ICT 접목한 ESS, 주축으로 광범위한 신시장 형성
기존 산업에 ICT를 접목함으로써 새로운 산업과 시장을 창출하고, 기존 산업은 강화하는 ICT 융합이 전 산업에 깊숙이 파고들면서 새로운 국면을 맞이하고 있다.
ESS(에너지저장시스템), 전기자동차, 스마트그리드, 신재생에너지 등 전기산업은 그 어느 산업보다 ICT와 밀접한 관계를 맺으며 제2의 전성기를 맞고 있다. 여기서는 최근 열린
전력저장시스템(ESS)이란 전력을 물리적 혹은 화학적 에너지로 변환시켜 저장하는 시스템을 가리키며, 저장시스템에는 크게 양수발전과 초전도 전력저장, 압축공기 저장, 플라이휠 저장 그리고 축전지에 저장하는 방법 등 여러 가지가 있다.
축전지의 경우 과거에는 연축전지를 많이 이용했으나 최근에는 리튬전지나 나트륨황전지, 레독스 흐름전지(RFB)가 개발돼 저장시스템으로서 많이 적용되고 있다.
최근 들어 스마트그리드 분야와 전기자동차 분야에 리튬전지를 비롯한 신형 전지가 적용되면서 시장이 확대되고 기술개발도 상당 부분 진행됐다. 그로 인해 비용이 다운되면서 경쟁력을 갖추게 됐다.
대용량 저장시스템이나 전기를 이용한 이와 같은 저장시스템은 전기를 저장하는 전지 부분과 직류로 저장된 전기를 변환시켜 계통과 연계시키는 전환장치(인버터), 용량이 커 여러 개의 전지를 사용할 경우의 밸런싱이나 매니지먼트를 위한 BMS, 그리고 수용가에 적용되는 경우는 운영을 위한 파워 매니지먼트(PMS)로 구성된다.
우리나라는 1988년부터 저장시스템의 개발이 시작했고 미국이나 독일 선진국에서도 그 이전부터 개발을 시작했으나 25년이 지난 지금에서야 ESS(에너지저장시스템)에 대한 관심과 공감대가 고조되고 있다.
그 이유는 당시에는 ESS가 경제성을 확보하지 못했으나 최근 들어 전기자동차나 스마트그리드를 비롯해 신재생에너지(특히 출력 변동이 심한 풍력발전에 도입이 확대되면서 변동 출력에 대한 완충 역할을 한다) 등 저장시스템의 적용 분야가 상당히 확대됨에 따라 비용 다운을 이끌어냈기 때문으로 보이며 그만큼 시장에 대한 기대가 크다.
ESS, 어떻게 이용되나?
전력저장시스템의 적용 분야를 보면 첫 번째는 전력 사용의 평준화다.
우선 과거에는 주로 피크 컷, 즉 최대 전력을 줄이는 것이 목적이었는데 이 경우는 심야에 전력을 적게 사용하는 시간대에 전력을 저장했다가 많이 사용하는 시간대에 전력을 공급함으로써 피크 컷과 동시에 로드 레벨링(부하 평준하) 효과를 거둘 수 있다.
다음으로 풍력발전과 같이 출력 변동이 심한 경우에 완충 역할을 목적으로 사용하며, 그리고 최근에는 수요관리 용도로 이용되고 있다. 수요관리는 크게 두 가지로 볼 수 있는데 하나는 발전시스템을 효율적으로 운행하는 것이고, 또 하나는 수용가에서 부하를 적절히 관리해서 요금을 절감하는 것이다.
크게 보면 발전 부분의 수요관리에 이와 같은 저장시스템이 적용되면 상위 부분에서 예비율의 일정 부분을 커버해 줄 수 있는 역할을 한다. 이 경우 아주 빠른 출력 응답 속도가 요구되지만 최근의 IT(정보기술)나 ICT(정보통신기술)를 접목하면 충분히 가능성이 있다. 이처럼 ESS의 적용 분야는 전기자동차, 일반 산업용, 가정용 등 전반적인 분야에 다양하게 적용할 수 있다.
스마트그리드 비롯한 신시장 출현으로 재조명
지능형 전력망 스마트그리드는 기존의 전력망(발전→송배전→판매)에 ICT를 접목해 전력 공급자와 소비자가 양방향으로 실시한 정보를 교환하고 에너지 효율을 최적화하는 차세대 전력망이다. 스마트그리드는 지구온난화로 대표되는 환경문제 해결과 2011년의 정전 대란과 같은 재난 대비, 그리고 화석연료에 대한 의존도를 낮춰야 할 필요성에서 대두됐다.
앞에서와 같이 전력저장시스템은 기존의 고전적인 이용 방법에서 한 걸음 나아가 수요관리와 ICT 기술을 접목한 스마트그리드 확산 사업에까지 적용되면서 시장이 확대됐다. 여기에 과거에는 확보하지 못했던 경제성 부분에 대한 기대가 상승해 적용에 대한 확신을 가질 수 있다.
스마트그리드 확산 사업에서의 적용 가능 시장 부분을 보면, 소용량의 가정용, 업무용(호텔, 병원, 공장, 빌딩)이나 공장, 나아가 전력회사를 들 수 있다. 전력회사는 부하 평준화용과 주파수 조정용으로 이용할 수 있는데, 특히 주파수 조정용의 경우 상당히 큰 용량을 요한다. 한국전력에서는 이 부분에 ESS를 적용하기로 정책적으로 결정하고 준비하고 있는 중이다. 이와 같이 산업부의 여러 가지 정책 방향이나 전력회사의 정책 결정 사항을 봤을 때 ESS 시장은 아직 확신할 단계는 아니지만 시장은 일궈진다고 볼 수 있다.
가정용에서는 아직까지 세탁기나 냉장고 등 각종 부하기기를 리모트 컨트롤을 안 하지만 기술적으로는 충분히 스마트 기술을 적용시키면 운영 자체를 유연하게 할 수 있는데, 그 경우에 결과적으로 전기요금이 저렴한 시간대에 주로 많이 부하를 활용하도록 하는, 쉽게 말하면 부하에 대한 시프트가 된다. 이런 방식으로 가정용에서 시장을 만들어낼 수 있다. 그러면 기존보다는 전기요금 줄이는 효과를 얻을 수 있다.
더 나아가 업무용 수용가에서도 마찬가지로 기본요금에 사용량 요금이 되는데, 기본요금은 적게 사용할 때 저장했다가 많이 사용하는 시간에 공급함으로써 계약 용량을 일정 부분 줄일 수 있다. 적게 사용하는 시간대에 저장했다가 공급하면 중간 변환에 의한 저장매체의 효율 부분과 저장장치의 효율 부분을 감안하더라도 결과적으로 요금에 대한 차이 효과를 계산할 수 있다.
전력을 공급하는 입장에서는 발전 시스템을 얼마나 짧은 시간에 설비를 증대시켜야 되느냐 하는 부분에 저장매체를 이용해서 발전소를 건설, 또는 송배전까지 연결해야 한다. 대부분의 대용량 발전소는 열이 많이 발생하므로 열을 식히기 위해 동해나 서해 등 바닷가에 많이 접근돼 있다. 반면 부하를 많이 사용하는 부분은 서울이나 대구, 부산 등 인구가 밀집된 지역에서 전력을 많이 사용하므로 이동에 필요한 송전선 부분까지도 연동돼야 하는 점에서 손실도 고려해야 한다.
이처럼 전반적인 부분에 저장시스템이 들어감으로써 발전소나 송전선 같은 건설에 대한 약간의 지연을 이끌어낼 수 있고, 부하 밀집 지역에 설치하면 손실 부분을 세이브할 수 있다. 이와 같이 공급자 입장과 수요자 입장에서는 적게 사용하는 시간대에 저장했다가 많이 사용하는 시간대에 공급함으로써 요금 절감을 이끌어낼 수 있다.
그리고 발전소를 전체적으로 운영하다 보면 부하와 균형을 이루어야 하는데, 부하는 언제든지 사용하고 싶을 때 사용하기 때문에 부하가 어느 정도일지 전문 기술을 접목해서 지속적으로 예측하고 있다. 과거에 사용했던 누적 데이터를 이용해서 주중, 주말 변수를 접목해서 부하를 예측한다. 부하가 어떻게 바뀔 것인지에 따라 발전기의 운영 계획을 세운다.
그런데 사고로 인해 순간적인 고장이 발생할 수 있어 평소 가동하고 있으면서도 부하를 공급하지 않는 순동 예비력 부분을 계속적으로 발전기가 대응하고 있는데 저장시스템이 순간적으로 전력을 공급할 수 있으면 발전기의 순동 예비력 부분도 커버할 수 있다.
저장시스템은 충전을 하는 시간이든 방전을 하는 시간이든 일정 용량을 가지고 있는 경우에는 출력을 공급할 수 있기 때문에, 발전 전기 공급자 입장이나 또는 사용자 입장에서 전반적으로 필요하다고 볼 수 있다.
최근 20년 동안 태양광발전, 풍력발전 시스템, 연료전지가 개발돼 왔으나 아직 연료전지의 보급은 미비한 상태이며 풍력발전 시스템은 용량을 키우면서 해상으로 진출해 계통에 많이 적용될 것으로 보인다.
250만킬로와트의 풍력발전을 설치했을 때, 현장에서 직접 측정해 보니 출력이 제대로 나오는 경우는 계통과 연계되고 제대로 나오지 않는 경우는 계통에서 분리되는 식으로 연계와 분리가 심할 때는 하루에 백 번씩 연계/분리를 하는데, 이에 따른 차단기의 수명이 문제가 된다.
또 계통기를 운영하는 입장에서는 250만킬로와트가 계통에 들어왔다 나갔다 하면 계통을 운영할 수가 없다. 이런 변동 출력이 심한 부분에 저장시스템을 적용하면 계통 운영이 원만해진다. 이렇듯 ESS는 신재생에너지의 완충 역할을 할 수 있고 이 부분에 대해서는 여러 가지 제도권 하에서의 메리트를 제공해줌으로써 보급을 확대할 수 있다.
정부의 보급확대 정책…
수요관리와 스마트그리드 확산 사업
정부의 보급 확대를 위한 정책을 보면 수요관리 정책과 스마트그리드 확산 사업에 대한 적용으로 크게 볼 수 있다.
현재 우리나라의 전체 발전 설비 용량을 보면 8400만킬로와트 정도가 되는데, 기본적으로는 이 부분을 1년 내내 유지관리 점검에 들어간다. 이때 많이 사용하는 시간대는 유지보수의 용량을 적게 하고 여유가 있을 때는 유지보수의 용량을 크게 한다. 유지보수하는 동안에 발전소는 가동하지 않고 오픈하기 때문에 순간적으로 전력 공급이 불가능하다.
그 외에 가동 능력이 있는 부분하고 실제 사용하는 부하량 사이에 차이가 있는데 예비율이다. 가령 400만킬로와트 또는 500만킬로와트 미만으로 줄어들면 주의, 경계, 관심 등 단계별로 운영하는데, 이와 같은 예비력 부분에 저장시스템을 어떻게 적용할 수 있을지가 중요한 사항이다.
이와 같이 수요관리와 확산 사업에 ESS를 적용시키기 위해서는 ICT 기술이 필수다. 기존에 연축전지 저장시스템은 충분히 기술개발이나 적용을 해왔고 ICT 기술을 접목시키려면 전체적인 네트워크에 대한 상호 연결돼 각 시스템에 대한 정확한 정보를 가지고 동시에 필요한 경우에 리모트 컨트롤을 통해 어떤 시스템을 충전시키고 방전시킬지의 운영에 대한 메커니즘, EMS라고 할 수 있다.
매니지먼트 시스템과 스마트그리드를 어떻게 상호 연동시킬 것인지가 중요한 사항이다. 외국의 상황을 보면, 미국은 의무화 제도를 실시하고 있고 우리나라도 최근 설치 의무화 제도 안을 만들어 연차적으로 실시한다는 계획을 갖고 있다. 일본은 태양광과 저장시스템을 세트로 해서 각종 보조 지원 제도를 운영하고 있다. 유럽과 호주, 러시아, 중국도 마찬가지인데, 특히 중국의 경우는 저장시스템 시장이 대대적으로 이루어져 대응력 있는 우리나라 기업들은 중국 시장을 쳐다볼 필요 있다.
시장을 만들려고 한다면 의무화 제도를 만들어 발전회사(6개)나 대용량 수용가(계약 용량 3천킬로와트 이상, 500, 1000킬로와트 이상)에 일정 부분을 설치하도록 유도할 수 있다. 그리고 공공기관, 전기자동차 부분까지 하게 되면 상당한 시장이 형성된다.
ESS 표준화 추진 상황
ESS는 이상에서와 같이 다양한 부분에 적용이 가능한데, 중요한 건 국내 시장만 갖고 충분하지 않으므로 국내외적으로 표준화 부분도 중요한 역할을 한다.
표준화 부분은 지능형전력망협회 스마트그리드포럼의 분산전원 도메인에서 전지, 변환장치 그리고 전지와 변환장치를 콤비네이션시킨 시스템 부분 3가지에 대한 단체 기준 작업을 한다. 여기서 만들어진 표준을 SGSF라고 정하고, 여기서 SGSF가 이루어지면 표준협회에 신청을 해서 단체 표준 작업을 한다. 현재까지는 저장시스템에는 PCS(변환장치) 부분이 단체 표준으로 적용되고 있고 전지 부분 역시 단체 표준으로 적용된다. 시스템 부분은 1, 2, 3, 4,부로 나뉘어 있고 1부는 이미 표준협회의 절차를 거쳤고 2부가 12월 2일에 단체 표준에 대한 발표를 했고 조만간 결과가 나오면 2부까지는 사실 표준으로서 운영될 것 같다.
국제적으로는 2012년 12월에 IEC에서 TC120라는 하나의 분과가 만들어졌다. 7월에 첫 회의를 했고 지난 12월 10일 독일에서 열린 2번째 회의에서 각종 워킹그룹을 나누었으며 우리나라도 1년 전부터 준비위원회를 구성해서 참석했다. 일본, 미국보다는 국내 SGSF 포럼에 대한 기준 또는 단체 표준에 대한 준비가 돼 있어 국제회의에서도 각종 표준에 대한 제안이나 대응이 선진국 못지않게 적극적으로 대응한다. 정부와 전문가들의 적극적 의지가 반영돼 표준 분야만큼은 선진국에 뒤지지 않는다.
과거 저장시스템에 관한 연구는 쭉 실시돼 왔으나 최근 들어 관심과 공감대가 크게 형성되게 된 데는 ICT 기술을 접목시킴으로써 수요관리 시장과 스마트그리드 시장에 접근할 수 있고 또 기술개발과 시장 확대에 따른 가격 다운으로 경쟁력이 갖추어졌기 때문이다. 앞으로 ESS 시스템 시장은 점차적으로 확대될 것으로 본다.
<김혜숙 기자>
