전의 신재생출력용 ESS 사업의 배경은 국내에너지시장에 신재생에너지이 처음 소개된 시기로 거슬러 올라가면 알 수 있다. 신재생에너지가 보급될 당시 안정적이지 못한 신재생 전원과 계통연계지점에서 발생되는 전압문제는 제품의 품질을 보장할 수 없게 만들었다.

하지만 태양광발전산업을 중심으로 한 국내 신재생에너지 기술이 발전을 거듭하면서 신재생에너지의 출력을 보상 및 보장할 수 있게 됐다. 결국, 이러한 기술변화는 전력의 계통연계지점의 확대를 불러오며, 신재생출력용 ESS 사업의 활용성을 수면위로 띄우게 된다.

이를 바탕으로 한전은 ESS 연계운전을 통해 신재생 발전효율을 개선하고 출력을 안전화할 수 있는 신재생에지 출력 안전화 사업을 추진하게 된다. 특히, 이 사업은 ESS 비용의 저감화와 함께 REC 가격이 높을 경우 경제성을 확보할 수 있다는 장점이 예상돼 관련자들의 높은 관심을 받고 있다. 한전은 신재생출력 안정 ESS 사업에 2016년부터 85억원, 2017년에 139억원이 투자한 후, 점진적인 투자확대를 계획하고 있다.

한전이 이렇게 ESS 사업에 주력하게 된 배경에는 지난 2013년 8월 산업부가 발표한 ‘창조경제시대에서의 ICT 기반 전력산업의 신시장 창출 방안’이 있다.

한전과 정부는 ‘ICT 기반의 전력사업 창출방안’에 대응해 그간 화력발전이 담당하고 있던 주파수 예비력을 ESS로 대체함으로써 발전기 출력을 100% 활용할 수 있는 사업인 주파수 추종용 ESS를 도입하고, RPS와의 연계를 통해 신재생발전사업자의 ESS 설치를 유도하는 한편, 계통 미연계 도서지역내 태양광 등에 ESS 연계 설치시 설치비를 지원하는 신재생에너지 연계형 ESS를 도입했다.

이밖에도 한전은 30만kW 이상의 다소비 전력사용자와 계약전력 1,000kW 이상의 공공건축물에 100kW 이상의 ESS 설치를 유도하는 전력 다소비 수용가 ESS 설치사업을 수행하고 있다.

국내 배터리 기술, F/R용 ESS사업의 구심점 역할

한전과 정부가 추진하고 있는 F/R용 ESS사업은 변전소 잔여부지에 대규모 충전 및 방전기능을 갖춘 배터리와 PCS를 설치 및 운영해 전력계통 주파수 안정과 설비운영의 효율화를 기하는 사업이다.

한전이 이렇게 F/R용 사업의 배경에는 국내시장의 우수한 배터리 제조기술이 있다. 현재 국내 배터리 제조기술은 세계적인 수준이다. 한전은 이렇듯 우수한 배터리 기술과 당사의 계통연계기술이 결합하면 단기간 내 사업화 추진이 가능하다고 판단하고 있다. 전력구입비용 절감에 따른 경영여건을 개선할 수 있는 경제적 효과를 거둘 수 있을 것으로 예상하고 있다.

실제로 F/R용 ESS는 현재 주파수조정을 위해 발전기 출력을 5% 제한하고 있으나 52MW의 ESS를 운전하면 석탄화력 발전소 출력을 95%에서 100%로 향상시켜 약 50만kW의 예비력을 확보할 수 있고, 3,200억원의 전력구입비를 포함해 연간 약 3,500억 원의 국가편익을 거둘 수 있을 것으로 판단된다.

이에 정부는 F/R용 ESS 제도를 마련해 관련 시장의 조기형성을 돕는 한편, F/R 기능을 확보할 방침이다. 또한, 한전은 배터리를 이용한 F/R용 ESS 활용을 추진해 2017년까지 F/R용 ESS를 단계별로 500MW 설치 및 운영할 계획이다.

F/R은 말 그대로 주파수를 조종해 발전량과 전기사용량을 일치되게 만드는 것이다.

즉, 수요와 공급의 불일치로 생기는 주파수 변화를 기준주파수로 맞추는 행위인 것이다. 지금까지의 주파수 유지는 발전소 출력조절 등 전통적 방식으로 조정돼 왔다.

하지만 향후에는 전력계통 내 변전소 구내에 설치된 ESS의 활용을 통해 보다 신속한 주파수 조정이 가능하게 돼 전력계통의 효율성과 전기품질의 향상에도 크게 기여할 것으로 보인다.

한전은 지난 2013년에 정부가 발표한 창조경제시대 에너지 신시장 창출방안에 호응해 2017년까지 6,250억원을 투자하여 주파수조정용 ESS 500MW를 구축하는 ‘창조경제 구현을 위한 ESS 종합 추진계획’을 발표했다. 이어 한전은 ESS 종합 추진계획에 따라 2014년에 520억원을 투자하여 서안성변전소와 신용인변전소에 세계 최대 규모(52MW)로 국내 최초의 F/R용 사업에 착수했다.

이 시범사업은 총 52MW급의 설치용량을 가지며, 한전은 서안성과 신용인변전소에 각각 28MW, 24MW의 물량을 설치했다. 이중 서안성의 경우 1차 주파수 응답이 30초 이상 출력을 유지할 수 있도록 했으며, 15분 충방전과 G/F 운전용으로 설치됐으며, 신용인은 2차 주파수 응답이 30분 지속 출력을 유지할 수 있도록 했으며, 30분의 충방전과 AGC 운전용으로 설치됐다.

한편, 한전은 오는 2017년까지 4년간 총 500MW의 ESS를 설치해 전력계통의 주파수조정에 참여할 계획이다. 이를 통해 전기품질 향상은 물론, 연간 약 3,200억 원의 전력구입비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 국내 ESS 산업의 경쟁력 확보 및 기술자립을 통해 신산업육성 등 창조경제 구현은 물론, 향후 엄청난 규모의 잠재적 시장의 선점을 통해, 동일 분야에 대한 세계시장 개척에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.

여기서 주목할 점은 바로 전기품질의 향상이다. 전기품질을 평가하는 데 가장 큰 핵심은 바로 정전이 없어야 하고, 전압과 주파수가 안정돼야 한다는 점이다. 이런 의미에서 한전을 중심으로 한 국내의 전기품질은 이미 세계 최고수준이라고 해도 과언이 아니다. 국내의 전기품질을 직접 체험하고 그 우수성을 입증하고 있는 이들은 바로 제조 및 산업현장에 종사하는 사람들이다.

일례로, 관련 사업자들이 국외에서 사업수행시 가장 어려움을 겪는 부분이 바로 이 전기품질 부분이다. 특히, F/R용 사업은 제조현장의 회전기 속도와 밀접한 관계가 있기 때문에 그 중요성이 강조되고 있다.

초기 문제점 개선 통해 ESS 사업분야 확장 도모

이번 사업에는 약 570억원의 예산이 사용됐으며, 대기업과 중소·중견기업 10개사가 참여했다. PCS 부문에는 LS산전컨소시엄, 우진산전, EN테크놀로지, LG CNS컨소시엄이 참여했으며, 배터리 부문에는 코캄과 LG화학, 삼성SDI 등이 동참했다. 하지만 설치도중 아직 개선점이 필요하다는 점이 발견됐다.

국내 최초로 시행되는 사업이다 보니 규격의 표준화를 꾀할 시간적 여유가 없었던 것이다. 현재 배터리 및 PCS 등 주기기를 컨테이너 내부에 설치해 납품하고 있다. 이렇다 보니 주기기 점검 및 유지보수 공간이 부족하게 됐다.

한전이 발표한 사례를 업체들의 사례를 보면, 크게는 120cm에서 적게는 60cm의 여유공간 만이 확보된 상황이다. 이에 한전은 주기기의 구조를 개선하고 기기배치의 최적화를 통해 순시 및 점검공간의 확보를 위한 방법을 강구중이다. 또 하나의 문제점은 PCS 단위용량의 상향이 필요하다는 것이다.

현재 PCS 단위용량은 대부분 1MW에 그치고 있다. 이렇게 단위용량이 적다 보니 자연히 부피는 커지게 된다. 보통 1개의 컨테이너에 수용할 수 있는 용량은 최대 4MW 정도이다.

즉, 컨테이너 1개에 4개의 1MW급 PCS가 4대가 들어가야 하는 것이다. 이는 앞서 언급한 PCS 컨테이너 내부공간의 부족의 연장성적인 문제라고도 볼 수 있다. 무엇보다 현재의 1MW급 PCS를 4대 운영할 시에는 5권선 변압기 등 특수 변압기를 주문제작해야 한다. 이를 해결하기 위해선 대용량을 통한 PCS 콤팩트화가 필요하다.

2MW 단위용량을 제작해 일반 변압기의 활용 및 콤팩트화를 실현해야 할 것이다. 또한, PCS 판넬의 AC/DC 변환부 내부를 육안으로 점검할 수 없다는 점도 해결돼야 한다. 현재 AC/DC 전원부는 장비된 문을 열어 손쉽게 확인이 가능하다. 하지만 AC/DC 변환부의 확인은 불가능한 상황이다.

이를 해결하기 위해선 개폐 도어나 점검창을 설치해 사용자가 AC/DC 변환부를 쉽게 점검할 수 있도록 환경을 조성해야 할 것이다. 또한, ESS 변압기의 2차 케이블 커버를 개선할 필요도 있다. 현재 변압기의 2차 케이블 커버는 케이블과의 간격이 협소하다. 이로 인해 전자유도현상, 즉 와류현상이 발생하는 경우가 많다. 이에 한전은 2차 케이블과 커버 이격거리를 확보를 통해 와류발생을 억제했다.

또한, 냉각장치의 개선도 필요하다. PCS가 가동하면, 상당한 열량을 발생하게 된다. 때문에 각 컨테이너에 장비된 냉각시설이 열을 식히게 된다. 문제는 이 과정에서 필요없는 전력손실이 일어난다는 것이다. 이렇듯 불필요한 소비전력을 최소화하기 위해서는 고효율기기 적용이 필요하다.

이밖에도 PCS 장애 및 고장시 신속한 복구체계의 구축과 PCS 및 공조설비시 발생되는 소음도 문제로 지적됐다. 한전은 이러한 문제를 해결하는 한편, 앞서 시범사업에서 보여줬던 실증사례를 바탕으로 2015년에 50MW, 2016년 및 2017년 각각 200MW씩 투자해 총 500MW의 F/R용 ESS를 운영하고, 향후 신재생출력 안정화 및 피크절감용 ESS분야로 확대시켜 ESS 산업 생태계를 조성할 계획이다.

비용절감 및 운영효율 개성으로 창조경제 기반 조성

특히, 이번 F/R용 ESS 사업을 통해 다양한 가시적 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다.

국가적인 측면에서는 석탄화력발전소의 100% 출력을 달성해 발전설비의 운영효율을 향상할 수 있을 것이다. 또한, 발전 및 송배전 등 신규 전력설비 투자를 지연시켜 그에 따른 투자비와 발전연료비를 절감할 수 있게 된다. 또한, 전력설비 건설이 필요없어 민원해결을 위한 사회적 비용을 아낄 수 있다.

한전으로서는 연간 전력구입비용을 약 3,200억원을 절감하는 한편, 주파수 유지 등 전기품질 확보 및 전력계통 운영효율을 향상할 수 있는 기회를 얻게 된 한편, 미래 신성장동력 확보 및 창조경제의 기반을 조성할 수 있게 됐다.

산업 및 학계도 이번 사업을 반기고 있다. 이번 사업을 통해 ESS 산업을 활성화할 수 있기 때문이다. 이를 통해 대기업 및 중소기업의 동반성장이 가능하게 된 것이다. ESS사업의 랙 레코드를 확보할 수 있어 관련업계의 국외시장 진출기반을 확보할 수 있게 됐다.

앞으로 한전은 F/R용 ESS 사업에 엄격한 기술심사를 도입해 국내 에너지산업의 안정화를 꾀함과 동시에 공정한 에너지 공급 환경이 조성될 수 있도록 노력할 것이다.