이 글에서는 카본 뉴트럴 달성을 위해 재생가능 에너지의 주력 전원화를 지향하는 전력 시스템에 관련된 논점을 개관하는 동시에, 여러 가지 과제 해결의 기수로 지목되고 있는 가상 전력 플랜트(Virtual Power Plant: VPP)에 관한 일본의 대응, 현시점의 달성 정도, 앞으로의 과제와 전망에 대해 다룬다.

 

VPP란 다수의 축전지, 전기자동차, 급탕기 등의 축에너지 기기, 자가용 발전기나 에네팜(가정용 연료전지) 등의 창조에너지 기기, 에어컨, 조명, 생산 설비와 같은 전력 부하 등의 기기군을 통신망을 통해 통합 관리해 마치 단일 발전기처럼 기능시키는 기술을 가리키며, 에너지 매니지먼트의 한 형태라고 할 수 있다.

 

전력 시스템에서는 전기의 총발전량과 그 소비에 해당하는 총수요량이 어떠한 순간에서도 일치하지 않으면 안 된다. 기상 상황이나 시간대에 의해 발전 출력이 바뀌게 되는 태양광 발전이나 풍력 발전은 변동성 재생가능 에너지(Variable Renewable Energy: VRE)라고 불리며, 이들이 주류의 전원이 되는 상황에서는 전력 시스템의 운용이 어려워진다는 것을 쉽게 상상할 수 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위해서는 전력의 수요 그 자체나 수요가가 보유하는 에너지 기기에 협력을 구할 필요가 있으며, 그 구현화가 VPP이다. 즉, VPP는 VRE의 도입 확대를 실현하기 위해 반드시 필요한 기술이며, 카본 뉴트럴 달성의 키를 쥐고 있다.

 

이하에서는 카본 뉴트럴을 향해 변화하고 있는 전력 시스템의 특징과 과제를 설명한 후, VPP가 어떻게 과제 해결에 공헌하는지를 살펴본다. 대략 10년간의 대응을 되돌아보고 VPP의 현재 도달점 및 과제와 전망에 대해서 다루어 본다.

 

탈카본을 배경으로 하는 전력 시스템의 패러다임 전환

 

최근 전력 시스템은 큰 변혁기에 있다. 그 최대의 요인은 앞에서 말한 것처럼 탈탄소를 위해 태양광 발전(Photovoltaic Generation: PV)이나 풍력 발전 등의 VRE를 발전의 중심에 두는 것을 피할 수 없다는 점이다. 출력이 날씨에 따라 불안정한 VRE를 주력 전원화하기 위해서는 축전지를 비롯한 축전기기 및 열이나 수소 등으로 전환하는 것에 의한 축에너지 기술과의 조합이 필요하다.

 

CO2 배출의 큰 섹터인 운수에서는 자동차를 전동화하는 움직임이 확산되고 있으며, 세계 각지에서 야심적인 목표를 국가 차원에서 내걸고 있다. 즉, 지금까지 전기를 사용할 뿐이었던 수요가 측에 발전·축전 등의 분산형 에너지 리소스(Distributed Energy Resource: DER)가 대량으로 도입되는 세계로 향하고 있다. 이러한 수요가의 변화는 컨슈머로부터 프로슈머(소비뿐만이 아니라 에너지 창출도 한다)로 전환되는 것이라고 할 수 있다. 대규모의 발전기로 전기를 만들어 거대한 송배전망에 의해 한 방향으로 전력을 보내온 전력 시스템에, 그야말로 패러다임 전환이 일어나고 있다.

 

게다가 일본도 유럽과 미국에 이어 종래의 수직 통합된 전기사업을 발전, 송배전, 소매의 기능에 따라 분할해 별도의 사업자로 하는 동시에, 2016년에 발전과 소매의 섹터를 전면 자유화했다. 발전된 전기를 송배전망을 통해 일정 주파수·일정 전압의 에너지(kWh)로 수요가에게 전달한다는 점에서는 동일하지만, 발전 섹터가 분리됨에 따라 사업자 간에 새로운 전기의 가치 거래가 필요하게 된다. 즉, 전기를 발전할 수 있는 능력에 해당하는 kW 가치는 소매사업자가 발전사업자로부터 조달해야 하는 것, 또한 발전과 수요의 미스매치를 해소해 주파수를 일정하게 유지하는 조정력의 ∆kW 가치에 대해서는 일반 송배전사업자가 발전사업자로부터 조달해야 하는 것으로 정리된다. 이들 전력의 세 가지 가치는 각각 도매 전력시장(kWh), 용량시장(kW), 수급 조정시장(∆kW)에서 거래되게 된다. 앞으로는 프로슈머도 전력의 세 가지 가치를 창출할 것으로 기대되며, 각 시장에 진출할 수 있게 된다. 여기에서 설명한 전력 시스템의 대전환에 대해서 그림 1에 모식적으로 나타냈다.

 

 

가상 전력 플랜트

 

전력 시스템에서는 총발전량과 총소비량이 항상 일치해야 한다. 종래에는 총소비량에 맞도록 화력 발전이나 수력 발전의 발전 출력을 변화시키는 운용, 즉 ∆kW를 사용하는 제어가 이루어져 왔다. 그러나 VRE가 증가하고 화력발전기의 대수가 감소하는 앞으로의 세계에서는 총발전량과 총소비량의 미스매치가 확대되고, 이것을 보상하는 툴이 감소하게 된다. 세계에너지기관(IEA)은 VRE의 발전에 차지하는 비율이 높아질수록, 전력 시스템의 안정된 운용에 필요한 ‘flexibility’(유연성)의 양이 늘어난다고 보고하고 있다. 여기서 말하는 flexibility는 ∆kW와 거의 동일한 의미로, 발전량과 소비량의 차이를 메우기 위한 수단을 의미한다. 실제로 일본에서는 규슈 지역을 시작으로 도쿄를 제외한 모든 지역에서 PV의 출력 억제가 필요해지고 있으며, 이것은 flexibility가 필요하게 된 한 예이다. 앞으로 VRE의 양을 더욱 증대시켜야 하며, flexibility의 필요량도 확대되게 된다.

 

앞으로 새로운 flexibility의 담당자로서 기대되고 있는 것이 이 글의 주제인 가상 전력 플랜트(VPP)이다. 그림 2에 VPP의 개념을 나타냈다. 수요가의 전력 소비나 보유하는 에너지 리소스 DER는 일반적으로 소용량으로, 전력 시스템의 운용자가 이용할 수 있도록 하기 위해서는 여러 개를 통합해 서로 협조시킬 필요가 있으며 그 역할을 담당하는 것이 애그리게이터(aggregator)이다. 애그리게이터는 각각의 수요가가 축전지 등의 축에너지 기기, 에네팜 등의 창조에너지 기기의 출력이나 전력 소비를 올리고 내리는 동작의 전체를 지휘해 전력 시스템의 운용에 요구되는 ∆kW 등을 생성하는 ‘가상적인 발전소’＝가상 전력 플랜트로서 기능하게 한다.

 

 

이 개념을 실현하기 위해 일본에서는 경제산업성이 에너지 리소스 애그리게이션 비즈니스(ERAB) 검토회를 조직해, 지식인·관련 사업자에 의해 제도·룰 구축 환경을 정비하는 동시에, 실증사업 실시에 의해 애그리게이터의 육성, 기술의 축적을 추진해 왔다.

 

ERAB 검토회에서는 수요가 단위의 공헌량 계측 방법, 각 사업자가 통신에 사용하는 표준 인터페이스, 확보해야 할 사이버 시큐리티의 레벨이나 구체적인 대응 등에 대해 상세한 검토를 실시해 각종 가이드라인을 책정했다. 실증사업에서는 이들 가이드라인을 따르면서 수급 조정시장에서 예상되는 거래 요건 등을 채용한 시험 기준을 마련해 애그리게이터가 현실의 DER을 통합한 VPP를 어느 정도 시험 기준을 충족하도록 동작시킬 수 있는지 검증이 이루어져 왔다.

 

VVP의 도달점

 

1. 조정력 전원의 조정과 VVP의 상용화

VPP는 2016년에 실시된 일반 송배전사업자에 의한 조정 전원의 조달에 채용됐는데, 일본에서 최초의 실용 사례로 되어 있다. 이것은 일반 송배전사업자가 총발전량과 총소비량의 갭을 메우기 위해 필요한 ∆kW를 조달하는 프로세스로, 수급 조정시장이 완전 발족할 때까지(2024년 예정)의 구조이다. 조달은 몇 개의 카테고리로 나누어 이루어지며, VPP가 채용된 것은 ‘전원 I′(일대시)’라고 불리는 것이다. 이것은 통상적인 안정 공급에 필요한 조정력(전원 I, 최대 3일 평균 수요의 7%)과는 별도로 심각한 기상 대응의 예비 전원으로서 조달된다(최대 3일 평균 수요의 3%). 전원 I′는 예상외의 폭염·극한의 도래 등으로 일어나는 수급 압박(전력 소비에 대해 발전의 부족이 염려된다) 시에 일반 송배전사업자가 활용하는 리소스로, 전력의 총소비량을 삭감한다. 연간 최대 12회까지, 실제 동작의 3시간 전까지 발동되어 3시간의 지속이 요구된다. VPP가 제공하는 전력 소비 삭감량은 사전 계약으로 결정되어 발동 시에는 계약 삭감량 이상의 삭감(30분간 평균)이 있으면 의무를 이행한 것이 된다. 이러한 요건은 VPP에 있어 대응하기 쉬운 것으로, 958MW가 평균 단가 3,753엔/kW로 채용됐다. 이 조달은 매년 이루어지고 있으며, 2023년의 실적(2024년도용 조정 전원)에서는 2,240MW가 평균 가격 4,115엔/kW로 채용되어 2.3배로 확대됐다.

 

2. VPP 사업의 형태와 통신 시스템

VPP 사업을 하고 있는 애그리게이터 사업자에는 몇 개의 컨소시엄이 있는데, 그 대표는 애그리게이션 코디네이터(AC)라고 불린다. AC는 몇 개의 리소스 애그리게이터(RA)의 협력을 얻어 수요가의 리소스를 통합하고 있다. VPP의 발동은 전국의 일반 송배전사업자가 공동으로 사용하는 간이 지령 시스템으로부터 이루어진다. 간이 지령 시스템은 미국에서 개발된 디맨드 리스폰스용 통신 규격 OpenADR을 채용한 서버로, AC에 대한 지령 송출, 리포트 수신 등을 한다(그림 3). 간이 지령 시스템의 원형은 와세다 대학에 의해 개발됐으며, 그 사양에 기초해 일반 송배전사업자가 시스템의 다중화 등 실제 운용에 필요한 조건을 설정해 실제 적용했다.

 

 

3. 수급 조정 시장과 VPP 적용을 위한 실증사업

또한 VPP의 활약 영역을 확대하기 위해 실증사업에서는 2020년 이후 순차적으로 개설되고 있는 수급 조정시장으로 초점을 맞춰 시험 평가를 실시해 왔다. 수급 조정시장의 상품 구분과 그 요건은 전력 광역적 운영추진기관(OCCTO)에 전문위원회를 설치해 검토해 왔으며, VPP 리소스 대상의 현시점 요건을 표 1에 나타냈다.

 

 

총 다섯 개의 상품 구분이 있으며, 이들은 조정력 전원 공모의 전원 I를 세분화해 설정되어 있다. 3차 조정력②는 2020년 4월부터, 3차 조정력①은 2021년 4월부터 스타트했으며, 나머지 상품은 2024년부터 개시될 예정이다. 앞에서 말한 전원 I′와 비교해 수급 조정시장의 요건에서는 다음과 같은 특징이 있다.

 

VPP에 의해 공출되는 조정력에 대해서는 2차 조정력②, 3차 조정력①·②에서 전원 I′와 마찬가지로 간이 지령 시스템을 이용한 발동과 감시를 실시하기로 결정되어, 당초 예상됐던 전용선의 대응은 불필요하다고 여겨졌다. 그 외에 최저 입찰 용량 1MW로의 변경(통상의 전원에서는 5MW), 1차 조정력에 오프라인 범위의 설정(1차 조정력 전체의 4%를 상한으로 전용선에 의한 실시간 감시를 요구하지 않는 범위) 등 수요 측의 리소스가 참가하기 쉬워지는 완화가 이루어지고 있다. 실증사업에서 퍼포먼스가 평가되고 있으며, 각각의 리소스 특징을 근거로 하면서 복수 리소스의 조합 등에 의해 각 VPP 사업자는 어떤 시장에 어떤 리소스로 참가할지 독자적인 전략을 세움으로써 수익 최대화를 목표로 하게 된다.

 

또한 전원 I′에 대해서는 2024년 이후는 용량 시장 내에 준비된 ‘발동 지령 전원’에 인계되어, 지금까지와 동등한 요건 아래 조달·활용이 이루어지게 된다.

 

VPP의 과제·전망

 

VPP 리소스의 적용은 착실하게 확대되고 있다고 할 수 있지만, 아직 과제가 많아 기술면의 문제 해결이나 제도·룰의 수정 등이 필요하다. 이하에서는 이들의 주요한 내용, 동향, 전망에 대해 다루기로 한다.

 

VPP는 그 효율성이나 비용 대비 효과의 면에서 대규모의 수요가나 리소스를 중심으로 진행되어 왔다. 현재 주택 등 저압 수요가의 리소스는 수급 조정시장에 참가가 인정되지 않고 있다. 그러나 앞으로 주택에 대한 PV 도입은 한층 더 진행될 것으로 생각되며, 자가 소비 요구가 높아져 축전지의 보유, 전기자동차나 히트 펌프 급탕기의 도입도 추진될 것으로 예상된다. 각각의 용량은 작지만 엄청난 수가 있기 때문에 이들 저압 리소스를 활용하지 않을 수는 없다. 일본 자원에너지청은 2026년부터 저압 수요가가 수급 조정시장에 참가할 수 있도록 하기 위해 일반 송배전사업자의 리소스 파악 방법이나 이에 따른 밸런싱 그룹의 설정, 계획값 동시 동량 취급 등의 정리를 추진하고 있다.

 

다음으로, 오랜 기간 논의가 있었던 기기 개별 계량에 대해 2026년부터 적용을 목표로 검토가 진행되고 있다. 축전지나 자가용 발전기 등의 리소스는 지령에 대해 정확하게 출력을 컨트롤할 수 있지만, 수요가 전체의 소비전력을 전력 거래 미터로 계측하면 다른 수요나 리소스의 변동 영향을 받게 되어 그 보상도 하면서 VPP에 참가해야 한다. 만약, 특정 기기 개별 계측에 의해 VPP에 대한 공헌을 평가해도 좋다면, 기기의 성능이 완전하게 반영되어 DER가 참가하기 보다 쉬워진다. 이 과제에 대한 문이 열리려고 한다.

 

VPP의 새로운 응용으로서 혼잡 완화에 대한 적용을 목표로 실증사업(NEDO 사업)이 이루어지고 있다. 구체적으로는 배전선에 대량의 PV가 도입되어 역조류에 의해 배전용 변전소의 변압기 용량 초과, 그 상위 계통의 전류 용량 초과 등의 문제가 발생하는 경우에 축전지, 전기자동차, 급탕기 등에서 잉여 전기를 끌어올리는 것에 의해 문제를 회피하는 것이다. 종래의 개념으로는 설비 증강을 하게 되는데, 그 회피가 가능하다면 효과가 크므로 일반 송배전사업자, VPP 사업자가 실증을 추진하고 있다. 각각의 리소스가 전력 시스템의 어디에 위치하고 있는지를 특정할 필요가 있기 때문에 이들을 관리하는 플랫폼이 필요하고 배전선의 전환 등에도 대응한 계통 정보의 연계 등의 검토가 이루어지고 있다.

 

VPP의 보급에는 저렴하고 안전한 통신망이 중요하다. 수급 조정시장의 2차 조정력②나 3차 조정력①에서는 5분의 지령 간격과 1분의 감시 간격이 설정되어 있다. 5분 안에 요건을 충족하도록 피드백 제어를 하고 또한 1분의 감시 간격에 대응하기 위해서는 각각의 복수 리소스에 대해 1분 이내의 세세한 입도의 데이터 수수가 필요하다. 5G 통신의 적용 등 선진적인 대처도 보고되고 있으며, 이 면에서도 진전을 기대하고 있다.

 

맺음말

 

아직 VPP에 참가하는 리소스의 절대량이 적은 상황이지만, 앞으로 리소스는 확실히 증대할 것으로 전망되기 때문에 현시점에서부터 리소스 활용의 가치를 명확화하는 동시에, 실제 예를 만들어 가는 것이 중요하다. 필자가 간사로 참가하고 있는 스마트 리질리언스 네트워크에서는 평상시에는 시장 참가 등에 의한 경제성의 추구, 또한 재해 발생 등의 비상시에는 리소스를 활용하는 것에 의한 사업 계속성의 확보 등 리질리언스(resilience) 레벨 향상이라는 시점에서 종합적으로 리소스 활용의 의의를 정량적으로 평가하고 공유하는 대응을 하고 있다.

 

VPP는 크게 변화하고 있는 앞으로의 전력 시스템에서 중심적 역할을 하는 새로운 기술로, 일반 송배전사업자, 소매사업자, 애그리게이터, 수요가, 정책 당국이 대화를 거듭해 지혜를 결집해 가는 것이 필요하다. 앞으로 논의와 검토가 더욱 심화되어 VPP가 한층 더 진전을 이루기를 기대한다.